李梓源， 王海亮
(山东科技大学矿山灾害预防控制教育部重点实验室， 山东 青岛 266510)
摘要：为了解“短孔卸压降振法”对周边孔最大振速的影响程度，利用多自由面削减能量的原理，首先采用ANSYS-DYNA数值模拟软件对设置“卸压短孔”前后的断面模型进行计算分析，其次结合现场对设置“卸压短孔”前后的隧道断面爆破试验，提取爆破后的振速图进行对比论证，从而得出设置“卸压短孔”前的断面爆破振速大于设置后的断面爆破振速的结论。结果表明： 1)使用“短孔卸压降振法”后，断面周边孔振动速度有所降低； 2)采用“短孔卸压降振法”进行控制爆破后，隧道开挖轮廓线成型平整，超欠挖现象显著减少。
关键词：地铁隧道； 周边孔爆破； 短孔卸压降振法； 数值模拟； 试验； 振动速度
城市地铁隧道的大规模兴建使工程爆破技术得到了蓬勃发展。爆破技术在方便快捷服务于地下工程的同时，带来的负面影响尤其是爆破振动对地表建(构)筑物的扰动已不容忽视。为此，国内学者对控制爆破振动做了很多研究。张湘冀等[1]运用LS-DYNA3D程序对封闭岩体中的爆炸过程进行了数值模拟，模拟得出的质点振动速度峰值与理论公式计算出的结果基本相符； 王振毅等[2]根据某水电站地下导流洞拉槽爆破对于邻洞振动影响的测试实例，采用拉格朗日算法建立简化模型，模拟研究了隧洞开挖爆破过程中邻近洞室质点的振动速度特点； 任永强等[3]采用ANSYS-LS-DYNA动力有限元数值模拟方法对爆破动力荷载强度进行了研究，证明动力有限元数值模拟法提出的边坡速度、位移和塑性区变化能较真实地反映动力响应结果以及爆破振动的扰动作用； 操鹏等[4]利用有限元分析软件ANSYS进行了数值模拟，研究了精确延时控制爆破作用下不同毫秒延期时间对爆破振动强度的影响； 邵珠山等[5]采用LS-DYNA动力有限元软件对不同净间距时的新建隧道和既有隧道进行了数值模拟，研究了小净距下复线隧道的施工爆破对既有隧道的影响； 宋全杰等[6]通过测试爆破区后方测爆连线与层理走向不同夹角方向的一系列测点的振动速度值，研究出与层理走向不同夹角方向的爆破振动衰减规律； 刘冬等[7]和黄明利等[8]通过合理调整施工工法，提出了有效的爆破振动控制技术； 汪学清等[9]在利用中深孔光面爆破技术进行井下岩石巷道掘进的过程中，优化了周边眼间距和装药量，使光面爆破效果更好； 吕渊等[10]通过从周边眼装药结构、装药量、炮眼直径、炮眼间距和炮眼深度等角度出发，对光面爆破进行了研究； 田洪文[11]结合具体的隧道工程施工实例，简要探讨了光面爆破技术在隧道施工中的应用。
目前，国内学者多集中在利用模拟软件或试验对爆破过程进行分析计算，从宏观角度，如隧道洞径、围岩条件和层理走向等，找出有关于振动速度的规律性结论，而将2种方法结合起来进行炮眼布置分析的较少； 并且对于实现光面爆破的手段也仅局限于改变周边孔的参数和光爆层的厚度。结合模拟软件与现场试验，从断面周边孔布置的角度对爆破过程进行综合分析，不仅得出相应减振结论，而且通过卸压短孔将周边孔内炸药的多余爆轰能量泄出，进而减小了多余能量对隧道围岩的影响，对实现光面爆破有积极意义。
由岩石爆破作用原理知，爆破后的岩石向自由面破坏和移动。增加自由面的个数，可以在明显改善爆破效果的同时，显著地降低爆破振动[12]。从能量的角度分析也不难得出，随着自由面数量的增加，爆破地震波质点振动速度峰值降低，主频增加且主频带变宽，峰值能量降低； 低频部分占总能量的比例降低，且持续时间变短[13]。基于以上2个不同角度的分析，可知自由面越充分，爆破地震的危害效应越低，所以，合理利用地形条件或人为地创造自由面，往往可以达到事半功倍的效果。
周边孔位于隧道轮廓线上，与地表被保护对象的距离最近。根据萨道夫斯基公式
(1)
式中： v为被保护对象所在地质点的振动安全允许速度，cm/s； R为爆源与需要保护的建筑物之间的距离，m； Q为掏槽眼起爆时最大一段炸药量，kg； K、α分别为与爆破点至计算保护对象间的地形、地质条件有关的系数和衰减指数。
在其他条件不变的情况下，周边孔与被保护对象之间的距离越小，对被保护对象的振动、扰动越大。利用自由面原理，在周边孔内部布置“卸压短孔”，如图1所示，从而在周边孔内侧创造出新的自由面，使一部分地震波沿最小抵抗线的方向传入“卸压短孔”，进而削减了传向地面的振动能量，起到减小振动的作用。
图1 “短孔卸压降振法”爆破减振作用原理示意图(单位： mm)
Fig. 1 Working principle of short-hole pressure relieving and vibration reduction method (mm)
2.1 计算模型
为说明“短孔卸压降振法”对地表被保护建筑物的影响，利用ANSYS-DYNA有限元模拟软件，对采用“短孔卸压降振法”前后的隧道断面分别建立基础模型。由于隧道断面的形状对爆破振动不产生影响[14]，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，模型规格均为1 m×1 m×7 m(长×宽×高)。模型1为不采用“短孔卸压降振法”周边孔的断面模型，在距离模型底面0.5 m处，中心对称向两侧设置2个间距为0.6 m、深度为1.0 m的装药炮孔，2个炮孔设置为同段起爆，如图2所示； 模型2为采用“短孔卸压降振法”周边孔断面模型，除了与模型1在相同位置设置2个装药孔外，还在距离2个装药炮孔中心0.2 m上方设置一个0.5 m深的空孔，如图3所示。
模型采用solid 164实体单元，并进行映射网格划分，炮孔轴向和径向方向网格划分较为密集，为方便计算，其他部分网格划分较为稀疏。模型1单元数为99 840，节点数为108 591； 模型2单元数为124 160，节点数为134 577。对模型进行材料赋值，炸药材料为乳化炸药，参数见表1； 另一种为岩石材料，参数见表2。模型顶部边界为固定边界，代表地表自由面； 为减少动荷载作用下边界反射波的影响，其余侧面边界均设为无反射边界。实际建模中为简化运算，对只建立一组“卸压短孔”和周边孔的模型进行计算分析。
表1 乳化炸药性能参数
Table 1 Performances of emulsion explosive
材料密度ρ/(kg/m3)爆速D/(m/s)C-J压力pC-J/GPaA/GPaB/GPaR1R2ωE0/GPa乳化炸药1．15×10335004．2214．40．1824．20．90．1524．192
表2 岩石材料物理力学参数
Table 2 Physico-mechanical parameters of rock
材料密度/(g/cm3)弹性模量/GPa剪切模量/GPa泊松比比内能/1010(ergs/g)岩石2．74618．60．151．267
炸药爆炸后，爆轰产物的流动行为将引起压力与体积的变化，采用JWL(Jones-Wilkins-Lee)状态方程描述爆轰C-J状态后压力与体积、内能之间的关系[15]。JWL状态方程形式为
(2)
式中： p为压力； E为初始比内能； V为爆轰产物的相对体积； A、B、R1、R2和ω均为炸药参数。模拟中需输入的乳化炸药参数见表1。
2.2 数值模拟结果分析
2个模型选取相同测点，质点为距离爆心6.5 m的模型顶面中心质点，顶面为地表自由面。模型1选取质点36 629作为振动监测点，模型2选取质点25 697作为振动监测点。通过后处理软件，分别对2个质点的合振速进行提取，振动曲线如图4和图5所示。
图4 测点振动曲线图(模型1)
Fig. 4 Vibration curve of monitoring point (Model 1)
图5 测点振动曲线图(模型2)
Fig. 5 Vibration curve of monitoring point (Model 2)
由图4和图5可看出，t为0～2.3×103 μs振速曲线平直无变化，对应合振速为0 cm/s，分析可知此时间段为炸药爆炸后地震波向模拟地表的传播阶段； t=2.4×103 μs后，2条曲线均呈上下波动趋势，且振幅随时间依次衰减，分析可知地震波向地表自由面传播的过程是一个能量逐渐衰减的过程，地表质点的振动速度随地震波传播能量的削减而减小。
由图4可知，模型1的最大振速出现在曲线t=4.2×103 μs的波峰位置，对应合振速的最大值为0.47 cm/s； 由图5可知，模型2的最大振速出现在曲线t=3.6×103 μs的波峰位置，对应合振速的最大值为0.26 cm/s。综上可知，模型2的合振速最大值与模型1相比有明显的减小。经分析得，在模型2中，距离2个炮孔中心位置0.2 m处设置有一个0.5 m深的中空“卸压短孔”，根据岩石爆破作用原理[11]，地震波将朝着最小抵抗线的方向传播，由于“卸压短孔”内部为空心构造，相当于在2个装药孔间创造了一个新的自由面，装药孔至“卸压短孔”间最小距离即为最小抵抗线。装药孔在爆炸后，一部分爆轰能量会向“卸压短孔”处并朝着最小抵抗线的方向溢散。因此，采用“短孔卸压降振法”的断面相比于传统炮眼布置断面，地震波在向地表传播时会削减一部分能量，从而达到减振的作用。
3.1 试验现场概况
青岛地铁延安路车站位于延安路海信立交桥南侧，采用单侧壁导坑法进行主体部分的暗挖工程。车站为单拱双层结构，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，施工范围内建筑物密集分布，位于车站西侧的166号楼为毛石条形基础，7层(部分为6层)砖混结构，抗震性差，为重点保护对象。延安路车站主体Ⅳ部上台阶开挖断面宽7.8 m，高3.9 m，断面面积18.7 m2。本区内基岩以粗粒花岗岩为主，围岩等级Ⅳ—Ⅴ级。
3.2 试验方案
整个隧道断面分2次开挖，Ⅰ部为先开挖部分，一级掏槽眼间距为1.0 m，深度为0.6 m，角度为60°，单孔装药量为0.2 kg； 二级掏槽眼间距为2.0 m，深度为1.2 m，角度为65°，单孔装药量为0.3 kg； 其他辅助眼间距为0.6 m，排距为0.5 m，深度为1.1 m，单孔装药量为0.2 kg。Ⅰ部开挖后，Ⅱ部再进行爆破。Ⅱ部为试验部分，通过改变周边孔设计，对设置“卸压短孔”的前后方案产生的不同爆破效果进行对比，以此确定模拟结果是否符合实际，减振方法是否有效。本试验遵循单一变量原则，方案1采用周边孔传统布孔方式，周边孔沿隧道边界轮廓线布置，炮孔间距为0.6 m，深度为1.1 m，外插角为3°，单孔装药量为0.2 kg，雷管段位设置为两两一段，如图6所示。
图6 炮眼布置示意图(方案1)(单位： mm)
Fig. 6 Layout of blasting holes (Scheme 1) (mm)
方案2为减振方案，除采用传统布孔方式外，在距离两相邻周边孔连线中心0.2 m处，加设深度为0.5 m的不装药空孔，如图7所示。
(a) 炮眼布置示意图
(b) 试验现场图
图7 炮眼布置示意图及试验现场图(方案2)(单位： mm)
Fig. 7 Layout of blasting holes and site photo (Scheme 2) (mm)
3.3 试验数据分析
试验采用中科TC-4850测振仪获取振动数据，测振仪安放在延安三路车站主体Ⅳ部掌子面正上方靠近166号楼最近的位置。分别对方案1和方案2进行振动测量，为了提高分析效率，突出研究重点，仅对周边孔起爆时产生的振速进行了测量分析。根据现场的炮眼布置，可知周边孔的延期雷管段数为6～9段，即150～310 ms。通过Blasting Vibration Analysis软件对已测振速进行提取，方案1和方案2的振速曲线如图8和图9所示。
图8 试验实测振速曲线(方案1)
Fig. 8 Curve of measured vibration velocity (Scheme 1)
由图8可看出： 方案1周边孔爆破后，整体振速为-0.35～0.37 cm/s； 当t=0.194 s时，周边孔最大爆破振动速度为0.375 cm/s。
图9 试验实测振速曲线(方案2)
Fig. 9 Curve of measured vibration velocity (Scheme 2)
由图9可看出： 方案2周边孔爆破后，整体振速为-0.20～0.22 cm/s； 当t=0.213 s时，周边孔最大爆破振动速度为0.221 cm/s。由上述数据分析可得， 0.221 cm/s<0.365>cm/s，即方案2对地表被保护对象的振动扰动与方案1相比有所降低。可见，“短孔卸压降振法”确实对周边孔的爆破起到了减振作用，故而从实践的角度论证了“短孔卸压降振法”对控制周边孔振速的可行性。
从现场爆破效果来看，采用“短孔卸压降振法”进行爆破作业后，在5个爆破循环中，基本无欠挖，眼底最大超挖值为100 mm，平均超挖值为50 mm，断面成型质量良好，开挖轮廓线平整光滑，基本无超欠挖现象。根据最小抵抗线原理[15]分析可知，在周边孔爆破后，炸药的多余能量可以沿着最小抵抗线的方向朝空孔内自由面溢出，不会对隧道轮廓线外围岩造成损伤。
对同段起爆的两相邻周边孔进行减振研究，引出“短孔卸压降振法”控制爆破振速的假想，通过数值模拟和现场试验可得出以下结论：
1)通过利用“短孔卸压降振法”对两同段起爆周边孔的爆破振动速度进行控制，并将数值模拟与现场试验的结果进行对比分析可知，模拟爆破最大振速由0.375 cm/s降低为0.334 cm/s，试验爆破最大振速由0.365 cm/s降低为0.221 cm/s，证明此减振方法有一定的参考价值。
2)因现场地质条件复杂多变，利用ANSYS-DYNA软件进行数值模拟，计算得出的振速结果与现场试验所得实测数据有一定的偏差，但数值模拟所得数据曲线仍可显示出大致趋势。
3)地铁隧道因其埋深较浅，除考虑掏槽眼带来的振动外，还应注意对地表被保护对象较近的周边孔进行控制。
4)采用“短孔卸压降振法”进行周边孔控制爆破，对保证隧道轮廓线成型平整，减少超欠挖现象具有积极意义。
5)在实际应用时，若有条件建议对装药眼进行堵塞，可进一步改善爆破效果。
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Study of Influence of Short-hole Pressure Relieving and Vibration Reduction Method on Blasting Vibration Reduction Effect of Peripheral Holes
LI Ziyuan, WANG Hailiang
(Key Laboratory of Mine Disaster Prevention and Control, Shandong University ofScience & Technology, Qingdao 266510, Shandong, China)
Abstract：In order to study the influence of short-hole pressure relieving and vibration reduction method on the blasting vibration reduction effect of peripheral holes, the tunnel cross-section model before and after setting pressure reducing short holes are calculated and analyzed by ANSYS-DYNA numerical simulation software; the blasting tests are carried out on tunnel cross-section before and after setting pressure reducing short holes; and then comparison is made on vibration velocity diagrams collected before and after setting of pressure reducing short holes. The results show that: 1) The blasting vibration velocity of peripheral holes after using short-hole pressure relieving and vibration reduction method is smaller than that before using short-hole pressure relieving and vibration reduction method. 2) The tunnel excavation contour line goes smooth and shaped; and the overbreak and underbreak times have been reduced by using short-hole pressure relieving and vibration reduction method.
Keywords：Metro tunnel; blasting of peripheral holes; short-hole pressure relieving and vibration reduction method; numerical simulation; test; vibration velocity
收稿日期：2016-07-28;
修回日期：2016-09-27
基金项目：国家自然科学基金项目(10672091)； 青岛巿建委科技项目资助(JK2013-4)
第一作者简介：李梓源(1991—)，男，河北邢台人，山东科技大学地下空间工程与安全专业在读硕士，研究方向为地下空间工程与安全、爆破安全。E-mail: shankelzy@163.com。
DOI：10.3973/j.issn.1672-741X.2017.03.009
中图分类号：U 455.41
文献标志码：A
文章编号：1672-741X(2017)03-0315-06
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