岩石地基爆破开挖爆破振动峰值速度预测研究_赵新涛.pdf

2020年第10期西部探矿工程 * 收稿日期 2019-12-04 第一作者简介 赵新涛 （1980-） ， 男 （汉族） ， 河北石家庄人， 讲师， 现从事安全技术及管理方面的教学与研究工作。 岩石地基爆破开挖爆破振动峰值速度预测研究 赵新涛*， 李扬， 王剑明， 陈涛涛 （河南工程学院安全工程学院， 河南 郑州 400045） 摘要 岩石地基爆破开挖会引起爆破振动， 爆破振动峰值速度对建构筑物安全影响显著。以广西 钦州阳光丽景岩石地基爆破开挖工程为例， 运用ANSYS对周边建构筑物处的爆破振动峰值速度进 行了预测， 依据预测结果调整了爆破方案。对爆破振动速度进行了测试， 测试结果表明测试值接近 于预测值且均小于预测值， 并且明显小于安全允许值， 数值模拟预测峰值震速方法对制定爆破方案 有一定的指导作用。 关键词 爆破振动； 振动速度； 预测； 数值模拟； 地基开挖 中图分类号 TD853 文献标识码 A 文章编号 1004-5716202010-0023-03 1概述 在城市基础设施、 交通、 矿山等建设工程中需开挖 大量石方， 目前进行石方开挖最有效、 经济的施工方法 就是爆破。采用爆破施工会带来许多负面效应， 爆破振动便是其中之一， 也是爆破公害之首[1]。爆 破振动速度是表征和评判地震强度的必要参量之一[2]， 爆破振动峰值速度对爆区周围建构筑物安全和居民心 理有明显影响作用。 若爆破振动峰值速度在安全允许范围内， 则不会 造成危害， 因此， 对于实际的爆破工程， 应根据爆破参 数对爆破振动峰值速度进行预测， 依据预测结果决定 是否调整爆破参数和采取降震措施。 目前， 对爆破振动峰值速度进行预测多采用经验 公式法、 基函数回归方法以及神经网络法[3-4]， 为保障预 测精度， 这三种方法需要较多的爆区爆破振动监测数 据。数值模拟预测法不需要爆破振动监测数据， 使用 较为方便， 并且可靠度有保证。 基于此， 本文运用ANSYS对钦州阳光丽景基础爆 破开挖引起的爆破振动峰值速度进行数值模拟预测， 从而为优化爆破参数和采取降震措施提供理论依据。 2工程概况 钦州阳光丽景的基础大部分为坚固的砂岩， 此类 岩石硬度较大， 需要使用爆破进行开挖。阳光丽景基 础为桩井基础， 布置12排， 每排6个桩井， 桩井开挖深 度为 10m， 直径为 1m， 开挖量为 565.2m3。基础北面 40m处为永福西大街， 西面30m处为钦州弯大道， 南面 10m为商场， 东面10m为工业厂房。图1为周围环境示 意图。 图1周围环境示意图 桩井中心孔为空孔， 用于提供自由面， 半径为0.4m 的圆周上均匀布置6个炮孔， 炮孔布置如图2中的左图 所示。6个束状孔同时起爆， 对周围岩体的爆破作用可 近似为一个大直径炮孔的爆破作用， 在理论分析上可 23 2020年第10期西部探矿工程 将炮孔简化， 如图2中的右图所示。 图2炮眼布置及简化示意图 炮孔深度5m， 桩井2次爆破完成开挖深度， 堵塞长 度2m、 单孔装药量为0.36kg， 爆破方案为 逐排起爆， 一次同时起爆一排的6个桩井。 3爆破振动峰值速度预测 3.1建立模型 本工程采用柱状装药结构， 炸药爆炸后在炮孔内 壁上施加的荷载可近似认为是水平均布荷载， 地基变 形只发生XY平面 （水平面） 内， 因此采用平面应变模 型。 从图1可以看出， 最易出现爆破振动危害的是最南 面1排桩井附近的区域， 以该区域 （图1中虚线所包围 的范围） 作为计算模型， 模型X向长度105m，Y向上长 度35m， 坐标原点为矩形桩井基础南边的中点， 计算模 型见图4。 在爆区周边的商场、 工业厂房、 钦州湾大道各选一 点作为关键点 （1、 2、 3 进行峰值震速预测， 关键点位置 见图1。 3.2施加爆炸动力荷载 炮孔内壁上施加的爆炸动力荷载[5]可采用图3所 示的动力简化荷载， 解析式为 ■ ■ ■ ■ ■ pt31.14t pt3.7368-6.228t pt0 0≤t≤0.1 0.1≤t≤0.6 0.6t （1） 式中p爆炸压力， GPa； t作用时间， ms。 图3爆破动力加载曲线 爆炸动力荷载均匀地施加在炮孔内壁上， 为消除 爆破地震波在模型边界处产生反射， 模型边界设置为 透射边界， 如图4所示。爆破振动峰值速度出现在动力 荷载作用阶段， 动力作用结束后虽然岩体质点还在振 动， 但由于阻尼作用， 振动速度小于动力荷载作用阶 段， 因此， 模拟的时间为荷载作用时间。 图4计算模型 3.3预测结果 在施工场地进行小药量试爆， 由监测数据得到本 场地爆破振动的主振频率为68～80Hz， 本工程依据这 个主振频率并结合周边建构筑物类型确定安全允许震 速[6]。以爆破振动峰值速度作为评判标准来判定建构 筑物在爆破振动作用下是否安全， 于是数值计算结果 为3个关键点处的峰值震速预测值， 结果如表1所示。 表1关键点峰值震速预测结果 关键点 1 2 3 预测值 （cm/s） 5.9 4.4 1.16 规范允许值 （cm/s） 4.5～5.0 4.5～5.0 4.5～5.0 从表1可以明显看出， 关键点1的预测值大于规范 允许值， 关键点1处于危险状态， 关键点2的预测值略 小于规范允许值， 关键点2很可能处于危险状态， 关键 点3的预测值明显小于规范允许值， 关键点3处于安全 状态。这说明在此爆破方案下， 商场和工业厂房处于 危险状态， 爆破方案不可行， 应进行调整优化。 4方案调整及预测结果 依据数值模拟结果， 爆破方案调整为 对于南面的 1～5排桩井， 将每排6个桩井均分为东西两组， 按照先 东再西分别起爆， 其余各排仍逐排起爆。 按照新方案重新进行数值模拟， 模拟结果见表2。 由表2 可以看出， 3个关键点的峰值震速均明显小 于规范允许值， 并且有一定的安全储备， 因此， 建构筑 物在爆破振动作用下处于安全状态， 调整后的新爆破 24 2020年第10期西部探矿工程 方案合理可行。 5振动速度测试 为了检验新爆破方案的实际效果， 在爆破期间， 对商 场、 工业厂房、 钦州湾大道进行实地检查， 均没有损伤出 现。在最危险区域即最南面1排东面3个桩井爆破时， 在 关键点1、 2、 3处进行了振动速度测试， 测试结果见图5。 图5测试结果与数值模拟值 从图5可以看出， 测试结果均小于数值模拟结果， 明显小于安全允许值， 且测试结果与模拟结果比较接 近， 说明数值模拟方法具有一定的可靠度。采用数值 模拟方法进行峰值震速预测是行之有效的， 可为爆破 方案制定提供理论依据。 6结论 （1） 运用数值模拟方法预测了广西钦州阳光丽景地 基爆破开挖工程原爆破方案关键点处的峰值震速， 预测 结果表明峰值震速超过安全允许值， 原爆破方案不可行。 （2） 对原爆破方案进行调整， 重新进行数值模拟预 测， 预测结果表明新爆破方案关键点处的峰值震速明 显小于安全允许值， 新爆破方案合理可行。 （3） 振动速度测试结果显示， 测试值明显小于安全 允许值， 测试值与模拟值比较接近， 说明数值模拟方法 具有一定的可靠度， 运用数值模拟方法预测爆破振动 峰值速度是行之有效的。 参考文献 [1]赵可.复杂场地爆破振动对邻近构筑物动力响应及安全影 响分析[J].公路，20181141-46. [2]赵华兵，龙源，宋克健，等.爆破振动速度预测方法及其影响因 素[J].工程爆破，2012，18124-27. [3]杨佑发，崔波.爆破振动速度峰值的预测[J].振动与冲击， 2009，2810195-198. [4]赵华兵 ，龙源，刘好全 ，等.城市隧道爆破振动速度峰值预测 神经网络法应用[J].工程爆破，2014，20523-27. [5]赵新涛.爆破振动机理及爆破振动效应控制的研究[D].广西 大学，2006. [6]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB6722-2014 爆破安全规程[S].北京中国标准出版社，2015. 表2关键点峰值震速预测结果 关键点 1 2 3 预测值 （cm/s） 3.06 3.12 0.76 规范允许值 （cm/s） 4.5～5.0 4.5～5.0 4.5～5.0 （上接第22页） （2） 结合滑坡实际情况以及 “安全经济” 的治理原 则， 提出抗滑桩截排水裂缝处理局部削坡的滑坡 治理方案。 （3） 在抗滑桩工程和滑坡实际滑动的基础上， 为了 直接观测滑坡进一步变形情况， 建立了一套完整的监 测网， 用于滑坡内部位移监测和宏观变形监测。 参考文献 [1]张倬元.滑坡防治工程的现状与发展展望[J].地质灾害与环 境保护，2000，11289-97. [2]v刘焕存，孙凤玲，魏海涛，等.增北路顺层岩质滑坡治理工程设 计与实践[J].岩石力学与工程学报，2013，32102122-2127. [3]沈佳轶.抗滑桩在岩质滑坡治理中的分析研究[D].重庆大学， 2009. [4]彭政奎.抗滑桩在岩质滑坡治理中的分析研究[J].工程技术 文摘版，20162453-53. [5]王刚.预应力锚索桩在某岩质滑坡治理中的应用[J].山西科 技，2015281-83. [6]杨宗儒，李旭平，林云沛.格构预应力锚杆在山区公路边坡滑 坡治理中的应用[J].丽水学院学报，2013，35537-41. [7]温铭生，王连俊，李铁锋，等.基于实时监测的河口糖厂滑坡监 测系统研究[J].工程地质学报，2011，19176-82. [8]熊晋.基于地表倾斜变形的滑坡灾害监测预警技术的应用 研究[D].中国铁道科学研究院，2013. [9]欧阳祖熙，张宗润，丁凯，等.基于3S技术和地面变形观测的 三峡库区典型地段滑坡监测系统[J].岩石力学与工程学报， 2005， 24183203-3210. [10]曾金华.基于3S技术的滑坡时间预报系统研究[D].长安大 学，2004. 25