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1工程介紹及施工方案

武漢市軌道交通二號(hào)線寶通寺車站位于武昌區(qū)武珞路地下，呈東西走向，車站總長(zhǎng)219．2m，寬18．5m，III號(hào)出入口在車站東北角，IV號(hào)出入口在車站西北角。兩個(gè)出入口過(guò)街段采用暗挖法爆破掘進(jìn)。根據(jù)暗挖段所處上軟下硬的地質(zhì)情況，每個(gè)導(dǎo)洞分上下兩個(gè)臺(tái)階掘進(jìn)。對(duì)于通道頂部的粉質(zhì)黏土，爆破前已人工掘進(jìn)，下臺(tái)階面則采用爆破掘進(jìn)。暗挖段上方有800混凝土排水管、800混凝土給水管和100供電電纜管等，主要分布在通道北側(cè)該工程采用2＃巖石乳化炸藥，孔深1．2m，當(dāng)斷面接近管道下方時(shí)，嚴(yán)格控制藥量，根據(jù)車站基坑開挖時(shí)的測(cè)振數(shù)據(jù)，通過(guò)薩氏公式反演得出每孔藥量不超過(guò)500g。由于爆破斷面相對(duì)較小，臺(tái)階高度較低，沒(méi)有采用在隧道掘進(jìn)中的掏槽爆破方式。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工情況，為了最大限度降低爆破振動(dòng)疊加對(duì)管線的影響，采用了單孔單段的松動(dòng)爆破方式。

2數(shù)值模擬

2．1巖石模型炸藥爆炸時(shí)近區(qū)巖石屈服破碎，應(yīng)變很大，應(yīng)變率效應(yīng)明顯，因此采用包含應(yīng)變率效應(yīng)的塑性硬化模型來(lái)模擬巖石是比較符合實(shí)際的。本文采用Cowper－Symonds模型，在屈服應(yīng)力中引進(jìn)應(yīng)變率因子1＋（ε•／C）1P，巖石屈服應(yīng)力σy與應(yīng)變率ε•的關(guān)系如下：σy＝1＋（ε•／C）1［］P（σ0＋βEPεeffP）（1）EP＝E0EtanE0－Etan（2）式中：σ0為巖石的初始屈服應(yīng)力，Pa；EP為巖石塑性硬化模量，Pa；Etan為切線模量，Pa；E0為楊氏模量，Pa；ε•為加載應(yīng)變率，s－1；C和P均為Cowper－Symonds應(yīng)變率參數(shù)，是由材料應(yīng)變率特性決定的常量，參照文獻(xiàn)［4］中的巖石應(yīng)力時(shí)程曲線和不同應(yīng)變率下的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系，根據(jù)式（1）和式（2）可計(jì)算得出C、P值；β為各向同性硬化和隨動(dòng)硬化的硬化參數(shù)，0≤β≤1；εeffP為巖石有效塑性應(yīng)變，按式（3）和式（4）定義：εeffP＝∫t0dεeffP（3）dεeffP＝槡23dεPij（4）式中：t為發(fā)生塑性應(yīng)變的累計(jì)時(shí)間，s；εPij為巖石塑性應(yīng)變偏量的分量。巖石的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度隨加載應(yīng)變率的提高而增大，一般可用式（5）表示巖石動(dòng)態(tài)與靜態(tài)抗壓強(qiáng)度的關(guān)系式中：σcd為巖石的單軸動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度，Pa；σc為巖石的單軸靜態(tài)抗壓強(qiáng)度，Pa。工程爆破中，巖石的加載應(yīng)變率ε•一般為1～105s－1，爆源附近應(yīng)變率較高，可取ε•＝102～104s－1。由于缺乏相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)和理論分析數(shù)據(jù)，巖石的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度可近似取為［7－8］：σtd＝σstε•13（6）式中：σtd為巖石的單軸動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度，Pa；σst為巖石的單軸靜態(tài)抗拉強(qiáng)度，Pa。

2．2狀態(tài)方程采用ANSYS／LS－DYNA進(jìn)行爆破模擬時(shí)，常用的方法有兩種：一是直接在模型中賦予炸藥單元屬性；二是將炸藥單元等效為爆炸應(yīng)力施加在巖石上。為了使模擬更接近實(shí)際情況，本文選用第一種方法。采用專用的炸藥JWL狀態(tài)方程模擬炸藥爆轟過(guò)程中壓力和比容的關(guān)系：P＝A1－ωR1（）Ve－R1V＋B1－ωR2（）Ve－R2V＋ωE0V（7）式中：P為爆炸產(chǎn)物壓力，GPa；A、B均為炸藥材料相關(guān)參數(shù)，GPa；R1、R2、ω均為炸藥材料常系數(shù)；V為相對(duì)體積；E0為初始化比內(nèi)能，GPa。2＃巖石乳化炸藥的密度為1310kg／m3，爆速為4000m／s，炸藥狀態(tài)方程的參數(shù)取值為：A＝214．4GPa，B＝0．182GPa，R1＝4．2，R2＝0．9，ω＝0．15，E0＝4．192GPa。

2．3數(shù)值計(jì)算模型根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)爆破施工參數(shù)建立相應(yīng)的數(shù)值計(jì)算模型，模型上表面為受控管道最低點(diǎn)所在平面，因此該平面上節(jié)點(diǎn)的振動(dòng)速度可等效為受控管道的振動(dòng)速度。根據(jù)問(wèn)題的對(duì)稱性，取幾何模型的1／2進(jìn)行有限元建模，對(duì)稱面上約束垂直向位移。除自由面外，其他表面采用無(wú)反射邊界條件以減小邊界應(yīng)力波反射的影響，模型計(jì)算采用La－grange法。為了減少建模和計(jì)算的復(fù)雜性，模型中簡(jiǎn)化為一個(gè)炮孔，整個(gè)建模過(guò)程采用m－kg－s單位制。同時(shí)，為了定量分析比較導(dǎo)洞開挖方式對(duì)受控管道的影響，本文還研究了沒(méi)有開挖上導(dǎo)洞的施工方式，即分別建立了有上導(dǎo)洞模型和無(wú)上導(dǎo)洞模型。

2．4計(jì)算結(jié)果及分析對(duì)受控管道最低點(diǎn)所在水平面（模型上表面）進(jìn)行振動(dòng)速度監(jiān)測(cè)，通過(guò)對(duì)比兩個(gè)模型中該水平面上所有節(jié)點(diǎn)速度的最大值來(lái)判斷兩種開挖方式對(duì)受控管道損傷的程度，進(jìn)而判斷兩種開挖方式的優(yōu)劣。根據(jù)爆破振動(dòng)在介質(zhì)中的傳播機(jī)理，在兩個(gè)模型上表面分別選取可能出現(xiàn)振動(dòng)速度最大值的節(jié)點(diǎn)，記錄其速度時(shí)程曲線。模型1上表面節(jié)點(diǎn)的速度時(shí)程曲線Fig．2Velocity－timecurvesofnodesonthetopsurfaceofModel1上表面節(jié)點(diǎn)的速度時(shí)程曲線Fig．3Velocity－timecurvesofnodesonthetopsurfaceofModel2在有上導(dǎo)洞的情況下，受控管道最低點(diǎn)所在水平面上振動(dòng)速度的最大值為－1．25cm／s，速度最大的節(jié)點(diǎn)位于邊墻巖石與上導(dǎo)洞斷面所在垂直面在模型上表面的交界處外側(cè)。對(duì)比分析該模型上表面上大量節(jié)點(diǎn)的速度變化規(guī)律可知，上導(dǎo)洞的存在改變了爆破地震波的傳播路徑，使得離爆源最近的點(diǎn)并不是振動(dòng)速度最大的點(diǎn)。在爆破前沒(méi)有人工開挖上導(dǎo)洞的情況下，受控管道最低點(diǎn)所在水平面上振動(dòng)速度的最大值為－2．7cm／s，且位于炸藥上方所對(duì)應(yīng)的上表面。通過(guò)比較該表面上大量節(jié)點(diǎn)的速度變化規(guī)律可知，離爆源的距離越遠(yuǎn)，節(jié)點(diǎn)振動(dòng)速度越低。根據(jù)經(jīng)典爆破理論和應(yīng)力波的傳播規(guī)律，與模型2相比，模型1中上導(dǎo)洞的存在使得爆炸應(yīng)力波發(fā)生反射、折射和繞射，減小了質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度最大值并改變了質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度出現(xiàn)最大值的位置。因此，采用上導(dǎo)洞的爆破方案可以減少受控管道最低點(diǎn)所在水平面的最大振速，減振率為53．7％。由于兩個(gè)模型中質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度最大值出現(xiàn)的位置不同，因而兩種爆破方案對(duì)淺埋管線損傷最嚴(yán)重的點(diǎn)也并非在同一位置。根據(jù)我國(guó)《爆破安全規(guī)程》（GB6722—2011）中的爆破振動(dòng)安全允許標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合設(shè)計(jì)文件及專家評(píng)審意見，取受控混凝土管道最大允許振動(dòng)速度為1．5cm／s。在該過(guò)街隧道的整個(gè)施工過(guò)程中，管線爆破嚴(yán)格保證斷面單次循環(huán)進(jìn)尺，嚴(yán)格控制爆破振動(dòng)對(duì)周邊圍巖的擾動(dòng)及鄰近管線和建筑物的影響，在施工中根據(jù)具體的地質(zhì)情況、鄰近管線環(huán)境條件和爆破監(jiān)測(cè)結(jié)果不斷優(yōu)化爆破參數(shù)。經(jīng)過(guò)近一個(gè)月的施工，受控混凝土管道完好無(wú)損，從實(shí)踐上證明了該種開挖方式的可行性。

3結(jié)論

（1）采用有上導(dǎo)洞的開挖方式可以顯著降低受控混凝土管道的振動(dòng)，減振率為53．7％。

（2）地形條件改變了爆破地震波的傳播路徑，兩個(gè)模型上表面的振動(dòng)速度最大值出現(xiàn)在不同位置，表明不同的開挖方式對(duì)淺埋管線損傷最嚴(yán)重的部位是不同的。

（3）通過(guò)數(shù)值模擬方法可有效分析不同開挖方式對(duì)受保護(hù)對(duì)象爆破振動(dòng)速度的影響，為爆破減振設(shè)計(jì)提供定性和定量參考，保證了施工過(guò)程中地下管線的安全性。

作者：劉建程鐘冬望單位：武漢科技大學(xué)冶金工業(yè)過(guò)程系統(tǒng)科學(xué)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室武漢科技大學(xué)理學(xué)院