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摘要：某隧道爆破開挖工程采用臺階法爆破施工，基于現場掌子面炮孔布設，在ＬＳ－ＤＹＮＡ中建立了掌子面精細化模型，并通過在掌子面布設多排、多孔徑減振孔對減振孔的振動控制效果進行研究，在此基礎上，通過研究損傷因子云圖，對最優減振孔布設方案的破巖效果進行了評價。研究表明采用２排１５ｃｍ孔徑的減振孔布設方案可在保證減振效果的基礎上兼顧破巖效果。

關鍵詞：爆破施工；掌子面；減振孔；損傷因子；破巖效果

１概述

由于爆破法所具有的高效性，在隧道開挖與建筑物拆除作業中被廣泛的應用。但爆破作業容易對周圍建筑物造成振動影響，爆破振動引起的施工事故不在少數［１－２］。因此，在爆破施工順利進行的基礎上，如何控制爆破振動水平，逐漸成為施工安全的一大難題。其中，布設減振孔的振動控制方式具有施工難度低、減振效果好的優點，因此被大量運用于實際工程中。已有學者對核電廠爆破工程中的減振孔減振效果進行了研究［３－６］，并給出了減振孔布設的參數建議。王劍武［７］基于洛三高速某橋墩的爆破工程，對減振孔的炮眼排距和間距參數進行了研究，通過現場爆破效果發現，適當減振孔孔深能獲得良好的減振效果。王洪強等［８］基于ＬＮＧ碼頭的水下爆破工程，利用減振孔和改變裝藥方式等措施，有效降低了水下爆破作業的振動水平。針對混凝土建筑物、核電廠等工況下的減振孔減振效果研究已有較多，但極少有針對隧洞爆破開挖引起路塹高邊坡振動的研究報道。且現有時域最值分析無法獲得振動信號的頻帶能量集中情況。在減振孔布設方式的研究方面，李曉杰等［９］在爆破工程中布設了開挖超深的減振孔，運用該方案可使振動能量衰減５０％～７５％。樊培山［１０］和陳志剛等［１１］均使用了布設密集減振孔的方式對核電站和城市深基坑的爆破振動進行控制，并取得了良好的振動控制效果。邱進芬等［１２］和夏祥等［１３］通過改變減振孔孔徑和孔距等參數分別使振速衰減了１５％和４５％。綜上所述，減振孔對振速峰值的衰減研究已取得了較多成果，但現有減振孔減振研究大多側重于減振效果本身及環境振動控制效果，并未在此基礎上考慮破巖效果。本文基于實際爆破工程，利用ＬＳ－ＤＹＮＡ有限元軟件在炮孔周圍布設多排減振孔，對掌子面近區的振動能量進行衰減分析，最終得到在振動能量控制基礎上，兼顧破巖效果的減振孔布設方式，該減振孔布設方案可為爆破施工提供理論參考。

２工程概況

某在建高速公路左線為路塹、右線為隧洞。該工點隧洞長度１５４ｍ、最大埋深５５ｍ，采用鉆爆法由大里程往小里程方向單向開挖。隧洞采用臺階法進行爆破施工，掌子面寬度為６．１３ｍ，炮孔裝填藥卷直徑３２ｍｍ的２號巖石乳化炸藥。上臺階每米填裝３節（０．９ｋｇ）炸藥，下臺階每米填裝２節（０．６ｋｇ）炸藥，裝藥長度１ｍ～５ｍ，采用毫秒微差起爆方式。由于掌子面已接近洞口Ｖ類圍巖，巖體較為破碎，所以各回次總裝藥量控制在２５ｋｇ～５０ｋｇ，各回次爆破進尺０．５ｍ～１．５ｍ。上下臺階炮孔布置情況見圖１，相關爆破參數匯總于表１。

３ＬＳ?ＤＹＮＡ掌子面精細化模型

３．１模型介紹

基于現場掌子面的炮孔布設（見圖１），掌子面精細化模型尺寸設置為１２．５ｍ×５．５ｍ（長×寬），藥卷直徑為３２ｍｍ。模型采用共節點爆破方式和Ｌａｇｒａｎｇｅ算法，該算法將網格和計算結構結合為一體，有限元網格點即為物質點。采用這種算法時，分析結構形狀的變化與有限元網格的變化是一致的，物體不會在單元與單元之間運動。該算法能精確地描述結構的運動過程，利于我們在后期能查看到更精確的損傷因子云圖。

３．２材料參數

為了直觀模擬炸藥引爆形成的爆轟力致使炮孔周圍巖石破碎的效果，在本模型中，掌子面巖體材料選用ＭＡＴ＿ＪＯＨＮＳＯＮ＿ＨＯＬＭＱＵＩＳＴ＿ＣＯＮＣＲＥＴＥ即ＪＨＣ破壞損傷模型。炸藥材料選擇ＭＡＴ＿ＨＩＧＨ＿ＥＸＰＬＯＳＩＶＥ＿ＢＵＲＮ，該材料可用于模擬高爆炸藥。與之匹配的，本模型選用ＥＯＳ＿ＪＷＬ作為炸藥爆炸的狀態方程，公式如下：Ｐ＝Ａ１－ωＲ１Ｖ?è???÷ｅ－Ｒ１Ｖ＋Ｂ１－ωＲ２Ｖ?è???÷ｅ－Ｒ２Ｖ＋ωＥ０Ｖ（１）其中，Ｐ為爆轟產物壓力；Ｖ為相對體積；Ｅ０為單位體積炸藥的初始內能；Ａ，Ｂ，Ｒ１，Ｒ２，ω均為無量綱系數。根據現場炸藥選用情況，最終確定炸藥模型參數見表２。當炸藥設置完畢后，在ＬＳ?ＤＹＮＡ的Ｋ文件中通過?ＩＮＩＴＩＡＬ＿ＤＥＴＯＮＡＴＩＯＮ命令可指定各個炮孔的起爆時間，從而準確模擬實際工程中毫秒微差爆破的起爆方式。ＬＳ?ＤＹＮＡ為用戶提供了多種可用力學邊界如固定邊界等，同時也可選擇人工邊界，如無反射邊界（黏性邊界）等。若將模型邊界條件設定為固定邊界，當應力波傳播到模型邊界時將會出現反射，造成反射波與入射波的疊加，這種現象與實際情況不符，故通過Ｋ文件的?ＢＯＵＮＤＡＲＹ＿ＮＯＮ＿ＲＥＦＬＥＣＴＩＮＧ＿２Ｄ命令，將四周邊界設置為無反射邊界（黏性邊界）以防止應力波的反射（見圖２）。

３．３減振孔布設方案

本工況炮孔排列較為緊密，為了分析減振孔參數對減振效果的影響，因此在右側炮孔區左側布設３排減振孔，每排為６個，當減振孔生效時，將孔內單元材料設置為空氣，反之設置為ＪＨＣ損傷模型材料，從而可研究減振孔排數對減振效果的影響。在控制減振孔排數不變的基礎上，本模型設置了３ｃｍ，５ｃｍ，１０ｃｍ和１５ｃｍ四種減振孔直徑，同排減振孔間的間距為５５ｃｍ，不同排減振孔的排距為３５ｃｍ，進而可研究減振孔直徑對減振效果的影響。圖３為布設１５ｃｍ減振孔時的掌子面模型。

３．４減振效果分析

３．４．１時域分析。峰值振速是評價爆破振動控制效果良好與否的一個重要指標，基于上述模型的計算結果，分別對不同參數下減振孔的ｘ，ｙ方向峰值振速進行對比，同時為了方便對減振效果進行比較，提出減振比例Ｐ為：Ｐ＝（Ｖ０－Ｖｉ）／Ｖ０（２）其中，Ｖ０為不布設減振孔時的峰值振速；Ｖｉ為布設ｉ排減振孔時的峰值振速。ｘ和ｙ方向的峰值振速數據匯總于圖４和圖５。從圖中可知，當減振孔直徑不變時，隨著減振孔數量的增加，減振效果也越明顯。同時，３ｍｍ與５ｍｍ減振孔減振效果始終較差，而當布設３排１５ｍｍ直徑的減振孔時，ｘ方向達到最佳減振效果，減振比例為０．０６。與之相似的，減振孔對ｙ方向峰值振速也有類似的減振效果，當布設３排１５ｍｍ直徑的減振孔時達到最大減振比例０．２４。比較圖４，圖５的減振效果可知，減振孔對ｙ方向峰值振速衰減效果較ｘ方向更為明顯。３．４．２頻域分析。現有時域最值分析無法獲得振動信號的頻帶能量集中情況，而均方根值能表征振動能量大小［１４］，相比于振速最值分析而言，更能揭示振動信號的內涵。基于數值模擬所得的振速時域數據，進行１／３倍頻程分析可得到各頻段的振速均方根值，為了方便比較減振效果，提出減振百分比Ｑ為：Ｑ＝Ｖ′－Ｖｉ′Ｖ０′×１００％（３）其中，Ｖ０′為該頻段未設減振孔時的振速均方根值；Ｖｉ′為該頻段布設ｉ排減振孔時的振速均方根值。從圖６中可直觀的觀察比較各頻段振動能量的分布情況。比較圖中各直徑減振孔的能量衰減情況可知，３ｍｍ和５ｍｍ直徑的減振孔對能量的衰減效果較差，最大僅達到３．６８％，在該直徑下，增加減振孔排數對各頻段的能量衰減效果影響不大。對于１０ｍｍ和１５ｍｍ直徑的減振孔，其能量衰減效果較為明顯，最大減振百分比分別能達到６．６％和１２％。同時，增加減振孔排水對各頻段的能量衰減效果明顯。史秀志［１５］通過研究發現，爆破振動能量大部分集中在２５Ｈｚ以下的低頻率范圍，表明低頻爆破振動對巖石介質影響很大。因此應著重比較減振孔對２５Ｈｚ以下能量的衰減效果，將四種減振孔直徑下的倍頻程結果匯總于圖７。從圖中可知，布設１５ｍｍ直徑的減振孔２排或３排的情況下，兩者對２５Ｈｚ以下振動能量的衰減效果基本相同，考慮到在工程應用的經濟實用性，本研究建議布設２排１５ｍｍ孔徑的減振孔能達到最高性價比的環境振動效果。３．４．３破巖效果分析。從上述研究可知，布設２排１５ｍｍ孔徑的減振孔能達到最高性價比的環境振動效果。但是實際爆破工程中，在達到爆破振動環境控制的同時需要保證掌子面的破巖效果。因此，需要對該減振孔組合下的破巖效果進行評估。ＪＨＣ損傷本構模型自帶的損傷因子能較好的反映巖石的失效狀態。將損傷因子云圖的顯示上限設為０．３，進而可從云圖中直觀的看到掌子面的裂縫分布范圍。圖８，圖９分別為未布設減振孔和布設２排１５ｍｍ孔徑減振孔的損傷因子云圖。比較兩者損傷因子云圖可知，與未布設減振孔的云圖相比，布設該組合方式的減振孔僅在右側炮孔區左上部分相對減少了巖石裂縫的發展，并未影響到炮孔核心區的破巖效果。現場使用的炮孔布設方式并不能使掌子面所有巖體破碎，未布設炮孔的區域（兩炮孔區中間的區域）需要挖掘機進場工作輔助破巖，因此為了比較有效的損傷因子時程曲線變化，將觀測點選為第三排減振孔左側近點。從圖１０的損傷因子時程曲線可知，第一段炸藥并未使該測點位置的巖體出現裂紋，當第３段炸藥引爆（１１ｍｓ）時，兩種情況下的損傷因子均急速上升并達到最高點，分別為０．０５和０．０１。然而，兩者的損傷因子仍未達到裂縫發育標準（損傷因子達到０．３），雖然損傷因子差異達到５倍，但是對減振孔左側區的破巖效果影響很小，此現象也與上述工程需要挖掘機輔助破巖相符。通過本節對損傷因子云圖與其時程曲線的對比分析可知，采用該組合的減振孔布設方式能在有效控制掌子面近區環境振動的基礎上保證破巖效果。

４結論

本文通過有限元大變形分析軟件ＬＳ－ＤＹＮＡ對掌子面減振孔的布置進行了數值模擬，彌補了現場實測較難完成的分析。模型對多種減振孔參數的組合布設方式進行時域和頻域的對比量化分析，并獲得以下結論：１）使用ＪＨＣ損傷模型能較好的模擬掌子面巖體，模型自帶的損傷因子可作為巖體的破壞指標。２）隨著減振孔排數和直徑的增大，其對掌子面峰值振速的衰減效果越來越好，在布設３排１５ｍｍ直徑的減振孔時減振比例達到最大的０．２４和０．０６（ｙ方向和ｘ方向）。３）從１／３倍頻程的能量集中帶衰減情況和損傷因子云圖分析可知，布設２排１５ｍｍ的減振孔能達到最高性價比的減震效果，并能兼顧掌子面的破巖效果。

作者:呂江 趙暉 姚康 史吏 單位:杭州交通投資建設管理集團有限公司 浙江工業大學