45 m深基坑减振爆破技术

韦良文，张 斌，韩风雷，张学富

(重庆交通大学 土木建筑学院，重庆400074)

城市轨道交通车站建设过程中，基坑开挖爆破会对围护桩、竖井结构、区间隧道结构产生的影响。为了降低开挖爆破对上述结构物的影响，需要对爆破方案进行优化设计，提出可靠的减振措施，以此来减小结构物质点的振动峰值速度，保证结构物的安全可靠性。

重庆市江北城轨道车站，该车站为明挖段，共47.59 m。采用逆作法施工，下部岩质边坡及暗洞仰坡采用锚杆与喷混凝土支护，上部土层采用桩板挡墙支护，开挖与支护交替进行。地层由上而下依次可分为第四系全新统填土层、残坡积层和侏罗系中统沙溪庙组沉积岩层。

基坑开挖采用爆破施工方法，对爆破减振的技术控制要求很高，需要对爆破进行控制，有效地减小爆破应力波产生的破坏作用。

1 减振爆破设计

为保证良好的减振爆破效果，主要是在爆破区域周边布设减振孔或减振隔离带，为开挖爆破增加凌空面，阻隔爆破应力波向结构物方向传播。其主要原理是利用爆破减振隔离带，在爆破时将其爆破振动能力吸收及耗散；使其降低隔离带后面的区域所受到的振动。

1.1 炮孔布置原则

为了使减振爆破达到预计的效果，本工程开挖爆破炮孔钻孔直径为40 mm，炮孔深度为2.0 m，最小抵抗线为1.35 m，炮孔间距为1.8 m。根据该工程的地质条件，采用2号岩石硝铵炸药[1]，密度大于0.95 g/cm3，爆力298 mL，猛度12 mm，爆速为3 200 m/s。在爆破应力波向结构物传播的方向上布设减振隔离带，使其降低或阻断应力波向结构物传播。炮孔布置如图1。

图1 炮孔布置示意Fig.1 Layou of blasting hole

1.2 爆破药量计算

基坑开挖采用多排浅孔松动爆破，优化装药量能使岩土体松动，不会对周边结构产生过大的振动影响。松动爆破每单孔装药量按式(1)计算[2]：

Q=α·e·q′·W3·L

(1)

式中：α为平均装药系数，即装药长度与炮孔长度L之比，一般为0.5～0.7，取0.7；e为炸药换算系数，取1.0；q′为单位炸药消耗量，对于斜坡或台阶地形q′=0.36q(q由岩石坚固性系数f决定，f取1.2)；W为抵抗线，取1.35；L为条形药包长度，取1.6。

根据式(1)计算出单孔装药量为1.2 kg，总装药量为21.6 kg，其主要目的是使岩土体产生松动，避免爆破时产生的碎石向周边散落。

2 减振爆破数值模拟

2.1 计算模型建立

建立有限元模型，计算模型由岩土体、混凝土、空气、高能炸药4种材料组成。模型大小为长X= 102 m，宽Y= 60 m，高Z= 85 m。考虑到爆破应力波在岩土体介质中传播速度过程，及质点振动时程曲线的完整性，将求解时间设置1 s。建模时采用cm-g-μs单位制，所有单位均可由此单位导出，最后速度单位为106cm/s。有限元计算模型如图2。

图2 有限元计算模型Fig.2 Finite element model of computation

2.2 LS-DYNA计算理论分析

减振爆破数值模拟采用LS-DYNA非线性有限元动力学分析程序。在爆破数值模拟过程中用Lagrange算法来模拟岩土体材料单元，用ALE算法来模拟炸药单元[3]。将各介质视作理想体介质处理，在分析过程中忽略土的重力影响，假设爆炸产物的膨胀是绝热过程[4]。采用JWL(Jones-Wilkens-Lee)状态方程，描述高能炸药爆炸产物压力与体积关系。通过状态方程求得高能炸药爆炸产物的单元压力P，JWL状态方程P-V关系[5]如式(2)：

(2)

式中：V为相对体积；E为内能常数；A，B，R1，R2，ω为特征参数，对具体一种炸药为常数。

按2号岩石硝铵炸药，物理参数如表1[6]。

表1 高能炸药材料参数

数值模拟将空气定义为Null模型，空气密度ρ=1.29 kg/m3。岩土体与混凝土采用塑性力学模型，定义方式为MAT_PLASTIC_KINE MATIC。材料物理参数如表2。

表2 岩石材料参数

3 减振爆破数值模拟结果分析

3.1 数值模拟受力结果分析

以基坑南侧中心区开挖爆破为例，分析爆破之后所产生的冲击波影响区域。从图3中可知，爆破0.1 s后，压应力大小为5 MPa，拉应力未出现在结构物上。对围护桩、竖井结构、隧道结构拱顶的影响很小。

图3 爆破后0.1 s时应力Fig.3 Stress of 0.1s after blasting

3.2 数值模拟振动速度结果分析

从质点振动的峰值速度来评估爆破所产生的影响。按照具体布设测点的测试值与对应质点的数值模拟值进行对比，分析质点峰值速度的大小。根据GB 6722—2011《爆破安全规程》所规定的爆破对地面建筑物竖向振动速度容许值，混凝土或钢筋混凝土结构振动速度V≤2.5 cm/s。

对基坑4个区域的开挖爆破进行分析研究。区域1——基坑南侧中心区开挖爆破；区域2——基坑南侧中心区20 m深处开挖爆破；区域3——基坑东侧中心区开挖爆破；区域4——基坑东侧中心区20 m深处开挖爆破。各区域开挖爆破时，围护桩、竖井结构、隧道结构拱顶处质点振动峰值速度模拟值与测试值如表3，变化规律如图4。

表3质点振动速度

Table3Particlevibrationvelocity/(cm·s-1)

图4 振动峰值速度模拟值与测试值Fig.4 Simulation and test values of vibration peak velocity

从表4可知爆破振动速度大都能控制在2.5 cm/s，该减振爆破方案设计能有效地控制爆破振动速度。从图4可看出，数值模拟值与测试值有着相同的变化趋势，表明了数值模拟的可靠性很好。

4 结 论

1)数值模拟表明，设置减振带能有效隔断爆破冲击波的传播，在距爆源一定区域出现高应力区，当到达围护桩处，会出现不同程度的衰减，对围护桩的影响很小。

2)通过对数值模拟与现场测试值进行比较，表明数值模拟值与现场测试值较为符合，混凝土或钢筋混凝土结构振动速度均在安全规范容许值内，合理的减振爆破方案设计能有效地减小爆破对结构产生的影响。

3)在爆破区域周边布设减振孔或减振隔离带，能有效的降低爆破对基坑围护桩、竖井结构、区间隧道结构产生的影响。

4)在合理的装药量的情况下设置减振带，能有效的控制爆破振动速度，振动速度峰值衰减比较明显。

[1] 刘运通,高文学,刘宏刚.现代公路工程爆破 [M].北京:人民交通出版社,2006.

Liu Yuntong,Gao Wenxue,Liu Honggang.Modern Highway Engineering Blasting [M].Beijing: China Communications Press, 2006.

[2] 吴立,闫天俊,周传波.凿岩爆破工程 [M].武汉:中国地质大学出版社,2005.

Wu Li,Yan Tianjun,Zhou Chuanbo.Drilling and Blasting Engineering [M].Wuhan:China University of Geosciences Press, 2005.

[3] 赵海鸥.LS-DYNA动力分析指南[M].北京:兵器工业出版社,2003:9.

Zhao Hai'ou.Guide LS-DYNA Dynamic Analysis [M].Beijing:Weapon Industry Press, 2003: 9.

[4] 张猛,张云鹏,张亚宾.爆炸作用下冻土层破坏数值模拟 [J].西部探矿工程,2007(11):25-27.

Zhang Meng,Zhang Yunpeng,Zhang Yabin.Numerical simulation of damage under explosion of frozen soil [J].West-China Exploration Engineering, 2007(11): 25-27.

[5] 尚晓江,苏建宇,王化锋,等.ANSYS/LS-DYNA动力分析方法与工程实例[M] .北京:中国水利水电出版社,2008:6.

Shang Xiaojiang, Su Jianyu,Wang Huafeng,et al.ANSYS/LS- DYNA Dynamic Analysis Method and Engineering Practice [M].Beijing: China Water Conservancy and Hydropower Press, 2008: 6.

[6] 齐世福,刘新波,李裕春.水下钻孔爆破的数值模拟[J].工程爆破,2010,16(4):13-17.

Qi Shifu,Liu Xinbo,Li Yuchun.Numerical simulation of underwater drilling blasting [J].Engineering Blasting, 2010, 16 (4): 13-17.