两条减震沟对爆破振动效应的影响研究

张袁娟

(河南工程学院 安全工程学院，河南 郑州 451191)

随着爆破技术的普遍应用，爆破振动的危害是亟需解决的问题，减震沟是一种应用较为广泛的减震手段。文献[1] 采用ANSYS/LS-DYNA计算软件建立了三种位置条件下减震沟的数值模型，运用数值模拟手段分析减震沟不同位置的减震效果；文献[2]针对减震沟不同的参数设置对地铁隧道爆破减震效果进行研究，并且运用数值计算方法分析不同减震沟深度、减震沟与爆源之间的水平距离、减震沟宽度下爆破振动对隧道的影响进行分析，为现场施工提供了一定的理论依据；文献[3]利用DYNA数值模拟软件，模拟了不同情况下减震沟的减震效果。通过数值模拟，比较了有无减震沟时的峰值振速分布和开挖面与减震沟距离变化时质点的峰值震速衰减规律，分析了不同深度、不同宽度减震沟的减震效果，得出了减震效果和减震沟宽度以及深度之间的关系；文献[4]针对减震沟中不同的填充物空气、黄沙、水对爆破效果的减震作用进行研究，经过测振结果分析得出，充填物为空气减震效果最好。本文在以上学者的研究基础和相关成果的基础上，对两条减震沟的减震效果进行分析，建立数值模拟模型，并结合现场试验对数值模拟的结果进行佐证，对现场施工有一定的指导意义。

1 炸药参数和控制方程的选取

本文中炸药采用高能炸药模型MAT-HIGH-EXPLOSIVE-BURN，控制方程选择JWL状态方程，该方程是专为描述炸药等含能材料爆炸时的压力特性而设定的一种状态方程[5-7]，其表达式为：

(1)

式中：P为压力，Pa；V为体积变化，R1、R2、ω、B和A为材料常数；E0为初始比内能。

数值模拟中选用的2号岩石乳化炸药具体参数为：炸药的密度是950 kg/m3，状态方程中的各参数取值分别为：E0=4.5E+9，R2=0.9，W=0.3，B=0.529E+9，R1=3.5，A=47.6E+9，炸药的爆轰速度是3 600 m/s[6-10]。参照相关文献选取岩石力学参数如表1所示。

计算中采用的岩石力学参数，弹性模量37.4(GPa)，切线模量4.5(GPa)，岩石密度2 600(kg·m-3)，泊松比0.3。

2 数值模拟模型构建

根据实际工况，分别建立一条减震沟和两条减震沟的数值模型，爆破参数均相同：主爆孔直径90 mm，台阶高度10 m，炮孔深度10.5 m，其中超深0.5 m，堵塞长度3 m，最小抵抗线3 m，距离台阶坡底线9 m。 在有一条减震沟的工况模型中，减震沟位于上部台阶处，距台阶顶部3 m，减震沟宽2 m，深3 m；在有两条减震沟工况模型中，下部台阶处减震沟宽2 m、深3 m，距台阶坡底线3 m，距离爆源6 m，台阶上部减震沟宽2 m、深3 m；模型底部建立有0.5 m厚的岩石，底部和侧面均设置为无反射边界，建模采用的单位均为m-s-kg，计算时间为0.05 s。两种工况数值模拟模型剖面分别如图1(a)、(b)所示。

图1 两种工况剖面(m)

为了更好地描述有减震沟的两种工况下对爆破振动的降振效果，引入相差比例因子的概念，其计算方法如公式(2)所示：

(2)

式中：η为相差比例；Vw为一条减震沟峰值振速；Vy为两条减震沟峰值振速。

因建立的两种工况数值模型不同，故单元划分网格节点不同，为了方便文中节点振速的提取，记两种模型自坡顶线中心节点依次为N1、N2、N3、N4和N5，沿炮孔中心轴线做剖面，分别对一条减震沟和两条减震沟两种工况模型以10 m为步距选取相同爆心距的节点并提取峰值振速，提取5个节点水平径向、垂直向和水平径向三个方向峰值振速，有减震沟模型分别如图2(a)、(b)所示，两种工况节点处提取峰值振速对比总结如表2所示。

图2 减震沟有限元模型

图3 爆破振动峰值典型历程曲线

由表1可以看出，两条减震沟的降振作用明显大于1条减震沟的降振作用，通过对两种工况的数值模拟进行分析，两条减震沟的数值模型，选取的节点处峰值振速明显小于一条减震沟的数值模型。在水平径向相差比例最大约为34%，垂直方向上最大的相差比例可达55.5%，水平切向相差比例最大可达60%，两条减震沟的降振作用明显优于1条减震沟。

表1 一条减震沟和两条减震沟两种工况峰值振速对比

3 现场试验

为了验证减震沟的条数对爆破效果的影响。现场试验选择在陕西某土石方平整工程中进行，由于施工现场临近民房，为了减少不必要的纠纷，需要严格地控制爆破振动，结合工程实际情况选择减震沟减震方法。爆破施工采用90 mm孔径，孔深9 m，孔距和排距均为3.5 m，现场测振实验分别选择在两次爆破施工中进行，一条减震沟选择离爆源20 m处，两条减震沟则分别为距离爆源20 m处和离保护对象20 m处。一条减震沟和两条减震沟分别选择两次爆破施工中进行，选取相同爆源区域、相同爆心距民房基础处作为监测点，爆破振动监测对比实验各向峰值振速对比分析如表2所示。

表2 两种不同工况现场实验峰值振速对比

根据《爆破安全规程》(GB6722-2003)可知，为保证此被保护砖混民用建构筑物的绝对安全，爆破振动的最大峰值振动速度不应大于1.0 cm/s，由表2可知，爆破振动监测数据均未超过规定值，因此被保护建筑物是安全的，但是由于爆破振动存在累积效应，因此，爆破振动的作用越小则越好，由表1结合表3分析可以看出，实际工况的相差比例相比较数值模拟的较小，原因在于，数值模拟中假定的岩石为均质同性体，而实际工况中岩体存在节理裂隙，因此实际工况相差比例相比数值模拟偏小，但对其的规律性不影响。

表3 各测点相差比例对比 %

4 结 语

本文通过数值模拟方法论证了两条减震沟的降振作用远远优于一条减震沟的工况，并结合现场爆破振动试验及监测数据对数值模拟提出的结论进行了分析和佐证，得出以下结论：

1) 减震沟对爆破振动峰值有明显的降低作用。数值模拟中两条减震沟的降振作用明显优于一条减震沟，并且爆源附近减震沟的设置弥补了爆破振动监测仪器不能靠近爆源的不足；

2) 由数值模拟结果可以看出，两种工况的相差比例最大可达到60%，得出两条减震沟的降振作用明显优于一条的。但数值模拟中设置的岩石为均质同性体，而现场试验中，岩石存在复杂的节理裂隙，因此相差比例是小于数值模拟的，但是对其的规律性无影响。

由以上的分析可以得出，减震沟对爆破振动有明显的降振作用，多条减震沟的降振作用更加明显。随着精细化爆破理念的提出，减震沟位置的选择、减震沟的条数、减震沟的耦合介质以及减震沟参数等因素对降振作用的影响都是需要深入研究的问题。