邱章杰，王海亮，張 勇，趙 琛

(1.山東科技大學(xué)安全與環(huán)境工程學(xué)院,山東 青島 266590; 2.青島市政空間開(kāi)發(fā)集團(tuán)有限責(zé)任公司城軌分公司,山東 青島 266000)

0 引言

鉆爆法因具備地下交通隧道建設(shè)所需的多重優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用,但爆破后產(chǎn)生的地震波會(huì)引起地面質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng),從而對(duì)地表建筑物構(gòu)成威脅,導(dǎo)致地表建筑物發(fā)生坍塌、產(chǎn)生裂隙、大幅振動(dòng)等危害[1],對(duì)周?chē)用竦陌踩斐珊艽蟮挠绊憽?/p>

朱澤兵等[2]、喻軍等[3]認(rèn)為,樓層振速峰值隨樓層的增高呈遞減趨勢(shì);齊景岳[4]、陳士海等[5]、鄭強(qiáng)等[6]及李洋等[7]認(rèn)為,隨著樓層高度的增加呈現(xiàn)低樓層振速遞減、高樓層振速遞增的趨勢(shì),但在頂層均呈現(xiàn)放大效應(yīng)。還有一些學(xué)者通過(guò)灰色系統(tǒng)理論和方法對(duì)影響爆破振動(dòng)的因素進(jìn)行定性和定量分析[8-9],發(fā)現(xiàn)當(dāng)最大單段起爆藥量和爆心距對(duì)爆破振動(dòng)強(qiáng)度的相關(guān)系數(shù)分別為1.661 8～2.249,1.704 2～2.363 6時(shí),最大起爆藥量和爆心距是爆破振動(dòng)中最重要的影響因素。眾多學(xué)者研究工作在一定程度上推動(dòng)了建筑物振動(dòng)響應(yīng)規(guī)律的理論研究的研究進(jìn)程,但側(cè)重于單一工況條件的研究,僅得到一種振動(dòng)響應(yīng)規(guī)律的結(jié)論,忽視了不同工況條件對(duì)振動(dòng)響應(yīng)規(guī)律的影響。因此本文找到一個(gè)物理量即藥距比系數(shù)[10],見(jiàn)式(1)。

(1)

其中,β為藥距比系數(shù),kg1/3/m;Q為最大單段起爆藥量,kg;R為爆心距,指隧道開(kāi)挖斷面的形心與樓房觀測(cè)點(diǎn)的直線距離,m。

藥距比系數(shù)與最大單段起爆藥量、爆心距之間呈現(xiàn)良好的相關(guān)性,準(zhǔn)確反映了二者間的比例關(guān)系,能夠全面描述爆破振動(dòng)的變化規(guī)律并有效表示爆破振動(dòng)的強(qiáng)度[11]。本文將采用數(shù)值模擬手段,考慮最大起爆藥量與爆心距的影響,來(lái)研究建筑物振動(dòng)響應(yīng)規(guī)律,并為隧道爆破振動(dòng)控制和建筑物保護(hù)的振動(dòng)監(jiān)測(cè)方案提供參考依據(jù)。

1 數(shù)值模擬

1.1 模型建立及算法

采用有限元分析軟件ANSYS/LS-DYNA建立三維實(shí)體模型,以云南路主隧側(cè)穿團(tuán)島二路15號(hào)樓7層砌體結(jié)構(gòu)為工程背景,此樓建于1986年,樓房主體共有7層,層高2.8 m。為更精確模擬炸藥爆炸對(duì)周?chē)橘|(zhì)作用的過(guò)程,選擇ALE算法,通過(guò)*ALE_MULTI-MATERIAL_GROUP關(guān)鍵字來(lái)實(shí)現(xiàn)[12]。將空氣和炸藥流體耦合到巖體固體中,這樣既不會(huì)引起計(jì)算過(guò)程中網(wǎng)格畸變的問(wèn)題,同時(shí)可實(shí)現(xiàn)炸藥、空氣、巖體之間耦合的動(dòng)態(tài)分析[13]。建模示意圖如圖1所示。

1.2 材料參數(shù)選取

巖體及砌體結(jié)構(gòu)均采用Solid164三維實(shí)體單元,該單元具有精度高、計(jì)算速度快的特性[14]。選擇*MAT_PLASTIC_KINEMATIC塑性隨動(dòng)材料模型,該材料模型由于計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性而被廣泛應(yīng)用于爆破沖擊載荷作用下的數(shù)值模擬[15],15號(hào)樓模型材料參數(shù)如表1所示。

1.3 合振速峰值等值線云圖分析

巖體介質(zhì)中的炸藥爆炸時(shí),爆破地震波由巖體向砌體結(jié)構(gòu)內(nèi)傳播,并將砌體結(jié)構(gòu)的地面基礎(chǔ)定義為0層,樓層編號(hào)隨樓層增加依次遞加,樓頂定義為7層。以爆破地震波剛傳遞到0層、1層、2層、3層、4層、5層、6層、7層為時(shí)間節(jié)點(diǎn),觀察分析磚混砌體結(jié)構(gòu)合振速峰值Vn的傳播規(guī)律(見(jiàn)圖2)。

表1 本構(gòu)模型材料參數(shù)

由圖2可知,爆破地震波由爆源開(kāi)始經(jīng)巖體傳播至各樓層,直至彌漫砌體結(jié)構(gòu)整個(gè)區(qū)域。爆破地震波在砌體結(jié)構(gòu)各樓層內(nèi)傳播過(guò)程中,遵循由近爆源區(qū)域向遠(yuǎn)爆源區(qū)域傳遞的規(guī)律,且同一時(shí)刻近爆源合振速峰值集中區(qū)域明顯大于遠(yuǎn)爆源合振速峰值集中區(qū)域。

2 計(jì)算結(jié)果討論

2.1 爆破振速分析

為確保計(jì)算結(jié)果的充分性并消除地質(zhì)條件等因素引起的誤差,建立了四種不同裝藥量級(jí)的數(shù)值模型,其中最大單段裝藥量分別為0.05 kg,1 kg,100 kg和1 000 kg。各模型的最大單段起爆藥量Q、爆心距R、藥距比系數(shù)β關(guān)系如表2所示。選取各樓層構(gòu)造柱處的近爆源一側(cè)為監(jiān)測(cè)點(diǎn),分別提取各監(jiān)測(cè)點(diǎn)合振速如圖3所示。

表2 不同量級(jí)起爆藥量下的模型參數(shù)

由圖3可知:

1)當(dāng)β=1.19 kg1/3/m(當(dāng)Q=0.05 kg)時(shí),合振速峰值的最大值出現(xiàn)在砌體結(jié)構(gòu)的0層,0層的振動(dòng)響應(yīng)最為強(qiáng)烈;0層—1層振速急劇衰減,衰減率高達(dá)76.59%;1層—3層振速呈現(xiàn)振蕩衰減趨勢(shì);3層—7層振速趨于穩(wěn)定無(wú)明顯變化。合振速峰值的最小值出現(xiàn)在7層(頂層),振動(dòng)響應(yīng)最微弱。合振速峰值隨樓層的升高整體呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì),頂層合振速峰值小于6層的合振速峰值的同時(shí),小于0層的合振速峰值,因此在頂層出現(xiàn)絕對(duì)降低現(xiàn)象,衰減率為99.87%。

2)當(dāng)β=3.23 kg1/3/m(Q=1 kg)時(shí),振速峰值的最大值出現(xiàn)在砌體結(jié)構(gòu)的0層為2.633 cm/s。0層—1層振速快速衰減衰減率高達(dá)73.41%;1層—4層合振速峰值平穩(wěn)降低;4層—7層振速趨于穩(wěn)定無(wú)明顯變化。在6層出現(xiàn)合振速峰值的最小值,表明6層的振動(dòng)響應(yīng)最微弱。合振速峰值隨樓層的升高整體呈現(xiàn)降低的趨勢(shì),但在頂層出現(xiàn)相對(duì)放大現(xiàn)象,相對(duì)放大系數(shù)為0.08。

3)當(dāng)β=14.97 kg1/3/m(Q=100 kg)時(shí),合振速峰值的最大值出現(xiàn)在砌體結(jié)構(gòu)的0層為43.755 cm/s。0層—1層振速快速衰減,衰減率高達(dá)60.26%;1層—3層振速衰減趨勢(shì)較為緩慢,衰減率為48.97%;3層—7層振速趨于穩(wěn)定無(wú)明顯變化。合振速最小值出在6層處,振動(dòng)響應(yīng)最為微弱。合振速峰值隨樓層的升高整體呈現(xiàn)降低的趨勢(shì),但在頂層出現(xiàn)相對(duì)放大現(xiàn)象,相對(duì)放大系數(shù)為0.14。

4)當(dāng)β=32.26 kg1/3/m(Q=1 000 kg)時(shí),合振速峰值的最大值出現(xiàn)在砌體結(jié)構(gòu)的0層為237.520 cm/s。0層—1層振速快速衰減,衰減率高達(dá)72.62%;1層—4層振速衰減趨勢(shì)較為緩慢;4層—7層振速趨于穩(wěn)定無(wú)明顯變化,合振速峰值較小且基本維持在16 cm/s左右。在頂層出現(xiàn)相對(duì)放大現(xiàn)象,相對(duì)放大系數(shù)為0.08。

2.2 爆破有害效應(yīng)控制措施

1)結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)重點(diǎn)設(shè)置:根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況,應(yīng)將結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)放在振速峰值較大的樓層,特別是建筑物底層,以及可能出現(xiàn)相對(duì)放大現(xiàn)象的頂層。

2)優(yōu)化藥量和藥距比:具體地質(zhì)條件和建筑物特性通過(guò)詳細(xì)的爆破設(shè)計(jì)和模擬分析,精確確定每次爆破所需的藥量和藥距比。制定定制化的爆破方案,最大程度地爆破振動(dòng)減少對(duì)結(jié)構(gòu)的沖擊。

3)選擇合適的起爆方式:在選擇起爆方式時(shí),考慮采用分段起爆、延時(shí)起爆等技術(shù),以控制爆破能量的釋放時(shí)間和路徑。通過(guò)合理的爆破序列,將振動(dòng)能量分散和減弱,降低振動(dòng)的傳播強(qiáng)度。

4)合理的爆破時(shí)間與頻率:制定明確的爆破時(shí)間表,并在規(guī)定時(shí)段內(nèi)進(jìn)行爆破,避免在敏感時(shí)段(如夜間或休息日)進(jìn)行。此外,控制爆破頻率,避免過(guò)于密集的爆破活動(dòng),以減少持續(xù)性振動(dòng)對(duì)周邊環(huán)境的干擾。

5)周邊建筑物保護(hù):針對(duì)周邊建筑物,進(jìn)行詳細(xì)的結(jié)構(gòu)評(píng)估,確定是否需要臨時(shí)性或永久性的保護(hù)措施。對(duì)于高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域,可以加固墻體、窗戶等,或采用振動(dòng)吸收材料,以防止振動(dòng)損害和破壞。

6)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì):在新建結(jié)構(gòu)或改造項(xiàng)目中,可以根據(jù)不同荷載條件和振動(dòng)特性,優(yōu)化設(shè)計(jì)樓層的布局和結(jié)構(gòu)參數(shù),以降低振動(dòng)響應(yīng)并提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

1)爆破地震波在砌體結(jié)構(gòu)各樓層內(nèi)傳播過(guò)程中,遵循由近爆源區(qū)域向遠(yuǎn)爆源區(qū)域傳遞的規(guī)律,且同一時(shí)刻近爆源合振速峰值集中區(qū)域明顯大于遠(yuǎn)爆源合振速峰值集中區(qū)域。因此,在進(jìn)行建筑安全防護(hù)和爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)時(shí),應(yīng)將重點(diǎn)放在近爆源區(qū)域的墻砌體和構(gòu)造柱等位置。2)在不同藥距比系數(shù)條件下,建筑物在頂層呈現(xiàn)絕對(duì)降低和相對(duì)放大兩種現(xiàn)象。當(dāng)藥距比系數(shù)為1.19時(shí),合振速峰值在頂層呈現(xiàn)絕對(duì)降低現(xiàn)象;藥距比系數(shù)為3.23,14.97,32.26時(shí),合振速峰值在頂層呈現(xiàn)相對(duì)放大現(xiàn)象。