青黄海底隧道接线工程ZK2+800.8断面爆破震动控制数值分析

付迎春

（石家庄铁路职业技术学院 河北石家庄 050041）

青黄海底隧道接线工程ZK2+800.8断面爆破震动控制数值分析

付迎春

（石家庄铁路职业技术学院 河北石家庄 050041）

隧道在爆破过程中对地表建筑物的影响很大，对其危害往往估计不足，本文采用动力有限元软件对青黄海底隧道接线工程ZK2+800.8断面进行爆破震动数值模拟。采用分段模拟的方法对隧道爆破效果进行了分析，并提出了钻爆设计方案，从中得出一些基本规律，对实际工程提供一些借鉴。

爆破震动 数值模拟 动力有限元

1 工程概况

青黄海底隧道接线工程是青黄海底隧道的陆上段的隧道工程，由云南路主隧道、四川路主隧道、台西三路匝道、团岛二路匝道隧道组成。该工程位于青岛市区内交通主干道下方，长1 200 m，主隧道断面积116 m2，部分区段隧道穿越或邻近地面建筑物40余处，又因隧道埋深浅，爆破震动对地面建筑物影响大，这给工程爆破震动控制带来很大难度。对隧道开挖爆破震动效应进行分析，选择合理的爆破方案，控制地面建筑物地表震速以保证其安全就显得尤为重要。

根据工程总体状况，ZK2+800.8里程处为控制断面，该处隧道位于一处砖混建筑物正下方，砖混建筑物承受地表震动的能力较差，《爆破安全规程》规定的震速标准只有2~3 cm/s，埋深9.8 m，较浅，隧道穿越微风化花岗岩地层，Ⅱ级围岩，上覆地层为第四季杂填土，厚4.5 m，全断面开挖，起爆药量大。

2 模型建立

岩石的动弹性模量E=6.25 GPa，泊松比=0.3，容重为22 kg/m3，计算中炸药密度取1 100 kg/m3，炸药震速采用3 600 m/s，炮孔直径40 mm，药卷直径32 mm。模型尺寸取35 m×60 m，共划分4280个单元。采用三角形荷载模式（见图1），升压时间1 ms，卸载时间9 ms，粘性边界，网格划分如图2和图3所示，ZK2+800.8里程处地层参数如表1所示。

表1 ZK2+800.8里程地层参数

图1 掏槽爆破荷载图示

图2 掏槽爆破网格划分

图3 掏槽爆破炮孔附近网格和荷载

采用分段模拟的方法对隧道爆破设计进行分析，爆破设计如图4所示。

图4 Ⅱ级围岩爆破设计图

3 掏槽爆破计算分析

考虑到掏槽爆破时的装药量加大，故模拟时采用偶合装药进行分析。

（1）特征值分析

对掏槽爆破模型进行特征值分析得到前两阶主震型周期分别为0.137 s和0.126 s，阻尼比和分别为0.389和0.001。

（2）时程分析结果（见图5至图11）

图5 掏槽爆破震中速度时程

图6 掏槽爆破距震中5 m速度时程

图7 掏槽爆破距震中10 m速度时程

图8 掏槽爆破距震中15 m速度时程

图9 掏槽爆破距震中20 m速度时程

图10 掏槽爆破距震中25 m速度时程

图5~图10质点震速峰值分别为：0.102 cm/s、0.049 cm/s、0.084 cm/s、0.115 cm/s、0.112 cm/s、0.094 cm/s，可见此时地表震速峰值并不出现在震中，而是出现在距震中15 m附近，这说明对于复杂地层情况，要在距震中一定范围内采取防范措施，不能疏忽大意。最大值没有超过规范规定的允许值2~3 cm/s中的最小值2 cm/s的标准，故在此不需做主震频率分析，从图11可以明显看出交界面的反射作用。

图11 42 ms合速度云图及地表速度曲线

4 辅助眼和周边眼爆破计算分析

辅助眼和周边各段计算时炸药密度取1 100 kg/m3，炸药爆速为3 600 m/s，炮孔直径40 mm，辅助眼药卷直径32 mm，周边眼选用20mm小直径药卷，采用时间间隔50 ms的分段爆破，炮孔内爆炸压力峰值为1.64 GPa。各段爆破震速峰值见表2，各段地表各点震速峰值曲线如图12~图25所示。

表2 各段地表质点峰值震速表

图12 段3地表质点震速峰值曲线

图13 段5地表质点震速峰值曲线

图14 段7地表质点震速峰值曲线

图15 段8地表质点震速峰值曲线

图16 段9地表质点震速峰值曲线

图17 段10地表质点震速峰值曲线

图18 段11地表质点震速峰值曲线

图19 段12地表质点震速峰值曲线

图20 段13地表质点震速峰值曲线

图21 段14地表质点震速峰值曲线

图22 段15地表质点震速峰值曲线

图23 段16地表质点震速峰值曲线

图24 段17地表质点震速峰值曲线

图25 周边眼地表质点震速峰值曲线

从表2可以看出最大峰值震速出现在周边孔爆破时的震中位置，说明建筑物在此位置是最危险的，最大值为0.93 cm/s，小于《爆破安全规程》规定的允许值2~3 cm/s，故认为此爆破设计是安全的。虽然各段炮孔基本左右对称，理论上说对于柱面波，由于相互叠加，地表震中的竖向震速会最大，但模拟结果显示图12、图13、图15、图16、图17、图18中最大值并非出现在震中位置，而是出现在距震中一定范围内，而后随距离的增加，峰值震速逐渐下降。图21~图24显示在进行14~17段的隧道底部爆破时，地表震速峰值并不是从震中往两侧单调递减的，而是先减小而后有回升，这一结果说明了已开挖部分创造的新临空面对底部炮孔的爆破起到了一定的阻隔作用，并使爆炸应力波产生绕射。

5 结论

（1）地表震速最大值出现在周边孔爆破时的震中位置，说明建筑物在此位置是最危险的，最大值为0.93 cm/s，小于《爆破安全规程》规定的允许值2~3 cm/s，故认为此爆破设计是安全的。

（2）在本工程中采用时间间隔50 ms的分段爆破，周边眼两段起爆以及选用20mm小直径药卷等控制措施，完全能满足地面震速要求。

（3）采用有限元对爆破进行数值模拟可以很大程度上改善以前只靠经验公式估算爆破震动的做法，为城市隧道爆破设计提供了一定的借鉴。

[1]王海亮.工程爆破[M].北京:中国铁道出版社,2008

[2]钟建辉.临近隧道爆破施工对既有建筑物影响的数值分析[D].天津:天津大学,2005

[3]杨伟林,杨柏坡.爆破地震动效应的数值模拟分析[J].地震工程与工程振动,2005,25(1):(8~13)

[4]Cao Xiaojun, Zhang Jichun, Lu Helin. Numerical simulation and field monitoring analysis on surface vibration resulted from tunnel driving blasting[J].Zhongguo Gonglu Xuebao,2007,20(2):87~91

A Finite Element Analysis of Blasting Vibration of ZK2+800.8 Section in Qingdao-Huangdao Submarine Tunnel Connecting Project

FU Ying-chun
(Shijiazhuang Institute of Railway Technology Shijiazhuang Hebei 050041 China)

The tunnel during the blasting process have a great influence to the building on the surface, its hazards are often underestimated. In this paper this problem is analyzed with numerical method using dynamic finite element program on the base of ZK2+800.8 Section in Qingdao-Huangdao submarine tunnel connecting project. The method of subsection simulation is adopted to analyze the tunnel blasting effect and drilling and blasting design scheme is put forward. We can draw some of some basic regulations and give a number of reference works to the actual engineering.

blasting vibration numerical simulation dynamic finite element

A

1673-1816(2017)03-0006-06

2016-06-18

付迎春（1978-），男，汉，黑龙江哈尔滨人，副教授，研究生，研究方向隧道结构稳定性。

依托河北省高等学校科学技术研究指导项目，项目名称：城市地下工程爆破施工地表震动效应分析研究，项目编号：Z2017131。