隧道洞中爆破振动对地表影响的数值分析

田 涛 田 密 陈 兵

(中交一公局第一工程有限公司，北京 102205)



隧道洞中爆破振动对地表影响的数值分析

田 涛 田 密 陈 兵

(中交一公局第一工程有限公司，北京 102205)

利用Midas/GTS有限元分析软件，建立了隧道洞中爆破振动对地表影响的模型，分析了模型不同时段总振速的变化规律，结果表明，随着爆破荷载作用时刻的增加，模型的总振速先增大后衰减。

Midas/GTS软件，振速，隧道，地表

0 引言

爆破过程中，地震波在一定范围内影响地面建筑物的结构稳定性，甚至造成结构的破坏。国内外许多学者进行了隧道爆破对地表振动的研究，并有大量成果[1-4]发表。这些研究成果主要集中在城市地铁隧道爆破对地表振动的影响方面。本文采用Midas有限元分析软件，建立隧道洞中爆破振动对地表影响模型，分析了模型不同时段总振速的变化规律。

1 模型建立

1.1 工程概况

永吉高速公路4标段那丘隧道洞中爆破掌子面里程为ZK13+400，隧道洞中段围岩为Ⅳ级围岩，围岩岩性也为中风化石灰岩，岩质较硬，岩体较完整。

1.2 模型假定

1)隧道围岩为连续、均质、各向同性的灰岩，计算时不考虑剪胀。

2)隧道围岩为弹塑性材料，屈服准则遵循Mohr-Coulomb屈服准则。

3)不考虑隧道出洞口已开挖段初期支护对模型的影响。

4)不考虑隧道施工方法对隧道出洞口爆破模拟的影响。

5)不考虑爆破孔位置和排列方式对隧道爆破模拟的影响。

6)假设爆炸荷载以压力的形式均布荷载作用在洞室壁上，作用方向垂直于隧道开挖轮廓面。

7)将爆破荷载曲线简化为等效三角形荷载，如图1所示。

8)本次分析取加载时间为12 ms,卸载时间为100 ms。总的计算时间取500 ms。

1.3 模型尺寸及单元定义

如图1所示，模型的X向长度为180 m，Y向宽度为140 m，下边界离隧道拱底的高度为隧道跨度的4倍，上边界按那丘隧道左线工程地质纵断面图的实际地形情况来建立。同时，模型岩体采用3D实体单元来模拟。

1.4 模型计算参数

模型计算所采用参数如表1所示。

表1 模型灰岩的力学参数

1.5 模型边界条件

那丘隧道中部爆破的动力分析过程由特征值分析和线性时程分析两阶段组成。首先，进行特征值分析时，需要将边界定义为文克尔提出的弹性边界。在Midas GTS软件中，可以使用地面曲面弹簧功能快捷键生成弹性边界。

模型的特征值分析阶段除上边界和爆破荷载施加边界为自由边界外，左边界、右边界、前边界和后边界、下边界均为弹性边界，而且下边界固定x向、y向和z向的位移。模型的线性时程分析阶段除顶部边界和爆破荷载施加边界为自由边界外，左边界、右边界、前边界、后边界和底部边界均为粘性边界，而且底部边界固定x向、y向和z向的位移。

1.6 模型特征值分析

模型的第1和第2振型的周期分别为0.137 647 1 s和0.124 045 8 s。

1.7 模型爆破荷载施加

那丘隧道左线洞中爆破掘进时，采用的是不耦合装药结构，炸药为2号乳化炸药。隧道洞中爆破的计算参数：炸药爆速Dj=3 600 m/s，炸药密度ρe=1 200 kg/m3，炮孔直径de=48 mm，药包直径db=48 mm，炮孔长度lb=230 cm，药包长度le=200 cm。

模型隧道洞中爆破循环进尺2 m的总装药量:

(1)

根据炸药爆轰波的C-J理论，作用在炮孔孔壁上的平均炮轰压力Pj为:

(2)

式中：Pj——瞬时爆轰平均压力，Pa；ρe——炸药密度，kg/m3；Dj——炸药爆速，m/s；γ——炸药等熵系数，m/s。

在不耦合装药条件下，对于不耦合系数较小的柱状药包，炸药爆炸后，单个炮孔壁受到的初始峰值压力Pb的计算公式为：

(3)

式中：db，de——炮孔直径和药包直径，mm；le，lb——炮孔长度和药包长度，mm；n——爆炸产物膨胀碰撞炮孔壁时的压力增大系数，一般取10。

基于连续介质力学的统一本构关系，将整个粉碎区和破碎区都视为爆源，则等效到弹性边界的爆破荷载计算公式为：

(4)

式中：r0——炮孔半径，r0=0.5db，mm；r1——粉碎区半径，mm；r2——破碎区半径，mm；v——岩体的动泊松比,v=0.28。

一般在柱状装药条件下，粉碎区半径约为炮孔半径的2倍～10倍，破碎区半径约为炮孔半径的10倍～100倍。本文隧道爆破振动分析取r1=3r0，r2=10r0。

基于力学上的圣维南原理，对隧道的爆源进行简化处理，等效荷载在建模时不考虑炮孔形状，即在模型中不予体现出来，然后对爆破荷载时程曲线进行等效，将爆破荷载等效后施加在隧道开挖轮廓面上时，需要施加的等效荷载为：

(5)

其中，S为隧道爆破孔的等效间距，近似等于周边孔间距，取550 mm。

根据已有研究成果的计算思路，本文采用具有线性上升段和下降段的三角形荷载等效施加到隧道开挖轮廓面上。

1.8 模型测点选取

为了研究模型地表总振速与爆源距离、高程差的关系，本项目借助Origin8.5软件建立隧道洞中爆破振动模型中的地表振速公式。而此公式的数据采集需要选择若干具有代表性的地表测点进行拟合分析。因此，模型测点选取的结果如图2所示。

2 模型计算结果分析

为了准确了解隧道洞中模型0 ms～500 ms内地表总振速在不同时段内的变化规律，选取加载段时刻(t=6 ms)、荷载峰值时刻(t=12 ms)、卸载段时刻(t=18 ms)和持续段时刻(t=120 ms)，振速分布云图如图3所示。

从图3可得，模型的峰值总振速随着时间的增加而先增大后减少，此外，模型地表最大的总振速为2.15 m/s，发生在模型隧道顶部山体地表的68830节点位置处，其对应的时刻为峰值时刻(t=12 ms)。

3 结语

1)随着爆破荷载作用时刻的增加，模型的总振速先增大后衰减。

2)模型地表最大的总振速为2.15 cm/s，发生在模型顶部山体地表的68830节点、68831节点、68778节点和68830节点位置处，其对应的时刻都为荷载峰值时刻(t=12 ms)。

[1] Rander-Pehrson, Glenn. An Improved Equation for Calculating Fragment Ballistics[J].Daytona ahailton Daytona Beach , Florida: physics Publishing,1977,25(2):23-27.

[2] C H Dowding. Blast Vibration Mornitoring and Control[M].North-Holland Publishing Company, Amsterdam.1995.

[3] 江胜华,李祥久.城市隧道爆破对附近地表的振动监测与影响分析[J].山西建筑,2014,40(31):198-199.

[4] 杨甲豹.隧道掘进爆破对地表敏感建筑物的振动影响监测与控制[J].铁道标准设计,2016(1):102-106.

Numerical analysis of the effect of blasting vibration along the tunnel on the ground surface

Tian Tao Tian Mi Chen Bing

(No.1 Engineering Co., Ltd of FHEC of CCCC, Beijing 102205, China)

The numerical model of the effect of the blasting vibration along the tunnel on the ground surface is established by the finite-element analysis software of Midas/GTS software. Analyzed the variation law of model in different periods total vibration velocity. The research results shows that the total vibration velocity of the model first increase and then decrease with the increase of the blasting load moment.

Midas/GTS software, vibration velocity, tunnel, the earth’s surface

1009-6825(2017)16-0165-02

2017-03-17

田 涛(1984- )，男，工程师； 田 密(1987- )，男，助理工程师； 陈 兵(1991- )，男，助理工程师

U452

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