水下钻孔爆破对紧邻建(构)筑物安全性影响研究*

陈春晖，吴　立，赵均文，李　波，李红勇，李春军

(1.中国地质大学 岩土钻掘与防护教育部工程研究中心，武汉 430074；2.河北省地矿局第四地质大队，承德 067000；3.长江重庆航道工程局，重庆 400010)



水下钻孔爆破对紧邻建(构)筑物安全性影响研究*

陈春晖1，吴立1，赵均文2，李波1，李红勇3，李春军3

(1.中国地质大学 岩土钻掘与防护教育部工程研究中心，武汉 430074；2.河北省地矿局第四地质大队，承德 067000；3.长江重庆航道工程局，重庆 400010)

摘要:为评估水下钻孔爆破对紧邻建(构)筑物的安全影响，结合万州长江公路大桥防撞设施水下爆破工程，利用ANSYS/LS-DYNA对紧邻建(构)筑物水下钻孔爆破进行了数值模拟研究。对不同起爆方式与减震孔不同充填介质下紧邻建(构)筑物水下钻孔爆破的减震效果进行了对比分析，结合现场爆破振动监测数据，对万州长江公路大桥的结构稳定性进行了判定。结果表明:采用毫秒延期雷管进行分段装药起爆能有效降低爆破地震效应；减震孔介质的不同影响了地震波传递和衰减规律，减震孔采用空气介质充填能更好的减弱爆破引起的振动效应；采用该起爆与减震方式能够保证万州长江公路大桥的安全使用。

关键词:安全性；水下钻孔爆破；紧邻建(构)筑物；数值模拟

目前，水下爆破的研究不仅需要考虑结构变形，及其流固耦合作用，还有其复杂的周围环境，从而导致研究难度大、耗费资金大、研究误差大，使得水下爆破的研究主要在理论方面[1，2]。随着计算机技术的高速发展，数值模拟技术被广泛应用于各种工程项目中，大型商业有限元软件ANSYS/LS-DYNA能够模拟现实世界中各种复杂问题，适合求解二维、三维非线性结构的高速碰撞、爆炸等非线性动力冲击问题[3]。现阶段，国内外通过数值模拟技术对水下爆破过程就行了大量的研究[4-6]，取得了丰富的理论成果。

为了更好地指导爆破设计和爆破施工，结合实际工程项目，采用ANSYS/LS-DYNA模拟软件，建立水下钻孔爆破三维计算模型，通过对减震孔、爆破区和被保护的紧邻建(构)筑物的水下钻孔爆破进行数值模拟，分析炸药爆炸后应力波传递过程、多炮孔微差爆破后应力波传播特征和紧邻建(构)筑物的振动速度变化过程，为水下钻孔爆破的现场施工提供理论参考。

1紧邻建(构)筑物的水下爆破减震措施

水下爆破减震措施可从爆源与地震波传播两个方面考虑:对爆源从选取合适炸药品种、起爆方式等方面进行减震；在地震波传播过程中采用设置减震孔(沟)的方式进行减震。

1.1炸药品种的选取

在爆破过程中选择适当类型的炸药可以在很大程度上达到抗震的作用。2#岩石乳化炸药，因其防水性能较好，通常被用于掘进或是掏槽眼等工作。所以本项目采用防水性能较好的2#岩石乳化炸药，炸药定义方式见表1。

表1　2#岩石乳化炸药JWL状态方程参数

1.2微差爆破

微差爆破又称毫秒延迟爆破，是把药包分为若干组，相邻的炮孔间通过毫秒雷管延时起爆的一种起爆方式。由于其地震波能量在时间上和空间上是分散的，故微差爆破产生的地震效应和冲击波比齐发爆破要小得多。本项目中，通过采用毫秒雷管进行分段装药起爆来有效的减小爆破地震效应，爆破施工时采用3个段别。微差爆破能将一次起爆的总药量分散在不同的时间段爆破，避免了爆破地震波的叠加。

1.3减震孔(沟)

爆破所产生的地震波虽然对建(构)筑物有影响，但可以在爆破点与保护对象之间设置适当的减震孔或者减震沟将地震波的传播途径改变，从而有效降低地震波带来的影响。而在实际操作过程中，受限于施工器械及现场条件，减震沟施工难度远大于减震孔，因此，使用减震孔以降低爆破地震波对万州长江公路大桥的影响。

2模型建立及参数设置

2.1工程概况

万州长江公路大桥两岸将建设防撞设施，防撞带与桥轴线大致对称布置。防撞带两侧布设导向井，导向井共4个，左右岸两侧各两个。导向井内安装浮筒，两侧各两个浮筒分别与防撞带相连。4个导向井需开挖基坑，与导向井浮筒相连的防撞带需开挖沟槽。工程开挖内容主要包括1#～4#基坑前沿防碰撞带基槽。1#～4#基坑前沿防碰撞带基槽水下爆破工程量3748 m3，水下开挖岩土方量10 975 m3。本地区地质构造稳定，没有大的活动断裂带，历史上未发生过较大等级的地震。工程开挖岩土主要为中风化砂岩，有少部分泥岩。

2.2建立数值计算模型

以万州长江公路大桥3#墩水下承台基础爆破开挖项目为工程背景，参考当地工程地质条件及相应数据建立数值模型。在考虑实际情况的基础上，结合数值模拟技术的特点，采用直径为120 mm炮孔，炸药装药直径为90 mm，装药高度5 m，炮孔和炸药之间采用水耦合，炮孔间距为2.5 m。减震孔设置两组，组距5.5 m，每组两排，排距1.5 m。一排设置10个减震孔，孔距300 mm。在保持其它条件不变的前提下，变换减震孔填充介质。为了便于观测，可将紧邻建构筑物水下爆破问题对称化处理，建模时取二分之一模型。水、空气、和炸药三种材料均采用欧拉建模，单元使用多物质ALE算法，岩体和桥墩采用拉格朗日网格建模[7-8]。数值模型采用cm-g-μs单位制，紧邻建构筑物水下爆破模型如图1所示。

2.3材料计算参数选择

(1)炸药的材料定义和状态方程

炸药选用爆炸性能良好，运输使用安全系数大，抗水性强的2#岩石乳化炸药。采用TNT材料模型定义炸药，并以JWL状态方程来描述炸药爆轰产生的压力，其压力定义方式如式1所示，炸药材料参数及JWL状态方程参数如表1所示[9]

(1)

式中:p为压力;A、B、R1、R2和ω为JWL状态方程的5个参数；V为相对体积；E为单位体积内能。

(2)水的状态方程采用Mie-Gruneisen状态方程模拟水在高压环境中的形变，方程形式如下[9]

(2)

式中:p为压力；E为单位体积的比内能；ρ0为介质初始密度；μ=ρ/ρ0-1，ρ为材料密度；ρ0为材料初始密度；C 为剪切-压缩波速曲线截距；α为Gruneisen系数修正项。见表2。

表2　水的状态方程参数

(3)空气材料采用线性多项式状态方程定义，表达式为[9]

(3)

式中:C0～C6为方程系数；μ为比体积，材料参数如表3所示。

表3　空气状态方程参数

(4)岩石材料采用LS-DYNA内置的MAT_PLASTIC_KINEMATIC来模拟，此模型考虑了岩石介质的弹塑性特性与材料的强化效应(随动强化与各向同性强化)和应变率变化效应，同时还带有失效应变。

水下爆破岩体为中风化砂岩，经室内物理力学实验，得到中风化砂岩岩体物理力学参数如表4所示。

表4　中风化砂岩岩体物理力学参数

3计算结果及分析

炸药起爆后，炮孔周围的基岩在极短的时间内被压缩直至破碎，同时爆炸冲击波迅速向外扩散。在有限元模型内，变形与能量通过特征单元之间的节点进行传递。研究水下钻孔爆破对紧邻建(构)筑物的影响，就是通过分析相应特征单元在地震波作用下的动力响应特征，进而评价其安全性。

3.1不同起爆方式下水下钻孔爆破动力响应特征

为了分析不同起爆方式炸药爆炸后应力波传递过程，取炮孔处部分模型，分别模拟起爆方式为齐发爆破与微差爆破的爆破过程。图2～图5为炮孔附近特征单元在同一时刻所受到的压力云图。

当炸药爆炸后，爆炸冲击波向四周迅速扩散，并且在扩散过程中不断衰减。t=600 μs时，观察此刻基岩所受压力值可知，当起爆方式为微差爆破时，基岩所受的压力值较齐发爆破下更小。分析可知，采用微差爆破作为起爆方式时，相邻药卷爆炸间隔时间极短，由左侧最先爆炸的炸药而产生的爆轰波与后起爆的炸药爆炸产生的爆轰波相互干扰，从而导致基岩所受到的压力较低。t=1000 μs时，爆炸冲击波经过一段时间的扩散后，此时基岩在微差爆破下所受的压力值仍然较齐发爆破更小。分析可知，当采用微差爆破作为起爆方式时，最先起爆的炸药使得周围的岩石破碎、松散，而这些岩体在后续炸药爆炸时起到了吸收能量、加速应力波衰减的作用。因而在总起爆药量不变的情况下，使用微差爆破，能降低爆炸产生的应力波带来的影响。

3.2减震孔不同充填介质时爆破地震波对桥梁振动影响

为了研究减震孔充填介质不同时桥梁处特征点动力响应特征，沿桥梁从上至下依次选取三个特征单元A(289815)、B(289812)、C(289808)作为当前活动单元，以分析它们振动速度随时间变化特征。图6、图7为当减震孔充填介质分别为水或空气时，特征单元振动速率随时间的变化特征。

通过分析桥梁处特征单元的振动速度来判断减震孔充填介质不同时爆破地震波对桥梁振动的影响。从桥梁处特征点动力计算结果可知:

无论减震孔采用何种介质填充，当地震波第一次扩散到桥梁处时，特征单元的振动速度迅速达到峰值，然后不断衰减，中间虽然有波动，但最后基本保持稳定。对于特征单元A、B、C，从模拟结果上来看处于更高高程处的A最先达到振动速度峰值，并且大于B、C，这表明桥梁上部的振动速度与幅度更大，在实际爆破中需重点检测。

由图6和图7可知，当减震孔充填介质为水时，桥梁处振动速度峰值为(2.05 cm/s)，大于当减震孔充填介质为空气时桥梁处振动速度峰值(1.70 cm/s)。分析可知:在水下钻孔爆破中，地震波的传播和衰减规律在减震孔充填介质改变时受到了影响，从而改变了桥梁处特征单元的振动速度。通过模拟计算，在其他因素相同的条件下，减震孔采用空气介质填充相比采用水介质填充能更大程度的破坏岩层的整体性，从而在一定程度上更容易消减地震波的传播，降低爆破引起的振动，因此，建议实际施工减震孔采用空气介质进行填充。

4现场监测及分析

水下爆破施工环境复杂，为了能全面掌握和控制爆破开挖对万州长江大桥及周围环境的影响，对爆破施工全过程进行现场监测，根据监测数据及时调整爆破方案和爆破参数，从而减小爆破振动效应对建(构)筑物的危害。监测结果见表5。

表5　现场监测结果

质点爆破振动主频率的预测经验公式具有如下形式[10]

(4)

利用以上数据，并结合质点爆破振动主频率预测式(1)进行回归分析可得，K=185.68，α=-0.506。因此，万州长江公路大桥防撞带爆破工程中质点爆破振动主频率的预测公式为

(5)

由式(2)可以计算得到，在单段最大起爆药量Q为18 kg时，万州长江公路大桥的质点爆破振动主频高频值为15.6 Hz，低频值为5.75 Hz。远大于桥梁最不利自振频率值为0.62 Hz。并且桥梁振动的最大速度(1.02 cm/s)小于爆破安全规程的要求。表明采用微差爆破与空气介质作为减震孔充填介质能有效减弱水下钻孔爆破工程对紧邻建(构)筑物的影响，使万州长江公路大桥处于安全的状态。

5结论

通过对紧邻建(构)筑物水下钻孔爆破的数值模拟计算结果和爆破振动监测结果进行分析，可得到以下结论:

(1)在同一时刻，起爆方式为微差起爆时，基岩所受的压力值较齐发爆破下更小；在总起爆药量不变的情况下，使用微差起爆能降低爆炸应力波带来的影响。

(2)无论减震孔采用何种介质填充，桥梁上部的振动速度更大，在实际爆破中需重点检测；当减震孔充填介质为水时，桥梁处振动速度峰值为(2.05 cm/s)，大于当减震孔充填介质为空气时桥梁处振动速度峰值(1.70cm/s)；相比采用水介质填充的减震孔，采用空气介质填充时能更好的降低地震波对桥梁的影响。

(3)在实际监测中，采用微差爆破技术与空气介质减震孔能有效的减弱水下钻孔爆破工程对紧邻建(构)筑物的影响，使万州长江公路大桥处于安全状态。

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Influence of Underwater Drilling and Blasting on Adjacent Structure Safety

CHENChun-hui1,WULi1,ZHAOJun-wen2,LIBo1,LIHong-yong3,LIChun-jun3

(1.Engineering Research Center of Rock-Soil & Excavation and Protection Ministry of Education， China university of Geosciences,Wuhan 430074，China；2.The Fourth Geological Team of Hebei Geology and Minerals Bureau,Chengde 067000,China；3.Changjiang Chongqing Waterway Engineering Bureau,Chongqing 400010,China)

Abstract:Based on the underwater drilling and blasting project on Wanzhou Yangtze River Bridge′s anti-collision equipment,the ANSYS/LS-DYNA software was used to simulate the process of underwater drilling and blasting for evaluating the structure safety adjacent to the building.The damping effects of different initiation mode and filling medium in damping hole to the blasting were discussed.Results show that the initiation scheme with millisecond delay reduced the blasting seismic effect when the total amount of explosive was invariant,and different stemming medium in damping hole led to different propagation of seismic wave,and good damping effect was obtained by using air stemming.Finally,Wanzhou Yangtze River Bridge kept safely under the underwater drilling and blasting.

Key words:safety; underwater drilling and blasting; adjacent to the building; numerical simulation

doi:10.3963/j.issn.1001-487X.2016.02.023

收稿日期:2016-01-19

作者简介:陈春晖(1994-)，男，博士研究生，主要从事岩土工程研究工作，(E-mail)cchmike@163.com。 通讯作者:吴立(1963-)，男，教授，博士生导师，主要从事爆破工程及岩土工程的研究工作，(E-mail)lwu@cug.edu.cn。

基金项目:湖北省自然科学基金计划重点项目(2013CFA110)

中图分类号:TV542+.5

文献标识码:A

文章编号:1001-487X(2016)02-0117-06