矿山法施工过程中爆破振动对铁塔产生的影响分析

矿山法施工过程中爆破振动对铁塔产生的影响分析

方霖

1. 四川省交通勘察设计研究院有限公司，四川 成都 610041

摘要: 随着我国隧道建设的飞速发展，在矿山法隧道施工过程中，不可避免的会遇到近接既有构筑物的情况，本文采用数值模拟的方法，依托国内某矿山法隧道，对矿山法施工过程中产生的爆破振动对既有铁塔的影响进行评价分析，通过分析得出本项目爆破对高压铁塔的影响控制在安全范围之内，同时基于计算结果提出对铁塔基础设置加固框架梁，提高铁塔基础的整体性，能够降低沉降带来的不利影响。研究结果以期对国内同类工程提供借鉴。

关键词: 矿山法隧道；施工效应；爆破；近接影响；

摘要

隧道在开挖时，将不可避免的引起地层的扰动，地层的扰动将会造成隧道周围围岩的应力场发生改变，进而导致地表沉降的发生[1] [2]。地表沉降又会以一定的形式作用到地表构筑物的基础上，由基础再传递给上部建筑结构，从而引起上部结构发生变形、扭曲、倾斜甚至倒塌，或者引起上部结构的内力发生改变，内力的改变可能造成结构的局部破坏或者整体破坏。如何保证隧道施工期间近接结构物的安全稳定性，是施工的难点[3] [4]。本工点隧道线路所在地左上侧和右下侧各有高压铁塔1座，且与隧道距离较小，同时隧道埋深较小，由现场所提供地形平面图可以看出：线路前进方向右侧洞口处铁塔距隧道约30m，而线路前进方向左侧铁塔距隧道垂直距离仅约35m。由此可知，该项目属于近接施工，且既有构筑物与待建隧道距离极近，同时本隧道采用矿山法施工，施工工程中的爆破冲击荷载对既有铁塔的影响不可忽视，主要表现为引起高压铁塔基础的不均匀沉降问题，并导致铁塔的倾斜，使铁塔的正常使用甚至结构受到影响。因此有必要开展相应的数值计算分析对铁塔沉降进行预测，在正常施工的前提下保证既有铁塔的安全稳定。

1. 计算模型建立

考虑到矿山法施工过程中产生的爆破振动容易对建（构）筑物产生不良的影响，因此建立模型对该问题进行模拟分析与计算，该模型采用Ansys有限元分析软件进行分析计算。本次计算采用FLAC3D有限差分软件建立三维精细化模型进行模拟，模型具体尺寸根据地行平面图进行选取。计算时，取隧道纵向方向为Y轴，水平面内垂直隧道轴线方向为X轴，竖直向上为Z轴。计算模型水平方向（x向）长度为220m，纵向（y向）长度为100m，竖向（z向）为100m，隧道断面按照设计图纸连拱隧道标准横断面进行计算，铁塔尺寸按照设计通用图纸选取。隧道围岩采用六面体单元，选择摩尔库伦模型进行模拟，初期支护采用壳体单元进行模拟；二次衬砌采用弹性模型进行模拟，考虑为实体；铁塔采用杆单元进行模拟，计算中对铁塔仅考虑其自重。最终模型建立如下图所示。

爆破计算三维模型

根据本次计算分析的重点，为了监测高压铁塔的基础沉降以进行分析，分别对高压铁塔4个塔基分别建立监测点，对整个开挖过程的塔基沉降值进行监测。监测点布置如图所示

塔基沉降监测点布置示意图

2. 爆破冲击荷载确定

数值仿真分析时爆破的模拟是采用在新建隧洞上施加爆破冲击荷载来实现的，其大小及位置由爆破设计资料中掏槽孔等位置综合考虑而得。

本文在对爆破峰值荷载进行确定时选取以较为常见且适宜的爆破荷载峰值计算方法，如下所示：

确定炸药爆轰压力

耦合装药条件下如式（3-3-1）所示：

（3-3-1）

不耦合装药条件下如式（3-3-2）所示：

（3-3-2）

式中：ρ₀—炸药密度，kg/ ；

D₀—炸药爆速，m/s；

d_b—药卷直径，m；

d_c—炮眼直径，m。

确定初始波峰压力

单个炮孔作用在炮孔壁上的初始波峰压力根据式（3-3-3）计算

（3-3-3）

式中，P_r一岩体中冲击波的初始波峰压力，Pa；

ρ_r—岩石的密度，kg/m3；

C_er一岩体中纵波波速，m/s。

上式表明：同种炸药在不同岩石中爆炸，作用在炮眼壁上的峰值压力是不同的。岩石的波阻抗（ρ.Cer）越大，作用在炮眼壁上的峰值压力Pr越大，即围岩级别不同，炮孔壁受到的压力不同。围岩越硬（围岩等级小），压力越大，反之则小。但炮孔药壁上受到的压力并不等于隧道洞壁受到的压力，在这两者之间涉及到波的传递过程，即波的衰减规律，如图。

爆炸应力波演变过程

上图显示，炸药产生爆炸后，装药室附近岩石中形成冲击波，随着冲击波的向外传播应力幅值不断衰减，波速不断降低，最后演变成应力波；应力波进一步传播、衰减，演变成地震波。

波的传递衰减过程

炮孔壁上峰值压力等效到震动圈上的等效压力如式（3-3-4）所示：

（3-3-4）

式中：

r1—冲击波作用半径，m；

r₂—裂隙区半径，m；

α₁、α₂—冲击波和应力波衰减指数；

r₀—装药半径，m；

其中：

α1≈3或=2+μ/（1+μ）；

（3-3-5）

根据上述“①、②、③”计算过程可以近似得出作用在某个假定边界上（弹性圈、炮孔壁、轮廓线等）的等效压力，即数值模拟计算中所需的爆破荷载峰值。

3. 爆破冲击自振特性及阻尼

（1）自振特性

在进行爆破振动稳定性分析时，必须考虑爆破振动频率、围岩的动力特性及爆破地震波的传播与分布规律。通过计算自振特性，可以了解爆破振动对铁塔动力响应的放大程度，掌握爆破振动频率对边坡稳定性的影响规律。

（2）阻尼的确定

选取合适的阻尼系数是得到正确计算结果的必要前提。

动荷载模拟常用阻尼有两种：瑞利阻尼、局部阻尼。

局部阻尼系数不用求解系统的自振频率，而且相对于瑞利阻尼而言不会减小时间步，从这个意义上来说具有较大的优势。但局部阻尼只适合于简单问题的求解，实践证明设置局部阻尼不能有效地衰减复杂波形的高频部分，计算结果会产生一些高频“噪声”，如下图所示。

1. 瑞利、局部阻尼计算结果

如上图所示，同一模型采用瑞利阻尼与局部阻尼进行计算，两种阻尼形式具有相同的计算结果，但瑞利阻尼较好的保持了波形，而局部阻尼则不能。另外，从时间步上看，局部阻尼的时间步略大于瑞利阻尼。两种阻尼对比如表3-3-1。

1. 瑞利阻尼与局部阻尼对比

考虑计算结果的准确性，本次计算采用瑞利阻尼，根据经验选取岩土体的阻尼比参数0.5%。

4. 准建筑物结构安全施工爆破震动控制标准

在隧道爆破时, 炸药的一部分能量会转换为地震波, 从爆源以波的形式向外传播, 经过介质达到地表, 引起地表震动, 震动强度随着爆心距的增加而减弱。在爆区的一定范围内, 当震动达到一定的强度时, 则会引起地表建筑物发生不同程度的破坏[5]。在工程实践中，考虑到质点震动速度最能直接反映物体的动力响应，因此，国内外均普遍采用质点峰值震动速度作为评价目标物体的爆破震动安全判据,因此本文计算结果在《爆破安全规程》(GB6722－2011)基础上进行分析。

5. 计算结果分析

限于篇幅有限，本处仅对左、右铁塔各自最不利的一个监测点计算结果进行分析，监测的独立基础分别为Z1、Y1，在施加爆破后产生的振速云图如下图所示：

加载爆破荷载后的加速度云图

左侧铁塔监测点在爆破过程中产生的最大水平振速Vx为 0.54cm/s，最大竖向振速为Vy为1.07cm/s。右侧铁塔监测点在爆破过程中产生的最大水平振速Vx为 0.66cm/s，最大竖向振速Vy为1.33cm/s。在《爆破安全规程》(GB6722－2011) 规定的3.5 cm/s范围之内，即隧道爆破振动对高压铁塔的影响被控制在安全范围之内。

6. 结论

通过以上分析，本文得到以下结论：

1、左侧铁塔监测点在爆破过程中产生的最大水平振速Vx为 0.54cm/s，最大竖向振速为Vy为1.07cm/s。右侧铁塔监测点在爆破过程中产生的最大水平振速Vx为 0.66cm/s，最大竖向振速Vy为1.33cm/s。在《爆破安全规程》(GB6722－2011) 规定的3.5 cm/s范围之内，即隧道爆破振动对高压铁塔的影响被控制在安全范围之内。

2、由于铁塔基础为独立基础，如需要进一步降低爆破振动带来的不利影响，可以对独立基础设置加固框架梁，提高铁塔基础的整体性，同时也能够降低沉降带来的不利影响。

3、条件允许情况下可：①现场施工勤量测，设置专人对铁塔基础进行动态实时监测，尤其是爆破前后沉降值的对比，随时掌握塔基的情况，如果出现异常，则应立刻停止施工，并采取相应的处治措施；②爆破施工前，对塔基进行预加固处理； ③严格控制爆破装药量，该段施工采用微爆破，尽最大可能的减小爆破对周边地层的扰动。

参考文献

[1]孙长军. 北京地铁近接施工安全风险控制技术及应用研究[D].北京交通大学,2017.

[2]马志刚. 近接下穿施工对既有地铁隧道力学影响及控制参数优化研究[D].西南交通大学,2013.

[3]袁竹. 矿山法隧道下穿铁路沉降影响分区研究[D].西南交通大学,2010.

[4]郭宏博. 上下交叉隧道近接施工影响分区研究[D].西南交通大学,2008.

[5]朱继红. 隧道开挖爆破振动对临近建筑物影响的安全评价[J]. 火炸药学报,2007,No.131(01):78-80.

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