后云台山隧道入口段爆破施工环境效应分析

江苏省交通规划设计院有限公司后云台山隧道入口段爆破施工环境效应分析1.1工程概况后云台山隧道采用光面爆破开挖，爆破施工会对周围环境产生较大的影响，因此有必要对其进行计算分析，以确定爆破施工的环境效应影响，并确定相关的控制和保护措施。1.2计算模型的建立根据后云台山隧道地质剖面图，截取一定范围纵向200m，横向90m，高度模拟一定坡度建立如图3-1所示计算模型图。模型共划分单元88910个。其中对已经施工完成的结构用板单元模拟，定义成弹性材料属性。围岩采用实体单元建模，并且定义材料属性为摩尔-库仑。边界采用曲面弹簧单元模拟。计算采用MIDAS/GTS有限元分析软件进行。图3-1三维爆破分析计算模型对于爆破振动引起的冲击荷载，采用时程函数来模拟，并转化成作用在孔壁上的压力，图3-2给出了计算过程中施加在爆破面上的面压力。它是一个时程函数。模型模拟情况为：假设沿隧道开挖方向施工完成了6m和30m，并在此开挖面上钻孔施爆。分析此处爆炸荷载作用下对地表及地面建筑物的影响。评价指标主要选取各测点速度是否满足爆破安全规程。采用有限元法分析爆破震动影响的关键工作是建立爆破加载模型，包括确定爆破激振力的大小、作用位置和方向、峰值时刻和持续时间等方面的内容。本报告根据计算和爆破的实际情况，在不失一般性的条件下作了以下的假设：江苏省交通规划设计院有限公司（1）爆破荷载以压力形式的均布荷载作用在隧道壁上，方向垂直于洞壁。根据计算情况，输入爆破荷载曲线为脉冲形式。如图3-5所示。（2）为了解爆破振动波在岩体中的传播规律，取计算时间为1s。图3-2掏槽眼孔壁面上面压力示意图1.3特征值分析为了进行特征值分析通过弹性边界来定义支座的边界条件。计算通过曲面弹簧定义弹性边界，弹性系数根据道路设计规范的地基反力系数计算。竖直地基反力系数：43030vvvBkk(KN/m3)水平地基反力系数：43030hhhBkk(KN/m3)注：hhvvhvABABkEk,,301000模型各方向截面积、竖直及水平地基反力系数如表3-1所示：表3-1模型各方向截面积(m2)、竖直及水平地基反力系数(kN/m2)AxAyAz122674050/702118000kxkykz3959359967/4879134321特征值分析得到第1，2振型周期值：0.706693s，0.559445s。第1，2振型的位移图如图3-3和3-4所示。江苏省交通规划设计院有限公司图3-3第1振型位移图图3-4第2振型位移图1.4时程分析对于动力分析建立一般的边界条件会由于波的反射作用而产生很大的误差，因此我们采用1972年Lysmer和Wass提议的粘性边界(viscousBoundary)。为了定义粘性边界需要计算相应的土体x，y，z方向上的阻尼比。计算阻尼的公式如下：P波AcGAGACpp81.922S波AcGAGACss81.9注：211E，)1(2EG式中，为体积弹性系数(kN/m2)；G为剪切弹性系数(kN/m2)；E为弹性系数江苏省交通规划设计院有限公司(kN/m2)；为土体泊松比。A为截面积(m2)。表3-2计算给出了围岩的压缩波阻尼常数cρ(KN.Sec/m)、剪切波阻尼常cs(KN.Sec/m)值。表3-2阻尼常数(KN.Sec/m)cρcs1513514计算爆破荷载。对于一般的爆破弹性分析爆破压力都是作用在孔壁的垂直方向上，此时荷载用美国NationalHighwayInstitute里提及的公式。每1kg的爆破荷载如下：式中detP=爆破压力(kbar)；BP=孔壁面上的压力(kbar)；eV=爆破速度(ft/sec)；cd=火药直径(mm)；hd=孔眼直径(mm)；Sge=比重上式决定了爆破时发生的空气动压力的大小，实际上作用在孔壁上的动压力取随时间的变化状态。使用Statfield里提及的有关时程的动压力。式中B=16338是荷载常量,每1kg装药量的动压力。此工程计算的目的是查看爆破荷载作用下地表和房屋处的反应，由于逐个建立爆破孔单元比较困难，所以我们将爆破孔聚集到一处后，假定此压力同时作用在爆破的假想面上，爆破荷载时程如图3-5所示。图3-5爆破荷载时间历程曲线（横坐标：s；纵坐标：kN）1.5爆破振动速度安全标准爆破振动与天然地震相比，具有频率高的特点，因此把振动速度换算成加速SgeVSgePe8.011018.427det3det)(hcBddPP))2exp()2(exp(4)(BtBtPtPBD江苏省交通规划设计院有限公司度值时，会达到很大的数值，用振动加速度来推断结构物的受害限界显然是不可行的。因此，在爆破振动控制时，多以振动速度为基准。根据《爆破安全规程》(GB6722-86)规定，爆破震动安全允许标准交通隧道在10～20cm/s，即：0.1~0.2m/s。1.6主要计算结果当爆破位置在距隧道入口处30m位置处，不同时刻地层的位移等值线图如图3-6所示：0.01s0.02s江苏省交通规划设计院有限公司0.03s0.05s0.1s下面分析房屋甲、乙和丙的节点在不同时刻的速度时程曲线。当爆破荷载的位置距隧道入口30m时，房屋甲、乙和丙的最大速度时程曲线如图3-7、3-8和3-9所示。江苏省交通规划设计院有限公司图3-7房屋甲最大的速度时程曲线图3-8房屋乙最大的速度时程曲线图3-9房屋丙最大的速度时程曲线江苏省交通规划设计院有限公司由图3-7、3-8和3-9得出，房屋甲的最大速度响应为-0.0022m/s，房屋乙的最大速度响应为-0.035m/s，房屋丙的最大速度响应为-0.026m/s。爆破震动安全允许标准值为0.1~0.2m/s。若考虑2~3倍的安全系数，则认为房屋乙处于危险范围之内，应予以拆除；当然，当爆破位置在房屋甲正下方时，房屋甲的最大速度响应大于0.035m/s，也认为是不安全的。当爆破位置距隧道入口段30m时，此时爆破位置距房屋甲最短水平距离20m，距房屋丙最短水平距离约为12m，此时房屋丙的安全性不高，房屋甲的安全性较高，所以可以认为当房屋离爆破位置20m之外时，房屋是安全的；爆破位置两侧各20m房屋内的房屋应予以拆除。当爆破位置在距隧道入口处30m位置处，不同时刻房屋甲、乙、丙的位移等值线图如图3-10所示：0.01s0.02s江苏省交通规划设计院有限公司0.03s0.05s0.1s江苏省交通规划设计院有限公司1.0s当爆破位置在距隧道入口处30m位置处，房屋甲、乙、丙的最大剪应变图如图3-11所示。从图中看出，房屋甲的最大剪应变为0.003%，房屋乙的最大剪应变为0.013%，房屋丙的最大剪应变为0.01%，三个房屋的最大剪应变均在安全范围之内。图3-11房屋甲、乙、丙的最大剪应变图1.7结论爆破荷载分析结果表明：当房屋离爆破位置20m之外时，房屋是安全的；爆破位置两侧各20m房屋内的房屋应予以拆除。