羅如登 鮑志斌 王正陽(yáng)

①中南大學(xué)土木工程學(xué)院(湖南長(zhǎng)沙，410000)

②中交二航局建筑科技有限公司(湖北武漢，430000)

引言

工程爆破廣泛應(yīng)用于山區(qū)土木工程基礎(chǔ)開挖項(xiàng)目中，為推動(dòng)我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)發(fā)揮了非常重要的作用。在鉆爆法施工過(guò)程中，爆破安全一直是工程爆破行業(yè)關(guān)注的重要問(wèn)題。采用鉆爆法開挖時(shí)，經(jīng)常會(huì)面臨對(duì)爆破點(diǎn)鄰近目標(biāo)(如既有橋梁)的保護(hù)。控制爆破地震波對(duì)鄰近橋梁結(jié)構(gòu)安全性的影響，同時(shí)又確保在建項(xiàng)目的高效爆破施工，是爆破施工單位、行政主管部門、監(jiān)理單位等多方共同面臨的技術(shù)難題[1-7]。

丁茂瑞[8]利用二維數(shù)值分析研究了新建隧道爆破開挖對(duì)鄰近既有橋梁的安全性動(dòng)力影響。黃赫烜等[9]通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，研究了隧道爆破和鉆孔灌注樁施工對(duì)鄰近高鐵橋梁的影響，并結(jié)合有限元模型分析了橋梁的安全性和可靠性。孟靈鑫等[10]基于FLAC3D用瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)方法，分析了爆破振動(dòng)對(duì)鄰近橋面及橋墩的影響。李杰[11]在水下爆破中，對(duì)鄰近橋梁振動(dòng)危害進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)分析。

近年來(lái)，隨著高精度雷管、數(shù)碼電子雷管等新型爆破器材的問(wèn)世，通過(guò)微差爆破技術(shù)可改善爆破效率、提高爆破質(zhì)量，同時(shí)可有效減少爆破地震波、沖擊波等的危害效應(yīng)[1-3，12]。

貴黃高速公路TJ13 標(biāo)段路基邊坡，爆區(qū)之間有一既有高鐵橋梁需要保護(hù)。為確保爆破安全，需結(jié)合鄰近保護(hù)目標(biāo)的振動(dòng)危害效應(yīng)監(jiān)測(cè)信號(hào)及數(shù)值模擬分析，開展微差爆破方案優(yōu)化研究。

1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

貴黃高速公路TJ13 標(biāo)段路基邊坡長(zhǎng)260 m，爆區(qū)寬20 m，開挖高度16～20 m，中硬巖，總石方量約20 000 m3。爆區(qū)I和爆區(qū)II之間的既有高鐵橋梁需被重點(diǎn)保護(hù)。其中，七號(hào)墩距爆區(qū)最近，離爆區(qū)I北面340 m，爆區(qū)II南面582 m，如圖1 所示。

試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)如下:

1) 爆區(qū)I距離既有橋梁更近。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)，采用TC-4850 爆破測(cè)振儀，在爆區(qū)I微差爆破時(shí)對(duì)鄰近高鐵橋梁的振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集。

2) 將爆區(qū)I的邊坡開挖成高1.5 m、寬1.5 m的臺(tái)階，在邊坡中部鉆3 個(gè)炮孔，孔徑100 mm、孔深3.0 m、孔距3.0 m，單耗取0.35 kg/m3，逐孔起爆，孔間微差時(shí)間初步設(shè)定為6 ms。

3) 測(cè)點(diǎn)布置在七號(hào)墩以及離爆源中心直線距離最短的第六跨梁，測(cè)點(diǎn)編號(hào)如圖2 所示。迎爆側(cè)，從七號(hào)墩底開始間隔2 m 布置1?！?＃測(cè)點(diǎn)，從第六跨梁跨中梁體開始間隔2 m 布置6?！?0＃測(cè)點(diǎn)，橋墩上1＃測(cè)點(diǎn)、梁體上7＃測(cè)點(diǎn)距爆源最近。

2 數(shù)值模型建立

2.1 計(jì)算模型

基于ANSYS/ LS-DYNA軟件，建立爆區(qū)I邊坡和鄰近既有橋梁的1∶1 數(shù)值計(jì)算模型。采用ALE算法，Solid164 單元，長(zhǎng)340 m，寬260 m，按實(shí)際尺寸建立3 個(gè)炮孔，微差起爆時(shí)間6 ms，總計(jì)算時(shí)長(zhǎng)200 ms。橋梁結(jié)構(gòu)建模時(shí)進(jìn)行簡(jiǎn)化，跨徑30 m，梁和墩模型材料分別為C55 和C50 混凝土?？傮w建模如圖3 所示。

2.2 材料模型及參數(shù)

巖石采用彈塑性動(dòng)力模型(Mat_Plastic_Kinematic)。該模型能精確地模擬巖石材料的動(dòng)力特性，其屈服條件為[13]:

式中:sij為柯西應(yīng)力張量；aij為屈服面中心點(diǎn)處的應(yīng)力偏張量；F和C為輸入常數(shù)；σy為屈服應(yīng)力；σ0和β分別為初始屈服應(yīng)力和硬化參數(shù)；為應(yīng)變率；Ef為塑性硬化模量，Ef=EtE/(E -Et)；E為彈性模量；Et為切線模量；為有效塑性應(yīng)變。

根據(jù)地質(zhì)資料，巖石力學(xué)參數(shù)如表1 所示。

表1 巖石參數(shù)Tab.1 Parameters of rock

梁和墩分別采用標(biāo)號(hào)為C55 和C50 的混凝土，混凝土材料參數(shù)見表2。

表2 混凝土參數(shù)Tab.2 Parameters of concrete

炸藥采用高能炸藥材料模型(Mat_High_Explosive_Burn)，結(jié)合JWL 狀態(tài)方程[13]，對(duì)炸藥起爆點(diǎn)、起爆時(shí)間加以控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)炸藥爆炸過(guò)程的模擬。

式中:p為爆轟壓力；V是相對(duì)體積；E是單位體積內(nèi)能；ω、A、B、R1、R2為材料常數(shù)。

具體參數(shù)如表3 所示。

表3 炸藥材料及狀態(tài)方程參數(shù)Tab.3 Parameters of explosive material and equation of state

2.3 邊界條件

在有限元模型中，需要采用有限域來(lái)模擬爆破地震波作用下炸藥爆炸產(chǎn)生的鄰近高架橋的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律。在ANSYS 建模過(guò)程中，需要在范圍有限的模型邊界上施加無(wú)反射邊界條件，消除爆破地震波傳遞到模型邊界時(shí)發(fā)生的反射、折射現(xiàn)象，確保計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。在計(jì)算模型中，除上部邊界面外，其余模型面均施加無(wú)反射邊界。

2.4 數(shù)值計(jì)算方案驗(yàn)證

基于上述試驗(yàn)和數(shù)值模擬方案，將逐孔起爆微差時(shí)間6 ms 時(shí)，實(shí)際采集到的橋墩和跨梁上各測(cè)點(diǎn)的爆破振速峰值與數(shù)值模擬計(jì)算所得各測(cè)點(diǎn)的振速峰值進(jìn)行對(duì)比，如圖4 所示?？傮w吻合情況良好，最大偏差不超過(guò)10%，驗(yàn)證了上述所采用的數(shù)值模擬方案基本科學(xué)合理。

3 數(shù)值模擬分析

采用控制變量法進(jìn)行數(shù)值模擬及對(duì)比分析。保持測(cè)點(diǎn)位置不變，研究微差時(shí)間對(duì)鄰近橋梁同一測(cè)點(diǎn)處振速響應(yīng)的影響規(guī)律；保持微差時(shí)間不變，研究測(cè)點(diǎn)所處空間位置對(duì)測(cè)點(diǎn)處振速響應(yīng)的影響規(guī)律。

在上述數(shù)值模擬方案基礎(chǔ)上，增加樣本量以提升數(shù)值模擬及數(shù)據(jù)分析的可靠性。分別增設(shè)0、5、10、15、20、25 ms 共6 組逐孔起爆微差時(shí)間，并在六號(hào)墩相對(duì)于七號(hào)墩同樣位置處增設(shè)11＃～15＃共5 個(gè)測(cè)點(diǎn)，在第六跨梁遠(yuǎn)離爆源的另半跨梁體上對(duì)稱增設(shè)16＃～20＃共5 個(gè)測(cè)點(diǎn)，共計(jì)20 個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)編號(hào)及位置如圖5 所示。分別計(jì)算得到20 個(gè)測(cè)點(diǎn)在6組微差時(shí)間下的爆破振速時(shí)程曲線。提取這120 組振速時(shí)程曲線的峰值，進(jìn)行不同微差起爆時(shí)差條件下鄰近高鐵橋梁的爆破振動(dòng)響應(yīng)分析。

3.1 微差時(shí)間對(duì)橋梁振速響應(yīng)的影響規(guī)律

將1＃測(cè)點(diǎn)分別在6組微差時(shí)間下的振速響應(yīng)峰值繪成散點(diǎn)形式，并用樣條曲線連接。對(duì)2?！?0＃測(cè)點(diǎn)進(jìn)行同樣操作，結(jié)果如圖6(a)所示；對(duì)11＃～2 0＃測(cè)點(diǎn)進(jìn)行同樣操作，結(jié)果如圖6(b)所示。10條不同顏色的曲線，分別代表10 個(gè)不同測(cè)點(diǎn)處的綜合振速峰值隨不同微差時(shí)間的變化規(guī)律。

由圖6 分析可知:

1) 1?！?0＃測(cè)點(diǎn)和11?！?0＃測(cè)點(diǎn)分布規(guī)律相近，故振速響應(yīng)隨微差時(shí)間的變化規(guī)律大致相同。

2) 綜合測(cè)點(diǎn)處振速峰值隨微差時(shí)間變化規(guī)律有兩種類型:隨微差時(shí)間的增加而快速下降，隨后微差時(shí)間繼續(xù)增加時(shí)趨于平緩，成波浪狀微微起伏，此規(guī)律對(duì)應(yīng)的是1＃、3＃、4＃、6＃、10＃測(cè)點(diǎn)和11＃、13＃、14＃、16＃、20＃測(cè)點(diǎn)，其中，1＃、3＃、4＃、11＃、13＃、14＃測(cè)點(diǎn)分布在橋墩上，6＃、10＃、16＃、20＃測(cè)點(diǎn)分布在跨梁上；沒有隨微差時(shí)間增加而快速下降的階段，在微差時(shí)間增加的全程均緩慢上升或下降，成波浪狀微微起伏，對(duì)應(yīng)的是2＃、5＃、7＃、8＃、9＃測(cè)點(diǎn)和12＃、15＃、17＃、18＃、19＃測(cè)點(diǎn)，其中，2＃、5＃、12＃、15＃測(cè)點(diǎn)分布在橋墩上，7＃、8＃、9＃、17＃、18＃、19＃測(cè)點(diǎn)分布在跨梁上。

進(jìn)一步分析可知:

1) 微差時(shí)間對(duì)鄰近橋梁的振速響應(yīng)有顯著影響，但只集中在一個(gè)區(qū)間范圍內(nèi)，超出此區(qū)間，則微差時(shí)間對(duì)振速響應(yīng)影響不顯著。炮孔之間微差時(shí)間若過(guò)小，則接近于同時(shí)起爆；若過(guò)大，則接近于逐孔起爆。數(shù)值模擬結(jié)果及試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)分析表明，炮孔微差時(shí)間很小或很大情況下，改變微差時(shí)間來(lái)控制爆破振動(dòng)響應(yīng)的效果均不明顯。本工程背景下對(duì)鄰近橋梁振速響應(yīng)有顯著影響的微差時(shí)間取值范圍是0～5 ms，而5～10 ms 則是一個(gè)下降到上升的過(guò)渡階段，這里存在一個(gè)極小值。

2) 針對(duì)不同位置處的測(cè)點(diǎn)，對(duì)其振速峰值有顯著影響的微差時(shí)間區(qū)間范圍不同。

3)隨著微差時(shí)間的增加，結(jié)構(gòu)振速響應(yīng)的變化并非成單調(diào)遞增或遞減趨勢(shì)，而是反復(fù)增減，故總存在一個(gè)振速響應(yīng)的極小值。

3.2 空間位置對(duì)橋梁振速響應(yīng)的影響規(guī)律

以微差時(shí)間為控制變量，研究測(cè)點(diǎn)所處空間位置對(duì)測(cè)點(diǎn)處振速響應(yīng)的影響規(guī)律。列出在6 組微差時(shí)間下鄰近橋梁七號(hào)墩上1?！?＃測(cè)點(diǎn)振速響應(yīng)的空間分布規(guī)律，如圖7(a)所示；六號(hào)墩上11?！?5＃測(cè)點(diǎn)振速響應(yīng)的空間分布規(guī)律如圖7(b)所示。第六跨梁上6?！?0＃測(cè)點(diǎn)振速響應(yīng)的空間分布規(guī)律如圖8(a)所示；16?！?0＃測(cè)點(diǎn)振速響應(yīng)的空間分布規(guī)律如圖8(b)所示。7 種不同顏色的曲線中，前6 條分別代表在6 組不同的微差時(shí)間下各測(cè)點(diǎn)的振速分布規(guī)律，第7 條曲線代表地表振速峰值隨爆心距呈指數(shù)衰減的規(guī)律曲線[14]:

式中:v為爆破振動(dòng)質(zhì)點(diǎn)最大振速，cm/s；Q為炸藥量，kg，齊爆時(shí)取總藥量，延時(shí)起爆時(shí)取單段最大藥量；R為爆源的距離，m；d為比例距離；K和α分別為爆源至測(cè)點(diǎn)間地形、地質(zhì)條件的相關(guān)系數(shù)和衰減指數(shù)。

由數(shù)據(jù)分析可知:

1) 從第7 條曲線分析可知，1＃～5＃測(cè)點(diǎn)的振速響應(yīng)隨微差時(shí)間的變化規(guī)律大致和11?！?5＃測(cè)點(diǎn)的振速響應(yīng)隨微差時(shí)間的變化規(guī)律相同；6?！?0＃測(cè)點(diǎn)的振速響應(yīng)隨微差時(shí)間的變化規(guī)律大致和16?！?0＃測(cè)點(diǎn)的振速響應(yīng)隨微差時(shí)間的變化規(guī)律相同；再次印證了所采用數(shù)值模擬方案的正確性。

2) 跨梁上測(cè)點(diǎn)振速起初隨測(cè)點(diǎn)離爆源的距離增加而減小，但最遠(yuǎn)的靠近橋墩頂處的跨梁上測(cè)點(diǎn)的振速反而增大，存在一定程度的高程放大效應(yīng)。

由此可知，鄰近高鐵橋梁受爆破作用后的振速響應(yīng)不僅和爆破作用大小有關(guān)，也和結(jié)構(gòu)所受約束條件有關(guān)，在橋墩底部和主梁靠近墩頂處這些端部固結(jié)位置，會(huì)出現(xiàn)離爆源較遠(yuǎn)的地方振速響應(yīng)反而增大的情況，在爆破安全校核過(guò)程中應(yīng)予以重視，確保爆破安全。

4 結(jié)論

1) 微差時(shí)間對(duì)路基邊坡爆破時(shí)鄰近橋梁的振速響應(yīng)有明顯影響，規(guī)律體現(xiàn)為非線性、非單調(diào)性。微差時(shí)間對(duì)鄰近橋梁的作用效應(yīng)不能線性疊加，在有限區(qū)間內(nèi)存在一個(gè)最佳的微差時(shí)間，使鄰近橋梁的爆破振動(dòng)響應(yīng)最小，并可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)及數(shù)值模擬方法進(jìn)行確定。

2) 對(duì)于橋梁的墩柱部分，爆破振速響應(yīng)與爆源的距離成反比。但橋梁結(jié)構(gòu)的梁體部分，在靠近墩柱處的振速則并非隨離爆源距離的增加而遞減，爆破安全校核環(huán)節(jié)應(yīng)引起重視。