考虑下卧既有铁路隧道的场平爆破药量分析

吴文彪，王仁其，高萌，武来群

（1.贵州省凯里市住房和城乡规划建设局，贵州凯里556000；2.重庆交通建设(集团)有限公司，重庆401121；3.贵州省凯里市审计局，贵州凯里556000；4.重庆建工市政交通有限公司，重庆400021）

考虑下卧既有铁路隧道的场平爆破药量分析

吴文彪1，王仁其2，高萌3，武来群4

（1.贵州省凯里市住房和城乡规划建设局，贵州凯里556000；2.重庆交通建设(集团)有限公司，重庆401121；3.贵州省凯里市审计局，贵州凯里556000；4.重庆建工市政交通有限公司，重庆400021）

运营中的既有铁路隧道是铁路干线上的重要组成部分和控制性工程。该隧道上方的场平采用露天中深孔爆破施工，平场标高距离隧道顶部标高约80m。铁路隧道由于有高灵敏度的信号装置，对爆破振速的要求控制得比较严，通常限制其质点振动速度在1cm/s以内。因此，如何控制爆破的药量，达到既能保证隧道结构的安全又能缩短平场爆破的工期、减少爆破的费用，成为爆破控制的关键技术。根据不同的方法对爆破速度计算结果进行分析对比，得出爆破药量的控制方法，具有一定的参考价值。

铁路隧道；LS-DYNA；振动速度

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.08.101

1 引言

露天中深孔爆破广泛地应用于场地平整、路堑开挖等基础建设中。中深孔爆破控制其安全问题的首要公害就是爆破地震波对建构/筑物造成的破坏。各国学者致力于研究其产生机制和控制措施，我国相对来说起步较晚。近年来，由于平场爆破施工造成建构/筑物破坏的现象越来越多。许多工程实例已表明，爆破施工如不重视爆破振动的破坏作用，不采取适当的爆破控制措施，则可能会造成不必要的人员财产损失。而进行爆破控制首当其冲的就是爆破过程中起爆药量的严格控制。

2 工程概况

某平场工程地形地貌属山岭坡地地形，地质构造简单，石方以砂岩、泥岩为主，硬度系数f=4～6，岩层稳定，场地内无地下水，拟采用控制爆破平场方式。该场地下方横卧一运营中的既有铁路隧道，平场标高距离隧道顶部标高约80m。隧道上覆第四系坡洪积（Q4dl+pl）、坡积（Q4dl+pl）、坡残积（Q4dl+el）、坡崩积层（Q4dl+col），下伏侏罗系中统上沙溪庙组（J2s）泥岩夹砂岩、砂岩。

3 有限元计算模型

针对该下卧铁路隧道的最不利衬砌结构断面，采用ANSYS/LS-DYNA软件建立三维模型进行计算。将隧道纵向作为x轴，y轴铅垂向上，z轴沿隧道掘进方向。由于该铁路隧道具有一定的埋深，并且岩体重量会对隧道结构产生一定的影响，所以建模时对模型上部施加了重力加速度，模型上部按实际埋深设置。为了减小边界效应的影响，左右边界取6倍隧道洞宽，下边界取为3倍隧道洞高。将计算模型的4个侧面和底部均设为无反射的固定边界，各边界位移为零，地表设为自由边界。有限元模型单元采用六面体单元，围岩和隧道衬砌单元类型均采用Solid164单元，单元数为462838个。材料组成包括围岩组成的岩石材料、锚杆材料、二次衬砌的混凝土材料。浅孔和中深孔爆破荷载可通过爆炸冲击波理论和爆炸气体膨胀理论等效成爆破载荷压力曲线（三角型脉冲荷载）简化施加在开挖轮廓面上。三角形曲线的波峰载荷值的大小根据岩石密度、岩体的纵波速度、炸药密度、炸药爆速、爆炸的距离等参数换算确定[2]。通常，爆破荷载的升压时间为8～12ms，卸载时间为80～100ms，本模型计算取加载时间为10ms，卸载时间为100ms，模拟的求解时间为0.5s。由于该隧道模型庞大，因此选取关键部位的节点、单元等参数进行分析。如图1所示，A、E点分别代表该隧道同一断面上的拱脚位置，B、D点分别该隧道同一断面上的拱腰位置；C点代表该隧道同一断面上的拱顶位置。

4 有限元计算结果

4.1 质点振动速度

运用LS-DYNA对距隧道不同距离、不同炸药量的爆破荷载进行模拟计算，得到该隧道断面上的关键节点的振速历程曲线。不同爆破距离下，列举该隧道断面上不同点在各个方向上的最大振速见表1[3]。

图1 铁路隧道断面上的关键节点分布图

表1 爆破距离为80m时隧道断面上关键点的计算速度

4.2 断面最大应力

根据计算结果，当控制爆破距离为80m且爆破药量小于15kg、爆破距离为100m且爆破药量小于40kg、爆破距离为120m且爆破药量小于60kg、爆破距离为140m且爆破药量小于100kg时、爆破距离为160m且爆破药量小于150kg时，该隧道断面上的最大主应力均小于0.5MPa。

5 按萨道夫斯基公式计算结果

按《爆破安全规程》（GB 6722—2013）推荐的以下萨道夫斯基公式，对爆破振动速度进行计算[1]。

式中，[v]为爆破振动安全允许质点振动速度峰值，cm/s；Qmax为爆破单响最大炸药量，kg；K为与介质性质、爆破方式等因素相关的系数；α为与传播途径和地质地形等因素有关的衰减指数；R为爆破振动安全距离，m。

根据岩土情况，K取230，α取1.60，进行不同距离下的爆破药量计算见表2。

表2 按爆破安全规程计算的隧道爆破速度

6 爆破控制药量分析

取该铁路隧道在爆破振动下的安全控制振速为1cm/s，需要控制单次爆破药量。分别按有限元模拟计算和按《爆破安全规程》（GB 6722—2013）推荐公式计算的爆破振动速度见表3[4]。由此可见，该隧道，按《爆破安全规程》（GB 6722—2013）推荐公式计算的爆破振动速度结果估计单次爆破允许药量偏于安全，有一点的富余量。

表3 该隧道爆破控制计算对比

7 结论

1）基于LS-DYNA采用数值方法对平场爆破引起的既有下卧铁路隧道的振动效应的分析方法是可行的，取值正确，数据可信。

2）采用我国《爆破安全规程》(GB6722—2014)的经验公式计算质点的振动速度，来进行中深孔露天爆破药量控制，相比有限元模拟结果大体较保守，偏于安全。分析其原因主要是《爆破安全规程》(GB6722—2014)的经验公式主要考虑了装药量和爆心距的影响，场地地形、地质条件采用衰减系数考虑，而没有考虑建/构筑物的自身特性，对于复杂的结构问题，尚需根据建/构筑物的自身特性进行准确的爆破振动模拟分析。

【1】GB 6722—2014爆破安全规程[S].

【2】阳生权，周健，吕中玉.地下洞室及其围岩爆破地震安全监测与动力分析[J].中国安全科学学报，2006，16(6):141-148.

【3】毕卫国，石崇.爆破振动速度衰减公式的优化选择[J].岩土力学，2004, 25(S1):99-102.

【4】刘先林，周传波，张国生.隧洞开挖爆破振动监测与振速预测分析[J].爆破，2008,25(3):96-106.

Analysis on Blasting Quantity for Flat Ground in the Existing Underlying Railway Tunnel

WUWen-biao1，WANGRen-qi2，GAOMeng3，WULai-qun4
(1.Kaili Housing and Urban-rural Planning and Construction Bureau of Guizhou，Kaili 556000,China; 2.Chongqing Communications Construction(Group)Co.Ltd.，Chongqing401121,China; 3.Kaili Auditing Bureau，Kaili 556000,China; 4.Chongqing Construction Engineering Municipal Traffic Engineering Co.Ltd.，Chongqing400021,China)

The existing railway tunnel in operation is an important part and key project of the railway.The flat ground at the top of the tunnel applied deep hole blasting in open,and it is about 80 meters from the elevation of the flat ground to the top elevation of the tunnel.Due to the high sensitivity of signal device,railway tunnel has as trictcontrol to the requirement of blasting vibration velocity,with a lim ited vibration velocity of the particle within 1cm/s.Therefore,how to control the blasting dosage becomes the key technology in controlled blasting in order to guarantee the safety of the tunnel structure,shorten the construction period of flat ground blasting,and reduce the cost of blasting.According to the analysis to calculation results of blasting speed by different methods,the blasting quantity control method is achieved,which can offer some reference.

railway tunnel;LS-DYNA;vibration velocity

U25；O643.2

A

1007-9467（2016）08-0187-03

2016-08-08

吴文彪（1983～），男，贵州雷山人，工程师，从事隧道工程技术研究。