同段起爆炮孔间距对最大振速的影响分析

王亚朋，王海亮，何 闯，魏栋栋，李梓源

(山东科技大学矿山灾害预防控制省部共建教育部重点实验室，山东 青岛 266590)



同段起爆炮孔间距对最大振速的影响分析

王亚朋，王海亮，何 闯，魏栋栋，李梓源

(山东科技大学矿山灾害预防控制省部共建教育部重点实验室，山东 青岛 266590)

为研究开挖断面为6 m范围内同段位两炮孔间距对最大爆破振动速度的影响，以青岛地铁2号线延安路站侧穿166号楼为研究对象，采用数值模拟与现场试验相结合的方法，对同段起爆炮孔间距这一参数进行计算分析。结果表明：1)在开挖断面宽度为6 m范围内，同段起爆的两炮孔间距对最大爆破振速影响不明显；2)相邻两炮孔同段起爆比间隔炮孔同段起爆产生的振速衰减得快，即相邻两炮孔同段起爆对建筑物的累积损害量相对较小。

青岛地铁；隧道爆破；同段起爆；爆破振速；数值模拟；炮孔间距

0 引言

浅埋暗挖隧道采用爆破方法开挖，其爆破振动会对地表建筑物的安全构成较大威胁，因此，从不同角度研究爆破施工的各个环节，对保护建筑物以及确保地铁施工顺利开展意义重大。一般地，现场工人认为同一段雷管起爆的2个炮孔增加其间距会降低爆破最大振速。但萨道夫斯基公式在进行隧道爆破振动计算时，默认为炮孔之间具有一个等效爆炸点，炸药集中于此，因此仅考虑单段起爆药量，并未对炮孔间距加以限定。为了能够正确地指导现场工人的作业，并验证萨道夫斯基对隧道爆破振速计算的准确性，研究同段两炮孔起爆时炮孔间距是否对爆破最大振速产生影响就显得尤为重要。

影响爆破最大振动速度的因素有很多，且国内外学者做了大量的研究工作。张祖远等[1]研究了大直径中空孔掏槽对振速的影响；罗忆等[2]通过增加爆破安全距离的方法来降低最大爆破振速；周宜等[3]对掏槽形式、装药结构和爆破参数做了深入研究，并最大限度地降低了爆破振速；闫鸿浩等[4]提出了微差减振爆破法，从雷管延期方面研究如何降低爆破振动速度；徐振洋等[5]对岩石性质进行了研究，并总结出岩性对爆破振动传播规律产生的影响。然而，国内外对于影响最大振动速度的研究仅停留在降低单段最大药量、增加自由面和增大爆破安全距离等方面[6-7]，并没有对同一段位两炮孔起爆时的炮眼间距(即单段装药集中度)这一影响因素进行研究。因此，本文以青岛地铁延安路车站为工程背景，通过现场试验、数值模拟等方法对相邻两炮孔同段起爆与间隔炮孔同段起爆产生的最大爆破振动速度进行分析，来确定同一段位两炮孔起爆时炮孔间距对爆破最大振动速度产生的影响。

1 工程概况

青岛地铁延安路车站位于延安路海信立交桥南侧，车站主体为暗挖单拱双层结构，全包防水，车站中心里程处拱顶覆土约17 m，沿延安三路南北方向布置。车站起讫里程YSK27+687.017～+885.817内建筑物分布密集，位于车站西侧的166号楼为毛石条基，7层(部分为6层)砖混结构，抗震性差，为重点保护对象，爆破振动要求控制在0.5 cm/s以内。延安路车站主体Ⅳ部上台阶开挖断面宽8.0 m、高3.9 m、断面面积19.5 m2。本区内基岩以粗粒花岗岩为主，围岩等级为Ⅳ—Ⅴ级。其中，车站主体Ⅳ部上台阶爆破时对166号楼影响最大。车站主体与166号楼的平面位置关系如图1所示。

图1 车站主体与166号楼的平面位置关系(单位：m)

Fig.1 Cross-section showing relationship between main body of station and building No.166 (m)

2 爆破设计

Ⅳ部上台阶开挖时分2次起爆，第1次起爆时需要掏槽，炮孔装药量不同，不利于控制单段起爆药量，因此，本文仅对第2次起爆的断面进行研究。爆破施工使用1～20段毫秒延期导爆管雷管和2号岩石乳化炸药，采用不耦合装药方式，循环进尺1.0 m，单孔装药量0.2 kg。由于第1次起爆为第2次起爆提供了爆破自由面，第2次起爆时炮眼布置间距相对较大，周边眼间距为550 mm，辅助眼行间距为600 mm，排距为650 mm。在爆破施工过程中随着掌子面的逐步推进，距保护对象的距离逐渐减小，为降低振速，现场将起爆方式由原来的相邻孔同段起爆转变为具有间隔的炮孔同段起爆[8-10]。2种起爆方式见图2。

(a)相邻孔同段起爆

(b)间隔孔同段起爆

3 现场监测

3.1 监测仪器与测点布置

爆破振动速度是反映爆破对周围建筑物损伤程度的基本指标[11]。本工程采用成都中科TC-4850测振仪，将测振仪置于延安三路车站主体Ⅳ部掌子面正上方偏右6 m的位置，即距需要保护的166号楼最近的位置。随着掌子面的不断推进，测点的位置向前移动并始终保持两者在一个垂直面内。为提高实验结果的可靠性，进行8个断面的爆破试验，其中1、3、5、7断面一段别雷管的两炮孔集中布置，2、4、6、8断面一段别雷管的两炮孔分散布置，其测点位置布置见图3。测点与爆破几何中心的直线距离约为21.3 m。为了降低雷管段位造成的误差，仅对一段瞬发雷管起爆时产生的振速进行分析。

3.2 监测数据分析

测点处爆破振动速度的大小通常受3方面的影响：1)单段最大起爆药量；2)爆心距；3)与保护对象所处地形、地质条件有关的系数和衰减指数[12]。对于本工程而言，爆心距与保护对象所处地形、地质条件有关的系数和衰减指数已经确定，地表的爆破振动速度仅受单段最大起爆药量的影响。为了避免起爆时同段雷管的延迟误差，仅对一段起爆时产生的爆破振动波形图进行分析，随着爆破施工的进行，测点的布置随断面向前移动。共收集到8个断面爆破时相邻两炮孔同段起爆与间隔炮孔同段起爆产生的振动数据，振动数据见表1，得到1、2断面爆破时的测点振动波形图，如图4所示。

图3 测点位置布置

通过对上述测点振动数据的分析，发现在掌子面横向间距6 m范围内相邻两炮孔同段起爆与间隔两炮孔同段起爆产生的最大合振速在0.25 cm/s处上下波动。由一段起爆的2个炮孔产生的振动数据可以推测，同一段多炮孔起爆时其炮孔间距对最大振速影响不大。试验中使用20段雷管起爆，其他段位的雷管会对一段瞬发雷管起爆时的振动产生影响。因此，本文使用数值模拟的方法对间隔炮孔同段起爆与相邻炮孔同段起爆产生的爆破振动速度进行验证分析。

4 数值模拟

4.1 模型的建立

本文采用ANSYS数值模拟对同段位炮孔的装药密集度进行模拟分析。由于爆破断面的形状对爆破振动不产生影响[13]，从建模的可行性考虑，建立带有炮孔的2个长方体模型进行分析。长方体模型1的尺寸设置为长11 m、宽5 m、高17 m，在距模型右侧2.9 m、底面0.5 m的部位设置炮孔1，在距模型右侧3.1 m、底面0.5 m的部位设置炮孔2，模型见图5。长方体模型2的尺寸与模型1相同，但炮孔位置不同，炮孔1距模型左侧0.5 m、底面0.5 m，炮孔2距模型左侧5.5 m、底面0.5 m。模型见图6。

(a) 相邻孔同段起爆

(b) 间隔孔同段起爆

图5 相邻炮孔同段起爆模型

模型中岩石和炸药都采用SOLID 164实体单元进行网格划分[14]。建模前期将模型分为3个part，part1与part2同为炸药材料，part3为岩石，岩石的力学性质参数见表2，岩石乳化炸药基本参数见表3。模型整体网格划分较为均匀，炮孔轴线方向与径向相对较密，其他部分网格划分较为稀疏。为降低网格密集程度在模拟中对爆破振速产生的影响，2个模型网格划分基本都在31 000个单位左右。为符合实际爆破过程中的反向起爆方式，模型的起爆点设置在炮眼药卷底部。模型建立具有局限性，只能还原出主要研究的部位，为实现使用有限体模拟无限体，确保模拟的真实性，在模型除顶面(地表)的其他5个面均施加无反射边界条件[15]。模型边界条件施加情况如图7所示。

图6 间隔炮孔同段起爆模型

材料密度/(g/cm3)弹性模量/GPa剪切模量/GPa泊松比比内能/(×1010ergs·g-1)岩石2.74618.60.151.267

表3 炸药基本参数

图7 模型边界条件施加情况

4.2 ANSYS软件计算结果分析

模型中测点的布置与现场布置大致相同，位于模型掌子面右上方，通过后处理提取可知模型1的测点为(700，1 650，-20)，模型2的测点为(700，1 650，-20)。通过确定的测点位置可以提取出测点y方向的振动曲线，如图8和图9所示。

图8 模型1测点振动曲线

Fig.8 Blasting vibration velocity vs.time in model of detonation of adjacent blasting holes

图9 模型2测点振动曲线

Fig.9 Blasting vibration velocity vs.time in model of detonation of spaced blasting holes

从图8和图9可以看出:y方向的爆破振动速度波动在-0.2～0.3 cm/s；模型1的最大振动速度出现在2.7×103μs左右，模型2的最大振动速度出现在4.5×103μs左右；模型1出现的最大振速较早的主要原因是同段位炮孔装药相对集中，同时释放出较大的能量，在前期传播过程中能量衰减较慢，因而模型1较快到达振动峰值；模型2在最大振速前出现了一个小的波峰然后达到最大振速，主要原因为模型2的2个炮孔间距较大，导致右侧炮孔距离测点的位置较小，即爆心距较小，由萨道夫斯基经验公式可知，模型2的一个炮孔距离测点较近会首先在测点产生一个振速；由于采用一段起爆且振速传播较快，模型2中的两炮孔振速迅速叠加到峰值。从图4可以看出，双孔单段布置炮孔时炮孔间的最大爆破振动速度相等。2个模型中最大振速相等，但模型1中振速在5×103μs时已经降至0.1 cm/s以下，模型2在6×103μs时才降到0.1 cm/s，可知相邻孔同段起爆比具有间隔的炮孔同段起爆振速衰减得快。

5 结论与讨论

爆破断面为6 m的范围内，在装药量不大的情况下，通过对一段雷管起爆时两炮孔产生的最大爆破振速进行分析，得出以下结论。

1)现场爆破施工时的监测数据与ANSYS数值模拟得出的结果相对比，可以发现：在小区域的浅孔小药量爆破中两孔一段进行爆破装药时，2个炮孔的装药间距对同一点的最大爆破振动速度不产生影响，所以在进行减振方案时不应考虑增加同段位炮孔间距，单纯的增加炮孔间距不仅会降低工人的装药效率，而且会增加导爆管的数量。

2)两炮孔起爆后，产生的爆破振动在传播一定距离后会叠加，炮孔间距不影响叠加后形成的最大振速。

3)由于同段起爆炮孔间距对测点产生的最大振速不造成影响，所以两炮孔相距6 m范围内，其中心连线的中点可以等效为起爆点，与萨道夫斯基经验公式相吻合，为该公式在隧道爆破中的运用提供了理论基础。

4)虽然爆破产生的最大振速不变，但是由图8和图9可以看出，相邻炮孔同段起爆时振速衰减较快，对被保护建筑物产生的持续损害较小；然而，间隔炮孔同段起爆时爆破振速衰减较慢，对被保护建筑物产生的持续损害相对较大。在现场允许的情况下，为了减小对被保护建筑物的损害，进行雷管段位布置过程中应尽量实现相邻炮孔同段起爆。

本文未对当炮孔间距超过6 m时是否会影响最大振速进行研究，同时仅考虑了2个炮孔同时起爆时的最大振速，而对多个炮孔同时起爆时仅通过定性分析类推认为最大振速不变，但并未进行定量分析，这些均有待今后更加深入的研究。

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Analysis of Influence of Spacing of Blast Holes with Same Detonation Delay on Maximum Blasting Vibration Velocity

WANG Yapeng,WANG Hailiang,HE Chuang,WEI Dongdong,LI Ziyuan

(KeyLaboratoryofMineDisasterPreventionandControl,ShandongUniversityofScience&Technology,Qingdao266590,Shandong,China)

The influence of spacing of blasting holes with same detonation delay on the maximum blasting vibration velocity is calculated and analyzed by numerical simulation and field test,taking Yananlu Station on Line 2 of Qingdao Metro side crossing building No.166 for example.The results show that:1) The influence of spacing of blasting holes with same detonation delay on the maximum blasting vibration velocity is not obvious when the width of excavation cross-section within 6 m.2) The reduction of blasting vibration velocity induced by detonation of adjacent blasting holes is faster than that induced by detonation of spaced blasting holes,i.e.the accumulated damage of building induced by detonation of adjacent blasting holes is smaller than that induced by detonation of spaced blasting holes.

Qingdao Metro; tunnel blasting; blasting with same detonation delay; blasting vibration velocity; numerical simulation; blasting hole spacing

2015-12-24;

2016-04-27

王亚朋(1991—)，男，山东济宁人，山东科技大学安全技术及工程专业在读硕士，研究方向为灾害预测与防治。E-mail：2476599092@qq.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.10.011

U 455.6

A

1672-741X(2016)10-1232-05