隧道爆破药距比对建筑振动响应的研究

邱章杰，王海亮，张 勇，赵 琛

(1.山东科技大学安全与环境工程学院,山东 青岛 266590; 2.青岛市政空间开发集团有限责任公司城轨分公司,山东 青岛 266000)

0 引言

钻爆法因具备地下交通隧道建设所需的多重优点而被广泛应用,但爆破后产生的地震波会引起地面质点的振动,从而对地表建筑物构成威胁,导致地表建筑物发生坍塌、产生裂隙、大幅振动等危害[1],对周围居民的安全造成很大的影响。

朱泽兵等[2]、喻军等[3]认为,楼层振速峰值随楼层的增高呈递减趋势;齐景岳[4]、陈士海等[5]、郑强等[6]及李洋等[7]认为,随着楼层高度的增加呈现低楼层振速递减、高楼层振速递增的趋势,但在顶层均呈现放大效应。还有一些学者通过灰色系统理论和方法对影响爆破振动的因素进行定性和定量分析[8-9],发现当最大单段起爆药量和爆心距对爆破振动强度的相关系数分别为1.661 8～2.249,1.704 2～2.363 6时,最大起爆药量和爆心距是爆破振动中最重要的影响因素。众多学者研究工作在一定程度上推动了建筑物振动响应规律的理论研究的研究进程,但侧重于单一工况条件的研究,仅得到一种振动响应规律的结论,忽视了不同工况条件对振动响应规律的影响。因此本文找到一个物理量即药距比系数[10],见式(1)。

(1)

其中,β为药距比系数,kg1/3/m;Q为最大单段起爆药量,kg;R为爆心距,指隧道开挖断面的形心与楼房观测点的直线距离,m。

药距比系数与最大单段起爆药量、爆心距之间呈现良好的相关性,准确反映了二者间的比例关系,能够全面描述爆破振动的变化规律并有效表示爆破振动的强度[11]。本文将采用数值模拟手段,考虑最大起爆药量与爆心距的影响,来研究建筑物振动响应规律,并为隧道爆破振动控制和建筑物保护的振动监测方案提供参考依据。

1 数值模拟

1.1 模型建立及算法

采用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA建立三维实体模型,以云南路主隧侧穿团岛二路15号楼7层砌体结构为工程背景,此楼建于1986年,楼房主体共有7层,层高2.8 m。为更精确模拟炸药爆炸对周围介质作用的过程,选择ALE算法,通过*ALE_MULTI-MATERIAL_GROUP关键字来实现[12]。将空气和炸药流体耦合到岩体固体中,这样既不会引起计算过程中网格畸变的问题,同时可实现炸药、空气、岩体之间耦合的动态分析[13]。建模示意图如图1所示。

1.2 材料参数选取

岩体及砌体结构均采用Solid164三维实体单元,该单元具有精度高、计算速度快的特性[14]。选择*MAT_PLASTIC_KINEMATIC塑性随动材料模型,该材料模型由于计算结果的准确性而被广泛应用于爆破冲击载荷作用下的数值模拟[15],15号楼模型材料参数如表1所示。

1.3 合振速峰值等值线云图分析

岩体介质中的炸药爆炸时,爆破地震波由岩体向砌体结构内传播,并将砌体结构的地面基础定义为0层,楼层编号随楼层增加依次递加,楼顶定义为7层。以爆破地震波刚传递到0层、1层、2层、3层、4层、5层、6层、7层为时间节点,观察分析砖混砌体结构合振速峰值Vn的传播规律(见图2)。

表1 本构模型材料参数

由图2可知,爆破地震波由爆源开始经岩体传播至各楼层,直至弥漫砌体结构整个区域。爆破地震波在砌体结构各楼层内传播过程中,遵循由近爆源区域向远爆源区域传递的规律,且同一时刻近爆源合振速峰值集中区域明显大于远爆源合振速峰值集中区域。

2 计算结果讨论

2.1 爆破振速分析

为确保计算结果的充分性并消除地质条件等因素引起的误差,建立了四种不同装药量级的数值模型,其中最大单段装药量分别为0.05 kg,1 kg,100 kg和1 000 kg。各模型的最大单段起爆药量Q、爆心距R、药距比系数β关系如表2所示。选取各楼层构造柱处的近爆源一侧为监测点,分别提取各监测点合振速如图3所示。

表2 不同量级起爆药量下的模型参数

由图3可知:

1)当β=1.19 kg1/3/m(当Q=0.05 kg)时,合振速峰值的最大值出现在砌体结构的0层,0层的振动响应最为强烈;0层—1层振速急剧衰减,衰减率高达76.59%;1层—3层振速呈现振荡衰减趋势;3层—7层振速趋于稳定无明显变化。合振速峰值的最小值出现在7层(顶层),振动响应最微弱。合振速峰值随楼层的升高整体呈现逐渐降低的趋势,顶层合振速峰值小于6层的合振速峰值的同时,小于0层的合振速峰值,因此在顶层出现绝对降低现象,衰减率为99.87%。

2)当β=3.23 kg1/3/m(Q=1 kg)时,振速峰值的最大值出现在砌体结构的0层为2.633 cm/s。0层—1层振速快速衰减衰减率高达73.41%;1层—4层合振速峰值平稳降低;4层—7层振速趋于稳定无明显变化。在6层出现合振速峰值的最小值,表明6层的振动响应最微弱。合振速峰值随楼层的升高整体呈现降低的趋势,但在顶层出现相对放大现象,相对放大系数为0.08。

3)当β=14.97 kg1/3/m(Q=100 kg)时,合振速峰值的最大值出现在砌体结构的0层为43.755 cm/s。0层—1层振速快速衰减,衰减率高达60.26%;1层—3层振速衰减趋势较为缓慢,衰减率为48.97%;3层—7层振速趋于稳定无明显变化。合振速最小值出在6层处,振动响应最为微弱。合振速峰值随楼层的升高整体呈现降低的趋势,但在顶层出现相对放大现象,相对放大系数为0.14。

4)当β=32.26 kg1/3/m(Q=1 000 kg)时,合振速峰值的最大值出现在砌体结构的0层为237.520 cm/s。0层—1层振速快速衰减,衰减率高达72.62%;1层—4层振速衰减趋势较为缓慢;4层—7层振速趋于稳定无明显变化,合振速峰值较小且基本维持在16 cm/s左右。在顶层出现相对放大现象,相对放大系数为0.08。

2.2 爆破有害效应控制措施

1)结构监测重点设置:根据现场情况,应将结构监测的重点放在振速峰值较大的楼层,特别是建筑物底层,以及可能出现相对放大现象的顶层。

2)优化药量和药距比:具体地质条件和建筑物特性通过详细的爆破设计和模拟分析,精确确定每次爆破所需的药量和药距比。制定定制化的爆破方案,最大程度地爆破振动减少对结构的冲击。

3)选择合适的起爆方式:在选择起爆方式时,考虑采用分段起爆、延时起爆等技术,以控制爆破能量的释放时间和路径。通过合理的爆破序列,将振动能量分散和减弱,降低振动的传播强度。

4)合理的爆破时间与频率:制定明确的爆破时间表,并在规定时段内进行爆破,避免在敏感时段(如夜间或休息日)进行。此外,控制爆破频率,避免过于密集的爆破活动,以减少持续性振动对周边环境的干扰。

5)周边建筑物保护:针对周边建筑物,进行详细的结构评估,确定是否需要临时性或永久性的保护措施。对于高风险区域,可以加固墙体、窗户等,或采用振动吸收材料,以防止振动损害和破坏。

6)结构优化设计:在新建结构或改造项目中,可以根据不同荷载条件和振动特性,优化设计楼层的布局和结构参数,以降低振动响应并提高结构的稳定性。

3 结论

1)爆破地震波在砌体结构各楼层内传播过程中,遵循由近爆源区域向远爆源区域传递的规律,且同一时刻近爆源合振速峰值集中区域明显大于远爆源合振速峰值集中区域。因此,在进行建筑安全防护和爆破振动监测时,应将重点放在近爆源区域的墙砌体和构造柱等位置。2)在不同药距比系数条件下,建筑物在顶层呈现绝对降低和相对放大两种现象。当药距比系数为1.19时,合振速峰值在顶层呈现绝对降低现象;药距比系数为3.23,14.97,32.26时,合振速峰值在顶层呈现相对放大现象。