基于ANSYS/LS-DYNA的竖井掏槽延时爆破研究

郑 欣，王伟杰

(1.云南省交通规划设计研究院有限公司，昆明 650000；2.上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司，上海 200092)

建设于山区之间的公路隧道往往由于交通不便、场地过小的原因，不便于大型机械法施工。钻爆法作为一种传统但又可创性高的施工工法，可以很好的应用于硬质山区的隧道开挖[1-2]。然而，不合适的爆破手段可能会引发一系列的安全问题，特别是当临近既有地下构筑物时，可能会导致既有构筑物衬砌出现开裂、破坏等现象[3]。因此，如何确保新建构筑物的正常施工，又不影响既有构筑物的运营安全，是爆破开挖需要重点关注的内容。

延时爆破作为一种高效且常见的降振措施，无论是工程实践还是科学研究，均备受人们的关注。杨军等[4]通过对比不同的延爆装置，发现精确延时爆破可以有效改善爆破效果且延时时间设置为4～5 ms时效果良好；杨年华[5]基于单孔爆破应力波的峰值振速和振动周期，通过电子雷管按单孔波形的半周期设计延时时间，可实现一定程度的减振作用。杨育[6]通过采用数值模拟的形式对台阶延时爆破进行了研究分析，并借助于试验对模拟结果进行佐证，发现在浅孔爆破中孔间最佳延爆时间为5 ms，深孔爆破中孔间最佳延爆时间为7～10 ms。王伟杰[7]通过对不同近接工程的延时爆破模拟，得出延时爆破的降振效果具有较大的随机性，并应以主要危险点为控制目标确定延时爆破的间隔时间。郭华杰等[8]为降低地铁隧道爆破施工对周边燃气管线的影响，基于电子雷管起爆时间可控性强的特点，分别研究了隧道上台阶和下台阶延时爆破施工的最佳延爆方案，通过设定合理的延爆时间，将爆破波实现错峰释放，降低了对周边管线的影响。

基于上述考虑，本文拟从延时爆破的角度对近接地下构筑物的爆破降振进行分析研究，以期达到增加破岩效果和降低对既有隧道扰动的双重目的。

1 延时爆破理论计算分析

爆破波对待爆破物及既有构筑物的影响形式通常分别用作用力及振速的形式表示(见图1)。

图1 爆破波的影响Fig.1 Effect of blasting waves

作用力F为药包起爆时对待建(构)筑物的作用，F越大，则说明爆破对待爆建(构)筑物的破岩效果越显著。振速v代表既有隧道受爆破干扰情况，v越小，则说明该次起爆对既有隧道的扰动越小。最理想的爆破情况应为F取最大值、v取最小值，且F和v均应分别介于(F，2F)和(v，2v)之间。可从这两方面分别对延时时间的确定进行讨论。

1.1 待爆建(构)筑物破岩角度确定延时时间

从爆破应力波的叠加角度进行分析，认为首个药包起爆产生的应力波在接触到自由面反射为拉伸波后，可以与后爆药包的应力波相互叠加，增大整体的拉伸应力，达到更好的破岩效果。关键公式为[9]

(1)

式中：a为炮孔间距；W为最小抵抗线；Cp为岩石纵波波速。

1.2 既有构筑物扰动角度确定延时时间

该原则旨在降低对既有构筑物的扰动，防止出现损害既有构筑物正常使用的情况发生。该原则认为先爆炮孔和后爆炮孔的起爆时间差应为半周期，即在既有构筑物的危险点附近，先行波波谷与后行波波峰相互叠加。主要公式为[10]

Tn=(n/m)Tz

(2)

式中：n和m分别为第n段药包和总的药包段数；Tz为岩体介质振动周期。

2 数值模拟分析

2.1 工程背景

以米仓山双洞隧道为例，隧道间距为40 m，中间以横通道进行连接，考虑到通风的因素，相隔一定距离在线路中心设置竖井。其中在竖井爆破开挖时，隧道已修建完毕，横通道仍处于待建状态(见图2)。

图2 爆区位置Fig.2 Sketch of blasting aera

其中竖井及隧道外径均为9 m，竖井边到隧道外轮廓的水平距离为15.5 m。场区地质情况为III级围岩，既有隧道衬砌厚度0.45 m，衬砌选用C35混凝土。竖井炮孔布置情况如图3所示。其中最内圈炮孔为掏槽孔，掏槽孔炸药选用2#乳化炸药，且填塞长度0.5 m，装药长度2.5 m，单孔装药量4 kg，单次进尺深度3 m。

图3 炮孔布置Fig.3 Layout of blastholes

2.2 同时起爆数值模拟

为更好反映延时爆破对既有隧道的降振效果，需建立掏槽孔同时起爆的工况作为基本对照工况，数值模拟计算软件采用ANSYS的动力分析模块LS/DYNA。经对实际工程进行概化处理后，建立相应三维分析模型。其中模型的横向跨度、竖向高度和纵向深度分别取120 、60 、80 m，对应隧道的埋深为24 m，基岩深度为27 m。炸药、填塞、空气及岩土体本构分别选用如下4种：*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN、*MAT_SOIL_AND_FOAM、*MAT_NULL和*MAT_PLASTIC_KINEMATIC[11]，可很好还原实际爆破情况。动力计算边界则考虑为：顶部边界采用自由边界，底部及侧面采用软件内置的无反射边界。具体各材料参数如表1 ～表3 所示，计算模型如图4 所示。

表1 围岩及衬砌材料参数

表2 填塞材料参数

表3 炸药材料参数

图4 计算模型Fig.4 Calculation model

通过计算，可提取既有隧道迎爆侧各关键位置，如拱肩、拱腰和拱脚处的振速时程曲线，如图5 所示。

图5 迎爆侧拱肩、拱腰、拱脚振速时程Fig.5 Time history of the vibration velocity of the explosion-facing side on the arch shoulder, the arch waist and the arch foot

根据上述迎爆侧各关键测点的双向振速计算结果，可以看出在迎爆侧拱肩、拱腰和拱脚的位置，横向振速极大值依次为3.05 、8.32 、3.68 cm/s，竖向振速极大值依次为1.62 、1.98、2.35 cm/s。说明爆破地震波在传播的过程中，受传播介质和传播距离影响，振速会出现不同程度的衰减作用。例如，由于竖井结构上部已开挖，导致了爆破地震波在竖向向上传播时缺乏围岩的夹制作用，因此爆破地震波在空气中出现了较大程度的损耗，使得竖向振速明显小于横向振速；而通过不同测点的同向振速对比，则可以看出随着传播距离的增加，也会对振速的衰减带来较大的影响。因此在后续的延时爆破计算分析中，可不考虑迎爆侧拱肩和拱脚处的振速响应情况，仅以迎爆侧拱腰处的横向振速降振效果作为延时验算的指标。对迎爆侧拱腰位置处的振速波形进行再分析，提取振动幅度较大的前30 ms，如图6所示。

图6 迎爆侧拱腰横向振速时程Fig.6 Horizontal time history of the vibration velocity of the explosion-facing side on the arch waist

2.3 延时爆破数值模拟

由于该双线隧道模型整体上关于竖井横轴和纵轴对称布置，因此在考虑掏槽孔间隔起爆时，可以采用跳孔布置的形式将起爆孔分为先爆和后爆两组(见图7)。延时间隔考虑为1、2、3……10 ms，共10 组延时工况。

图7 延时爆破布置方案Fig.7 Delay blasting layout plan

同样提取各延时工况下结构迎爆侧拱腰位置处的振速时程，计算结果如图8和图9所示。

图8 延时间隔1 ms至10 ms的振速时程Fig.8 Time history of the vibration velocities with delay time from 1 ms to 10 ms

图9 各延时间隔下最大振速Fig.9 Maximum vibration velocity at each delay time

当延时间隔时间小于主振周期时，受主振段波形的叠加影响，结构的峰值振速变化十分剧烈。以t=2 ms和t=3 ms为例，结构的峰值振速分别为-4.69 cm/s和-6.74 cm/s，依次为齐爆时峰值振速的56%和81%，说明t=2 ms相较于t=3 ms更接近于理想化的爆破波叠加原则下的延时方案，这也印证了本文提到的延时降振原则是合理有效的。

当4 ms

当t>7 ms时，先行波和后行波的主振区基本上已完全分开，此时爆破地震波基本上以“单药起爆、主振区持时翻倍”的形式作用于既有隧道上。且根据双药同时起爆时的计算结果，即便延时爆破作用下振速叠加效果最显著时，也将小于(0.25v+v)/2=0.625v。

因此，从对既有构筑物的爆破扰动角度分析，延时时间的取值范围应为t=0.5Ts或者t>Th，其中Ts和Th分别为主振周期和主振区的总持续时间。

然而实际上延时爆破的时间间隔并非越长越好，首先，延时间隔受制于不同孔圈段间起爆时间的制约，即同一掏槽孔圈的炮孔延时起爆时间不得大于掏槽孔与下一圈炮孔起爆间的时间差。否则下一圈炮孔起爆时振速可能出现异常增大现象，且掏槽孔临空面未完全形成就已开始下一孔圈的药包起爆，不利于整体的破岩效果。其次，过大的延时时间将会导致岩体间的有效碰撞次数减少，应力波间的有效叠加效果减弱，不利于掏槽孔圈的形成。依据式(1)，代入三级围岩及药包的相关参数，可求得最佳的应力波叠加效果下的延时时间，即

1.63 ms

与既有隧道拱腰处主振周期的一半较为接近。综合考虑后可选掏槽孔延时时间2 ms作为既有隧道爆破降振的最优延时时间。

3 结语

1)爆破地震波的传播易受传播介质及传播距离的干扰，因而导致延时爆破难以保证结构所有位置均出现显著的降振效果。因此，在延时爆破前需对基本工况进行简单分析，判断结构实际的受控点，接着再针对实际受控点进行相应的延时降振分析。

2)结构的主振段是一段振动持时相对较短，振速波动变化较大的区段。在该段内使用延时爆破技术将会显著改变结构的扰动特性。因此，在实际的爆破降振中，应针对主振段及主振周期展开相关分析，确定该段爆破的主要特征，再依照此特征确定主振周期的一半作为合理的延时爆破时间。

3)大于主振段持时的延时时间虽也能显著降低对结构的扰动，但主振区总持续时间几乎增加了一倍，可能会出现低频率长持时的现象，引起结构塑性破坏。此外，掏槽孔延时时间确定时，还应考虑对待爆破构筑物自身的开挖效果影响，谨防因过大的延时时间而导致的掏槽孔整体破岩效果变差。

4)实际的延时时间起爆需同时兼顾待爆破构筑物自身的破岩效果和对既有构筑物关键位置的降振影响。