楊 東,符 龍,方 超

(云南省滇中引水工程有限公司,昆明 650000)

0 引 言

傳統(tǒng)礦山法施工因其技術(shù)成熟,在水工隧洞工程的施工中得到廣泛采用。根據(jù)勘察設(shè)計和計劃發(fā)揮的作用,水工隧洞通常采用雙洞設(shè)計,在確定好施工位置后,一般采用一前一后的施工方式;后續(xù)施工的隧洞,采用礦山法進行鉆爆施工過程中,由于爆破振動,在不同程度上對已施工隧洞產(chǎn)生影響。因此,對施工參數(shù)效果評估和影響研究具有重要意義。

為此,許多學(xué)者進行了相關(guān)研究。林大超等[1-2]基于對爆炸波在空氣中傳播的方式以及對空氣產(chǎn)生的壓縮波,改進了爆炸時爆炸波在傳播的超壓函數(shù),提出了新的超壓函數(shù)修正計算公式。楊軍等[3-4]采用高速攝影手段,對爆破過程中巖土中的裂紋分布進行了試驗研究,結(jié)果表明,采用柱狀裝藥爆破,在爆破時,巖體中的裂紋將隨時間而不斷延展,呈現(xiàn)出規(guī)律性變化特征。盧文波等[5-6]對爆破后布置炮孔位置處徑向裂紋尖端的應(yīng)力集中效應(yīng)進行了定量評估和計算,對爆破裂紋的擴展階段進行了劃分,結(jié)果表明,爆破后徑向裂紋擴展主要分為兩個階段,即穩(wěn)定階段和間斷擴展階段。

上述文獻(xiàn)主要針對在爆破時,孔徑大小和孔內(nèi)應(yīng)力集中現(xiàn)象和裂紋擴展情況進行了研究,并得出相應(yīng)規(guī)律,而較少采用數(shù)值模擬軟件,研究雙洞隧道施工中爆破對另一隧洞的影響。因此,本文利用ANSYS/LS-DYNA軟件,構(gòu)建模型,通過設(shè)計不同的裝藥量,研究爆破振動對已建水工隧洞的安全性影響。

1 幾何模型

本文以雙洞設(shè)計形式的水工隧洞礦山法施工為研究背景,隧洞的幾何外部邊界尺寸為43.1m×6m×20.5m,隧道拱頂距離上邊界為5m,隧道拱底距離下邊界為5m,左側(cè)待建水工隧道的左邊界距離模型左邊界為5m,右側(cè)已建水工隧道的右邊界距離模型的右邊界為5m。雙洞均設(shè)計為拱門形狀,左右兩側(cè)隧道尺寸一致,洞寬8m,高9.9m,襯砌厚度0.3m,左右兩側(cè)隧道間隔15.9m進行施工,左側(cè)待建隧道掘進1m。整體隧洞幾何尺寸見圖1;巖體的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖體的物理力學(xué)參數(shù)

圖1 幾何模型尺寸

2 數(shù)值模型建立

采用非線性動力學(xué)分析軟件ANSYSLS-DYNA求解器,進行求解分析。首先,在具有良好銜接功能的proe軟件中,根據(jù)圖1幾何模型,建立用于計算雙洞設(shè)計的水工隧洞幾何模型。然后,將建好的幾何模型通過導(dǎo)入的方法在hypermesh14.0中打開,在hypermesh14.0軟件中對已經(jīng)建好的幾何模型進行網(wǎng)格劃分,模型見圖2。最后,將模型導(dǎo)出成K形式的文件格式,以便與ANSYSLS-DYNA求解器軟件能夠良好兼容,再采用該軟件對模型進行求解,利用軟件中內(nèi)嵌的LSPREPOST模塊進行結(jié)果輸出和處理[7]。

圖2 分析模型圖

3 計算結(jié)果分析

3.1 0.5ms應(yīng)力

為了研究在設(shè)計單孔裝藥量2.8kg下爆破后的應(yīng)力傳播過程,分別對不同峰值時刻的應(yīng)力云圖進行繪制并導(dǎo)出,得到爆破后0.5ms時刻的應(yīng)力云圖,見圖3。

圖3 0.5ms應(yīng)力云圖

由圖3可知,在單孔裝藥爆破后,圓柱形炸藥以近似圓柱狀向四周擴散,由圖3中紅色區(qū)域可知,此時的大應(yīng)力影響范圍較小,僅限于圓柱形炸藥孔周圍區(qū)域,這種顯著的瞬時應(yīng)力集中效應(yīng),會造成振動波沿圍巖體的快速傳播和波速的急劇上升,后續(xù)振動波速隨著時間的變化曲線可以得到印證。由應(yīng)力云圖的整體輪廓大小可知,此時的爆炸整體影響范圍也局限于爆炸孔周圍部分,爆炸產(chǎn)生的能量在爆破孔周圍區(qū)域迅速產(chǎn)生應(yīng)力集中效應(yīng),在0～0.5ms時間段內(nèi)圍巖的應(yīng)力來不及消散,處于能量積聚、應(yīng)力累積階段。

3.2 8.5ms應(yīng)力

為了研究在設(shè)計單孔裝藥量2.8kg下爆破后的應(yīng)力傳播過程,分別對不同峰值時刻的應(yīng)力云圖進行繪制并導(dǎo)出,得到爆破后8.5ms時刻的應(yīng)力云圖,見圖4。

圖4 8.5ms應(yīng)力云圖

由圖4可知,在單孔裝藥爆破后,圓柱形炸藥在0～0.5ms時間段內(nèi)以近似圓柱狀向四周擴散,在0.5～8.5ms時間段內(nèi)以近似圓形向四周擴散。由圖4中紅色區(qū)域可知,此時的大應(yīng)力影響范圍較0.5ms時刻增大,這一階段屬于應(yīng)力急劇消散階段,此刻傳播出的振動波沿圍巖體向周圍的傳播速度有所下降,最大波速急劇減小,同樣可以從后續(xù)振動波速隨著時間的變化曲線得到印證。由應(yīng)力云圖的整體輪廓大小可知,此時的爆炸整體影響范圍顯著增大,爆炸產(chǎn)生的能量在爆破孔周圍區(qū)域迅速消散,處于能量消散、應(yīng)力衰減階段。

3.3 59.5ms應(yīng)力

為了研究在設(shè)計單孔裝藥量2.8kg下爆破后的應(yīng)力傳播過程,分別對不同峰值時刻的應(yīng)力云圖進行繪制并導(dǎo)出,得到爆破后59.5ms時刻的應(yīng)力云圖,見圖5。

圖5 59.5ms應(yīng)力云圖

由圖5可知,在8.5～59.5ms時間段內(nèi)應(yīng)力消散范圍不再顯著增大,基本以8.5ms時的外部輪廓為準(zhǔn)。由圖5中紅色區(qū)域可知,此時的大應(yīng)力影響范圍與8.5ms時刻相當(dāng),在經(jīng)過0.5～8.5ms的應(yīng)力急劇消散階段后,這一階段應(yīng)力消散已十分有限,屬于應(yīng)力殘余消散階段,此刻傳播出的振動波沿圍巖體向周圍的傳播速度顯著減小,最大波速將遠(yuǎn)小于8.5ms時刻,同樣可以從后續(xù)振動波速隨著時間的變化曲線得到印證。

3.4 振動速度時程變化

為了研究在設(shè)計單孔裝藥量2.8kg下爆破后的應(yīng)力傳播過程,繪制爆破后圖2中A、B、C、D、E監(jiān)測點的振動速度隨著時間的變化曲線圖,見圖6。

圖6 振動速度時程曲線圖

圖6為5個監(jiān)測點的最大振動速度隨著時間的變化曲線圖。由圖6可知,距離爆孔不同距離的監(jiān)測點最大振動速度均表現(xiàn)為隨著時間呈指數(shù)形式弱化的趨勢,波長和振幅隨時間均顯著減小。在0.5ms時刻, 5個監(jiān)測點的振動速度均為最大;在8.5ms時,各監(jiān)測點的速度峰值明顯減小,顯著小于0.5ms的初值最大振動速度;當(dāng)達(dá)到40ms時,振動速度基本可以忽略。由此可知,在初始時刻時,爆炸產(chǎn)生的應(yīng)力波急劇擴散,迅速衰減。

3.5 各監(jiān)測點最大振動速度

為了研究在設(shè)計單孔裝藥量2.8kg下爆破后的應(yīng)力傳播過程,提取A、B、C、D、E監(jiān)測點的振動速度峰值,并將各監(jiān)測點處監(jiān)測到的最大振動速度峰值進行統(tǒng)計,見表2。

表2 各監(jiān)測點的最大振動速度值

由表2可知,隨著距離爆孔越遠(yuǎn),最大振動速度越小,當(dāng)距離相差6m時,最大振動速度差值為3.35m/s,其差值大于E點的最大振動速度3.31m/s?？梢?距離爆心的長度大小對最大振動速度具有顯著影響,設(shè)計時應(yīng)考慮設(shè)計合理的隧洞間距離,使經(jīng)濟效益和安全影響的綜合影響達(dá)到最優(yōu)化。由表2還可以看出,盡管各監(jiān)測點距離爆炸中心的距離間隔均為1.5m,但振動速度的差值并不均勻。因此,在不同距離上,最大振動速度的衰減速率各異,這也為雙洞隧洞間距的選擇提供了有效參考。

3.6 峰值速度變化曲線

為了研究在設(shè)計單孔裝藥量2.8kg下爆破后的應(yīng)力傳播過程,根據(jù)表2數(shù)據(jù)繪制最大振動速度隨爆心距的變化曲線圖,見圖7。

圖7 峰值速度隨爆心距的變化曲線圖

圖7為5個不同爆心距監(jiān)測點的最大振動速度隨著距離爆炸中心的長度變化曲線。由圖7可知,最大振動速度總體隨著爆心距的增大而不斷減小,當(dāng)9.6m爆心距增大至11.1m爆心距時,最大振動速度由6.46cm/s減小至5.01cm/s,共計減小1.45cm/s,減小速率為0.97cm/s/m;當(dāng)爆心距由11.1m增大至12.6m時,速度僅減小0.11cm/s,減小速率為0.07cm/s/m,遠(yuǎn)小于第一次增大爆心距時的速率。因此,再次得出在不同距離上最大振動速度的衰減速率各異的結(jié)論,為雙洞設(shè)計的水工隧洞最優(yōu)化間距設(shè)計和選擇提供了定量依據(jù)。

4 結(jié) 論

本文以采用雙洞設(shè)計形式的水工隧洞礦山法施工為研究背景,進行了數(shù)值模擬,結(jié)論如下:

1)爆炸能在圍巖體內(nèi)的傳播經(jīng)歷了0～0.5ms的能量積聚、應(yīng)力急劇累積階段,0.5～8.5ms的能量迅速傳播釋放、應(yīng)力快速衰減階段,以及8.5～59.5ms的殘余能量緩慢釋放、應(yīng)力殘余消散階段。

2)爆孔距監(jiān)測點的最大振動速度均表現(xiàn)為隨時間呈指數(shù)形式弱化的趨勢,0.5ms時刻振動速度最大,8.5ms時速度峰值明顯減小,達(dá)到59.5ms時振動速度幾乎為零,表明初始時段爆炸產(chǎn)生的應(yīng)力波急劇擴散。

3)最大振動速度總體上隨著爆心距的增大而減小,減小速率在某一爆心距區(qū)間內(nèi)存在極值。本文模型中區(qū)間為9.6～11.1m,可為雙洞設(shè)計的水工隧洞最優(yōu)化間距設(shè)計提供定量依據(jù)。