减振孔下爆破振动主动控制探究

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摘要：某隧道爆破开挖工程采用台阶法爆破施工，基于现场掌子面炮孔布设，在ＬＳ－ＤＹＮＡ中建立了掌子面精细化模型，并通过在掌子面布设多排、多孔径减振孔对减振孔的振动控制效果进行研究，在此基础上，通过研究损伤因子云图，对最优减振孔布设方案的破岩效果进行了评价。研究表明采用２排１５ｃｍ孔径的减振孔布设方案可在保证减振效果的基础上兼顾破岩效果。

关键词：爆破施工；掌子面；减振孔；损伤因子；破岩效果

１概述

由于爆破法所具有的高效性，在隧道开挖与建筑物拆除作业中被广泛的应用。但爆破作业容易对周围建筑物造成振动影响，爆破振动引起的施工事故不在少数［１－２］。因此，在爆破施工顺利进行的基础上，如何控制爆破振动水平，逐渐成为施工安全的一大难题。其中，布设减振孔的振动控制方式具有施工难度低、减振效果好的优点，因此被大量运用于实际工程中。已有学者对核电厂爆破工程中的减振孔减振效果进行了研究［３－６］，并给出了减振孔布设的参数建议。王剑武［７］基于洛三高速某桥墩的爆破工程，对减振孔的炮眼排距和间距参数进行了研究，通过现场爆破效果发现，适当减振孔孔深能获得良好的减振效果。王洪强等［８］基于ＬＮＧ码头的水下爆破工程，利用减振孔和改变装药方式等措施，有效降低了水下爆破作业的振动水平。针对混凝土建筑物、核电厂等工况下的减振孔减振效果研究已有较多，但极少有针对隧洞爆破开挖引起路堑高边坡振动的研究报道。且现有时域最值分析无法获得振动信号的频带能量集中情况。在减振孔布设方式的研究方面，李晓杰等［９］在爆破工程中布设了开挖超深的减振孔，运用该方案可使振动能量衰减５０％～７５％。樊培山［１０］和陈志刚等［１１］均使用了布设密集减振孔的方式对核电站和城市深基坑的爆破振动进行控制，并取得了良好的振动控制效果。邱进芬等［１２］和夏祥等［１３］通过改变减振孔孔径和孔距等参数分别使振速衰减了１５％和４５％。综上所述，减振孔对振速峰值的衰减研究已取得了较多成果，但现有减振孔减振研究大多侧重于减振效果本身及环境振动控制效果，并未在此基础上考虑破岩效果。本文基于实际爆破工程，利用ＬＳ－ＤＹＮＡ有限元软件在炮孔周围布设多排减振孔，对掌子面近区的振动能量进行衰减分析，最终得到在振动能量控制基础上，兼顾破岩效果的减振孔布设方式，该减振孔布设方案可为爆破施工提供理论参考。

２工程概况

某在建高速公路左线为路堑、右线为隧洞。该工点隧洞长度１５４ｍ、最大埋深５５ｍ，采用钻爆法由大里程往小里程方向单向开挖。隧洞采用台阶法进行爆破施工，掌子面宽度为６．１３ｍ，炮孔装填药卷直径３２ｍｍ的２号岩石乳化炸药。上台阶每米填装３节（０．９ｋｇ）炸药，下台阶每米填装２节（０．６ｋｇ）炸药，装药长度１ｍ～５ｍ，采用毫秒微差起爆方式。由于掌子面已接近洞口Ｖ类围岩，岩体较为破碎，所以各回次总装药量控制在２５ｋｇ～５０ｋｇ，各回次爆破进尺０．５ｍ～１．５ｍ。上下台阶炮孔布置情况见图１，相关爆破参数汇总于表１。

３ＬＳ⁃ＤＹＮＡ掌子面精细化模型

３．１模型介绍

基于现场掌子面的炮孔布设（见图１），掌子面精细化模型尺寸设置为１２．５ｍ×５．５ｍ（长×宽），药卷直径为３２ｍｍ。模型采用共节点爆破方式和Ｌａｇｒａｎｇｅ算法，该算法将网格和计算结构结合为一体，有限元网格点即为物质点。采用这种算法时，分析结构形状的变化与有限元网格的变化是一致的，物体不会在单元与单元之间运动。该算法能精确地描述结构的运动过程，利于我们在后期能查看到更精确的损伤因子云图。

３．２材料参数

为了直观模拟炸药引爆形成的爆轰力致使炮孔周围岩石破碎的效果，在本模型中，掌子面岩体材料选用ＭＡＴ＿ＪＯＨＮＳＯＮ＿ＨＯＬＭＱＵＩＳＴ＿ＣＯＮＣＲＥＴＥ即ＪＨＣ破坏损伤模型。炸药材料选择ＭＡＴ＿ＨＩＧＨ＿ＥＸＰＬＯＳＩＶＥ＿ＢＵＲＮ，该材料可用于模拟高爆炸药。与之匹配的，本模型选用ＥＯＳ＿ＪＷＬ作为炸药爆炸的状态方程，公式如下：Ｐ＝Ａ１－ωＲ１Ｖæèçöø÷ｅ－Ｒ１Ｖ＋Ｂ１－ωＲ２Ｖæèçöø÷ｅ－Ｒ２Ｖ＋ωＥ０Ｖ（１）其中，Ｐ为爆轰产物压力；Ｖ为相对体积；Ｅ０为单位体积炸药的初始内能；Ａ，Ｂ，Ｒ１，Ｒ２，ω均为无量纲系数。根据现场炸药选用情况，最终确定炸药模型参数见表２。当炸药设置完毕后，在ＬＳ⁃ＤＹＮＡ的Ｋ文件中通过∗ＩＮＩＴＩＡＬ＿ＤＥＴＯＮＡＴＩＯＮ命令可指定各个炮孔的起爆时间，从而准确模拟实际工程中毫秒微差爆破的起爆方式。ＬＳ⁃ＤＹＮＡ为用户提供了多种可用力学边界如固定边界等，同时也可选择人工边界，如无反射边界（黏性边界）等。若将模型边界条件设定为固定边界，当应力波传播到模型边界时将会出现反射，造成反射波与入射波的叠加，这种现象与实际情况不符，故通过Ｋ文件的∗ＢＯＵＮＤＡＲＹ＿ＮＯＮ＿ＲＥＦＬＥＣＴＩＮＧ＿２Ｄ命令，将四周边界设置为无反射边界（黏性边界）以防止应力波的反射（见图２）。

３．３减振孔布设方案

本工况炮孔排列较为紧密，为了分析减振孔参数对减振效果的影响，因此在右侧炮孔区左侧布设３排减振孔，每排为６个，当减振孔生效时，将孔内单元材料设置为空气，反之设置为ＪＨＣ损伤模型材料，从而可研究减振孔排数对减振效果的影响。在控制减振孔排数不变的基础上，本模型设置了３ｃｍ，５ｃｍ，１０ｃｍ和１５ｃｍ四种减振孔直径，同排减振孔间的间距为５５ｃｍ，不同排减振孔的排距为３５ｃｍ，进而可研究减振孔直径对减振效果的影响。图３为布设１５ｃｍ减振孔时的掌子面模型。

３．４减振效果分析

３．４．１时域分析。峰值振速是评价爆破振动控制效果良好与否的一个重要指标，基于上述模型的计算结果，分别对不同参数下减振孔的ｘ，ｙ方向峰值振速进行对比，同时为了方便对减振效果进行比较，提出减振比例Ｐ为：Ｐ＝（Ｖ０－Ｖｉ）／Ｖ０（２）其中，Ｖ０为不布设减振孔时的峰值振速；Ｖｉ为布设ｉ排减振孔时的峰值振速。ｘ和ｙ方向的峰值振速数据汇总于图４和图５。从图中可知，当减振孔直径不变时，随着减振孔数量的增加，减振效果也越明显。同时，３ｍｍ与５ｍｍ减振孔减振效果始终较差，而当布设３排１５ｍｍ直径的减振孔时，ｘ方向达到最佳减振效果，减振比例为０．０６。与之相似的，减振孔对ｙ方向峰值振速也有类似的减振效果，当布设３排１５ｍｍ直径的减振孔时达到最大减振比例０．２４。比较图４，图５的减振效果可知，减振孔对ｙ方向峰值振速衰减效果较ｘ方向更为明显。３．４．２频域分析。现有时域最值分析无法获得振动信号的频带能量集中情况，而均方根值能表征振动能量大小［１４］，相比于振速最值分析而言，更能揭示振动信号的内涵。基于数值模拟所得的振速时域数据，进行１／３倍频程分析可得到各频段的振速均方根值，为了方便比较减振效果，提出减振百分比Ｑ为：Ｑ＝Ｖ′－Ｖｉ′Ｖ０′×１００％（３）其中，Ｖ０′为该频段未设减振孔时的振速均方根值；Ｖｉ′为该频段布设ｉ排减振孔时的振速均方根值。从图６中可直观的观察比较各频段振动能量的分布情况。比较图中各直径减振孔的能量衰减情况可知，３ｍｍ和５ｍｍ直径的减振孔对能量的衰减效果较差，最大仅达到３．６８％，在该直径下，增加减振孔排数对各频段的能量衰减效果影响不大。对于１０ｍｍ和１５ｍｍ直径的减振孔，其能量衰减效果较为明显，最大减振百分比分别能达到６．６％和１２％。同时，增加减振孔排水对各频段的能量衰减效果明显。史秀志［１５］通过研究发现，爆破振动能量大部分集中在２５Ｈｚ以下的低频率范围，表明低频爆破振动对岩石介质影响很大。因此应着重比较减振孔对２５Ｈｚ以下能量的衰减效果，将四种减振孔直径下的倍频程结果汇总于图７。从图中可知，布设１５ｍｍ直径的减振孔２排或３排的情况下，两者对２５Ｈｚ以下振动能量的衰减效果基本相同，考虑到在工程应用的经济实用性，本研究建议布设２排１５ｍｍ孔径的减振孔能达到最高性价比的环境振动效果。３．４．３破岩效果分析。从上述研究可知，布设２排１５ｍｍ孔径的减振孔能达到最高性价比的环境振动效果。但是实际爆破工程中，在达到爆破振动环境控制的同时需要保证掌子面的破岩效果。因此，需要对该减振孔组合下的破岩效果进行评估。ＪＨＣ损伤本构模型自带的损伤因子能较好的反映岩石的失效状态。将损伤因子云图的显示上限设为０．３，进而可从云图中直观的看到掌子面的裂缝分布范围。图８，图９分别为未布设减振孔和布设２排１５ｍｍ孔径减振孔的损伤因子云图。比较两者损伤因子云图可知，与未布设减振孔的云图相比，布设该组合方式的减振孔仅在右侧炮孔区左上部分相对减少了岩石裂缝的发展，并未影响到炮孔核心区的破岩效果。现场使用的炮孔布设方式并不能使掌子面所有岩体破碎，未布设炮孔的区域（两炮孔区中间的区域）需要挖掘机进场工作辅助破岩，因此为了比较有效的损伤因子时程曲线变化，将观测点选为第三排减振孔左侧近点。从图１０的损伤因子时程曲线可知，第一段炸药并未使该测点位置的岩体出现裂纹，当第３段炸药引爆（１１ｍｓ）时，两种情况下的损伤因子均急速上升并达到最高点，分别为０．０５和０．０１。然而，两者的损伤因子仍未达到裂缝发育标准（损伤因子达到０．３），虽然损伤因子差异达到５倍，但是对减振孔左侧区的破岩效果影响很小，此现象也与上述工程需要挖掘机辅助破岩相符。通过本节对损伤因子云图与其时程曲线的对比分析可知，采用该组合的减振孔布设方式能在有效控制掌子面近区环境振动的基础上保证破岩效果。

４结论

本文通过有限元大变形分析软件ＬＳ－ＤＹＮＡ对掌子面减振孔的布置进行了数值模拟，弥补了现场实测较难完成的分析。模型对多种减振孔参数的组合布设方式进行时域和频域的对比量化分析，并获得以下结论：１）使用ＪＨＣ损伤模型能较好的模拟掌子面岩体，模型自带的损伤因子可作为岩体的破坏指标。２）随着减振孔排数和直径的增大，其对掌子面峰值振速的衰减效果越来越好，在布设３排１５ｍｍ直径的减振孔时减振比例达到最大的０．２４和０．０６（ｙ方向和ｘ方向）。３）从１／３倍频程的能量集中带衰减情况和损伤因子云图分析可知，布设２排１５ｍｍ的减振孔能达到最高性价比的减震效果，并能兼顾掌子面的破岩效果。

作者:吕江 赵晖 姚康 史吏 单位:杭州交通投资建设管理集团有限公司 浙江工业大学