水工隧洞矿山法爆破参数设计及对临近隧洞的影响

杨 东,符 龙,方 超

(云南省滇中引水工程有限公司,昆明 650000)

0 引 言

传统矿山法施工因其技术成熟,在水工隧洞工程的施工中得到广泛采用。根据勘察设计和计划发挥的作用,水工隧洞通常采用双洞设计,在确定好施工位置后,一般采用一前一后的施工方式;后续施工的隧洞,采用矿山法进行钻爆施工过程中,由于爆破振动,在不同程度上对已施工隧洞产生影响。因此,对施工参数效果评估和影响研究具有重要意义。

为此,许多学者进行了相关研究。林大超等[1-2]基于对爆炸波在空气中传播的方式以及对空气产生的压缩波,改进了爆炸时爆炸波在传播的超压函数,提出了新的超压函数修正计算公式。杨军等[3-4]采用高速摄影手段,对爆破过程中岩土中的裂纹分布进行了试验研究,结果表明,采用柱状装药爆破,在爆破时,岩体中的裂纹将随时间而不断延展,呈现出规律性变化特征。卢文波等[5-6]对爆破后布置炮孔位置处径向裂纹尖端的应力集中效应进行了定量评估和计算,对爆破裂纹的扩展阶段进行了划分,结果表明,爆破后径向裂纹扩展主要分为两个阶段,即稳定阶段和间断扩展阶段。

上述文献主要针对在爆破时,孔径大小和孔内应力集中现象和裂纹扩展情况进行了研究,并得出相应规律,而较少采用数值模拟软件,研究双洞隧道施工中爆破对另一隧洞的影响。因此,本文利用ANSYS/LS-DYNA软件,构建模型,通过设计不同的装药量,研究爆破振动对已建水工隧洞的安全性影响。

1 几何模型

本文以双洞设计形式的水工隧洞矿山法施工为研究背景,隧洞的几何外部边界尺寸为43.1m×6m×20.5m,隧道拱顶距离上边界为5m,隧道拱底距离下边界为5m,左侧待建水工隧道的左边界距离模型左边界为5m,右侧已建水工隧道的右边界距离模型的右边界为5m。双洞均设计为拱门形状,左右两侧隧道尺寸一致,洞宽8m,高9.9m,衬砌厚度0.3m,左右两侧隧道间隔15.9m进行施工,左侧待建隧道掘进1m。整体隧洞几何尺寸见图1;岩体的物理力学参数见表1。

表1 岩体的物理力学参数

图1 几何模型尺寸

2 数值模型建立

采用非线性动力学分析软件ANSYSLS-DYNA求解器,进行求解分析。首先,在具有良好衔接功能的proe软件中,根据图1几何模型,建立用于计算双洞设计的水工隧洞几何模型。然后,将建好的几何模型通过导入的方法在hypermesh14.0中打开,在hypermesh14.0软件中对已经建好的几何模型进行网格划分,模型见图2。最后,将模型导出成K形式的文件格式,以便与ANSYSLS-DYNA求解器软件能够良好兼容,再采用该软件对模型进行求解,利用软件中内嵌的LSPREPOST模块进行结果输出和处理[7]。

图2 分析模型图

3 计算结果分析

3.1 0.5ms应力

为了研究在设计单孔装药量2.8kg下爆破后的应力传播过程,分别对不同峰值时刻的应力云图进行绘制并导出,得到爆破后0.5ms时刻的应力云图,见图3。

图3 0.5ms应力云图

由图3可知,在单孔装药爆破后,圆柱形炸药以近似圆柱状向四周扩散,由图3中红色区域可知,此时的大应力影响范围较小,仅限于圆柱形炸药孔周围区域,这种显著的瞬时应力集中效应,会造成振动波沿围岩体的快速传播和波速的急剧上升,后续振动波速随着时间的变化曲线可以得到印证。由应力云图的整体轮廓大小可知,此时的爆炸整体影响范围也局限于爆炸孔周围部分,爆炸产生的能量在爆破孔周围区域迅速产生应力集中效应,在0～0.5ms时间段内围岩的应力来不及消散,处于能量积聚、应力累积阶段。

3.2 8.5ms应力

为了研究在设计单孔装药量2.8kg下爆破后的应力传播过程,分别对不同峰值时刻的应力云图进行绘制并导出,得到爆破后8.5ms时刻的应力云图,见图4。

图4 8.5ms应力云图

由图4可知,在单孔装药爆破后,圆柱形炸药在0～0.5ms时间段内以近似圆柱状向四周扩散,在0.5～8.5ms时间段内以近似圆形向四周扩散。由图4中红色区域可知,此时的大应力影响范围较0.5ms时刻增大,这一阶段属于应力急剧消散阶段,此刻传播出的振动波沿围岩体向周围的传播速度有所下降,最大波速急剧减小,同样可以从后续振动波速随着时间的变化曲线得到印证。由应力云图的整体轮廓大小可知,此时的爆炸整体影响范围显著增大,爆炸产生的能量在爆破孔周围区域迅速消散,处于能量消散、应力衰减阶段。

3.3 59.5ms应力

为了研究在设计单孔装药量2.8kg下爆破后的应力传播过程,分别对不同峰值时刻的应力云图进行绘制并导出,得到爆破后59.5ms时刻的应力云图,见图5。

图5 59.5ms应力云图

由图5可知,在8.5～59.5ms时间段内应力消散范围不再显著增大,基本以8.5ms时的外部轮廓为准。由图5中红色区域可知,此时的大应力影响范围与8.5ms时刻相当,在经过0.5～8.5ms的应力急剧消散阶段后,这一阶段应力消散已十分有限,属于应力残余消散阶段,此刻传播出的振动波沿围岩体向周围的传播速度显著减小,最大波速将远小于8.5ms时刻,同样可以从后续振动波速随着时间的变化曲线得到印证。

3.4 振动速度时程变化

为了研究在设计单孔装药量2.8kg下爆破后的应力传播过程,绘制爆破后图2中A、B、C、D、E监测点的振动速度随着时间的变化曲线图,见图6。

图6 振动速度时程曲线图

图6为5个监测点的最大振动速度随着时间的变化曲线图。由图6可知,距离爆孔不同距离的监测点最大振动速度均表现为随着时间呈指数形式弱化的趋势,波长和振幅随时间均显著减小。在0.5ms时刻, 5个监测点的振动速度均为最大;在8.5ms时,各监测点的速度峰值明显减小,显著小于0.5ms的初值最大振动速度;当达到40ms时,振动速度基本可以忽略。由此可知,在初始时刻时,爆炸产生的应力波急剧扩散,迅速衰减。

3.5 各监测点最大振动速度

为了研究在设计单孔装药量2.8kg下爆破后的应力传播过程,提取A、B、C、D、E监测点的振动速度峰值,并将各监测点处监测到的最大振动速度峰值进行统计,见表2。

表2 各监测点的最大振动速度值

由表2可知,随着距离爆孔越远,最大振动速度越小,当距离相差6m时,最大振动速度差值为3.35m/s,其差值大于E点的最大振动速度3.31m/s。可见,距离爆心的长度大小对最大振动速度具有显著影响,设计时应考虑设计合理的隧洞间距离,使经济效益和安全影响的综合影响达到最优化。由表2还可以看出,尽管各监测点距离爆炸中心的距离间隔均为1.5m,但振动速度的差值并不均匀。因此,在不同距离上,最大振动速度的衰减速率各异,这也为双洞隧洞间距的选择提供了有效参考。

3.6 峰值速度变化曲线

为了研究在设计单孔装药量2.8kg下爆破后的应力传播过程,根据表2数据绘制最大振动速度随爆心距的变化曲线图,见图7。

图7 峰值速度随爆心距的变化曲线图

图7为5个不同爆心距监测点的最大振动速度随着距离爆炸中心的长度变化曲线。由图7可知,最大振动速度总体随着爆心距的增大而不断减小,当9.6m爆心距增大至11.1m爆心距时,最大振动速度由6.46cm/s减小至5.01cm/s,共计减小1.45cm/s,减小速率为0.97cm/s/m;当爆心距由11.1m增大至12.6m时,速度仅减小0.11cm/s,减小速率为0.07cm/s/m,远小于第一次增大爆心距时的速率。因此,再次得出在不同距离上最大振动速度的衰减速率各异的结论,为双洞设计的水工隧洞最优化间距设计和选择提供了定量依据。

4 结 论

本文以采用双洞设计形式的水工隧洞矿山法施工为研究背景,进行了数值模拟,结论如下:

1)爆炸能在围岩体内的传播经历了0～0.5ms的能量积聚、应力急剧累积阶段,0.5～8.5ms的能量迅速传播释放、应力快速衰减阶段,以及8.5～59.5ms的残余能量缓慢释放、应力残余消散阶段。

2)爆孔距监测点的最大振动速度均表现为随时间呈指数形式弱化的趋势,0.5ms时刻振动速度最大,8.5ms时速度峰值明显减小,达到59.5ms时振动速度几乎为零,表明初始时段爆炸产生的应力波急剧扩散。

3)最大振动速度总体上随着爆心距的增大而减小,减小速率在某一爆心距区间内存在极值。本文模型中区间为9.6～11.1m,可为双洞设计的水工隧洞最优化间距设计提供定量依据。