一种改进型隧道爆破模拟方法及其验证分析_罗驰.pdf

 振动与冲击 第 38 卷第 17 期JOURNAL OF VIBRATION AND SHOCKVol．38 No．17 2019 基金项目 铁路总公司科研开发计划课题 2017G007- A 收稿日期 2018 －02 －06修改稿收到日期 2018 －05 －24 第一作者 罗驰 男， 博士生， 1991 年生 通信作者 杨新安 男， 教授， 博士生导师， 1964 年生 一种改进型隧道爆破模拟方法及其验证分析 罗驰1， 2，杨新安1， 2，罗都颢3，张海清4 1． 同济大学 道路与交通工程教育部重点实验室，上海201804; 2． 同济大学 交通运输工程学院，上海201804; 3． 中铁五局集团第四工程有限责任公司，广东 韶关 512031; 4． 中国地质大学 北京工程技术学院，北京100083 摘 要 为预测及分析隧道爆破振动对邻近结构的影响， 隧道爆破的数值模拟必不可少。根据隧道爆破中多炮孔 同时起爆的特点， 针对爆破荷载的空间分布及爆破应力波的衰减规律两方面， 分别考虑隧道爆破中多炮孔爆破荷载的叠 加以及不同爆破区域应力衰减指数的差异， 从而提出改进型隧道爆破模拟方法， 使数值模拟尽可能与实际工程情况吻合。 再对京张高铁八达岭长城站大跨过渡段第一步爆破工程进行振动监测， 分析爆破振动对 8 号分通道隧道迎爆侧的影响， 并将实测数据与改进型隧道爆破模拟方法的结果进行对比。通过该研究， 介绍了一种改进型隧道爆破模拟方法并利用实 测数据对其正确性进行了验证， 希望能为今后隧道施工中爆破数值模拟提供一定的借鉴和指导意义。 关键词 隧道; 爆破振动; 数值模拟; 荷载叠加; 应力衰减指数 中图分类号 U25文献标志码 A DOI10． 13465/j． cnki． jvs． 2019． 17． 036 An improved tunnel blast simulation and its verification LUO Chi1， 2，YANG Xin’ an1， 2，LUO Duhao3，ZHANG Haiqing4 1． MOE Key Lab of Road and Traffic Engineering，Tongji University，Shanghai 201804，China; 2． College of Transportation Engineering，Tongji University， Shanghai 201804，China; 3． The Fourth Company of China Railway NO． 5 Engineering Group Co． ，Ltd． ，Shaoguan 512031，China; 4． School of Engineering and Technology，China University of Geosciences Beijing ，Beijing 100083，China AbstractIn order to predict and analyze effects of tunnel blast vibration on adjacent structures，numerical simulation of tunnel blast is necessary． Here，based on the tunnel blast feature of many blast holes being initiated simultaneously， aiming at spatial distribution of blast load and blast shock wave attenuation law considering multi- hole blast load superposition and differences of stress attenuation inds in different blast areas，an improved tunnel blast simulation was proposed to make numerical simulation as close as possible to the actual engineering situation． Vibration monitoring was conducted for the first step blast engineering of large- span transition section of Beijing- Zhangjiakou high speed railway’ s Badaling Great Wall Station to analyze effects of blast vibration on blast side of the 8th branch tunnel． The measured data were compared with the simulation results using the improved tunnel blast simulation ． Through this study， it was shown that an improved tunnel blast simulation is introduced， and its correctness is verified with actual measured data; it can provide a certain reference and guide for future blast numerical simulation of tunnel construction． Key words tunnel; blast vibration; numerical simulation; load superposition; stress attenuation index 爆破引起周围介质及临近建 构 筑物产生强烈的 振动， 可能导致邻近隧道结构损坏及地表建筑物开裂 甚至倒塌， 直接关系施工安全， 因此， 预测及分析爆破 振动影响一直都是重要的理论和工程问题 ［1- 3 ］。 为预测及分析隧道爆破振动对邻近建 构 筑物的 影响， 许多学者对此开展了研究， 主要有两个方面 ① 利用现场爆破监测数据对爆破应力波传播规律进行分 析， 通过回归得到适用于具体工程的爆破振动强度计 算公式， 进而提出优化的爆破与开挖方案 ［4- 6 ］; ② 利用 数值模拟， 在隧道轮廓面上施加爆破荷载， 通过动力计 算来研究爆破动力作用对邻近建 构 筑物的影 ChaoXing 响 ［7- 12 ］。前者爆破振动预测公式的建立是以获取大量 监测数据为前提的， 并不能做到真正意义上的事先预 测; 而后者在隧道爆破模拟过程中， 往往将爆破荷载过 于简化， 未能真实反映现场爆破实际状况， 从而降低预 测隧道爆破振动的准确度。 具体来说， 在隧道爆破模拟方面， 由于隧道爆破的 炮孔数多、 段别数多以及隧道尺寸与炮孔尺寸悬殊 尺 寸相差 2 ～3 个数量级 ， 因此常用的隧道爆破模拟不 单独对每个炮孔划分网格， 而是根据爆破荷载模型计 算得到爆破荷载， 再将爆破荷载施加在隧道开挖轮廓 面上。目前的隧道爆破模拟多假设爆破荷载为均布荷 载， 无法反映实际爆破方案中多个炮孔同时起爆及炮 孔所在的不同位置的影响; 并且， 计算爆破荷载从炮孔 传递至隧道开挖轮廓面上的应力衰减往往按单一应力 衰减指数来考虑， 没有考虑应力衰减指数在爆破应力 波传播过程中的变化及其影响。 爆破荷载模型主要有三角波形、 指数型、 谐波函数 型等多种形式， 目前还没有统一的处理方法 ［13 ］。本文 基于三角波爆破荷载模型， 从考虑多炮孔爆破荷载的 叠加作用以及考虑不同区域的爆破应力波衰减分析这 两方面对其进行改进， 使爆破模拟尽可能地接近工程 实际。结合京张高铁大跨过渡段第一步爆破振动监 测， 将实测数据与模拟结果进行对比， 验证该改进的数 值模拟方法的正确性。 1改进型隧道爆破模拟方法 本文主要从以下两方面对三角波形爆破荷载模型 在隧道爆破模拟中的应用进行了改进 一方面改进了 爆破应力波传播衰减分析， 将应力波传播衰减从各区 域应力衰减指数相同改进为不同爆破区域的应力衰减 指数不同， 以使其更加贴近实际; 另一方面， 更重要的 是， 考虑多炮孔爆破时每个炮孔位置不同所产生的影 响， 将同段别起爆的爆破荷载从均布在隧道开挖轮廓 面上改进为各个炮孔爆破荷载的叠加， 这就使得隧道 开挖轮廓面上的爆破荷载与其空间位置及时间均 相关。 1． 1三角波形爆破荷载模型概述 三角波形爆破荷载模型， 假定每一段爆破时， 荷载 从零开始线性加载至峰值， 然后再线性衰减至零。三 角波型爆破荷载时程曲线， 可由峰值荷载 pm、 起始加载 时刻 t0、 加载时间以及卸载时间这四个指标完全确定， 如图 1 所示。三角波形荷载典型的加载时间为 8 ～ 12 ms， 卸载时间约为 50 ～120 ms。 对于不耦合装药结构的单个炮孔， 其爆破引起的 图 1三角波形爆破荷载示意图 Fig． 1Triangular wave blasting load curve 岩石中应力波压力计算公式为 ［13- 14 ］ pd 1 4 ρ0D2 1 pm 1 2 pd r0 r b 6 l0 l b 3 n 2 式中 ρ0为装药的密度， kg/m3， 根据装药重量由 Q πr 2 0l0 ρ 0反算; D 为炸药爆速， m/s; pd、 pm为炸药的 爆轰压力及作用在孔壁上的初始峰值压力， MPa; r0、 rb 为药卷半径和炮孔半径， mm; l0、 lb为装药长度和炮孔 长度， m; n 为炸药爆轰产物膨胀碰撞孔壁时的压力增 大系数， n 8 ～11， 一般取 10。 1． 2考虑不同区域下爆破应力波衰减的改进 目前， 在隧道爆破的模拟中， 爆破应力波衰减均按 照单一的应力衰减指数进行取值， 一般取为2 － μ/ 1 － μ ， μ 为动泊松比。而爆破应力波在实际传播中， 随着 能量的逐步衰减而形成三个区域， 各个区域的应力衰 减指数均不同。因此， 拟先分析各个爆破区域的应力 衰减指数， 再建立不同区域的爆破应力波衰减函数。 在爆破应力波的传播过程中， 引起的岩体中应力 波能量将随远离爆源而衰减， 波形也将相应地发生变 化， 大体可分为三个作用区 ［14- 15 ］ 冲击波区、 压缩波区 和地震波区， 分别对应着爆破中的粉碎区、 裂隙区以及 弹性区。 某点到爆炸中心的距离 r 与炮孔半径 rb之比为比 例距离 r －， 对于冲击波， 一般认为其衰减速度与比例距 离的 3 次方成正比， 可用 p pmr － － α表示， 其中， 应力衰 减指数 α 2 μ/ 1 － μ ; 对于压缩波， 其衰减速度与 比例距离的 2 次方成正比， 其应力衰减指数为 α 2 － μ/ 1 － μ ; 对于地震波， 其应力衰减与比例距离呈线性 关系。 为考虑不同区域的爆破应力波衰减影响， 在上述 应力衰减指数及规律的基础上考虑区域交界点处数值 的连续性， 选取如下的应力求解公式来近似计算不同 区域、 不同距离的应力数值 162第 17 期罗驰等 一种改进型隧道爆破模拟方法及其验证分析 ChaoXing p p pm， r pm r r b －2 μ 1 －μ ， rb≤r ＜ R1 pm R1 r b －2 μ 1 －μ r R 1 －2 － μ 1 －μ ， R1≤r ＜ R2 pm R1 r b －2 μ 1 －μ R2 R 1 －2 － μ 1 －μ r R 2 －1 ， R2≤                r 3 式中， R1、 R2为爆破的粉碎区和裂隙区半径。 由式 3 可知， 为保证粉碎区及裂隙区边缘处岩石 受到的爆破应力恰好分别为岩石动态抗压及抗拉强 度， 粉碎区和裂隙区半径应由下式来确定 R1 rb pm R cd 1 2 μ 1－μ 4 R2 R1 Rcd R td 1 2－ μ 1－μ 5 式中， Rcd、 Rtd为岩石动态抗压强度和岩石动态抗拉 强度。 1． 3考虑多炮孔爆破荷载叠加的改进 隧道爆破中， 为控制爆破振动影响， 雷管按不同延 迟时间分段别进行起爆， 每个段别同时起爆多个炮孔。 目前在爆破模拟时， 或将同时起爆的多个炮孔按集中 爆破进行近似， 或对周边孔爆破计算等效荷载施加在 炮孔联心线上， 但都没有真正考虑多炮孔爆破荷载叠 加引起的荷载空间分布特征及其影响。 为考虑爆破设计方案中所有炮孔的影响， 需计算 所有段别每个炮孔产生的爆破应力波传递至隧道轮廓 面上的应力荷载， 再对隧道轮廓面上各点求出该段别 所有炮孔爆破传递过来的应力的合应力， 最终将该合 应力施加在隧道轮廓面上。 具体叠加思路如下 在爆破开挖掌子面处建立如 图 2 所示坐标系， x、 y、 z 方向分别为隧道横向、 纵向及 竖向， 对应爆破振动的径向、 切向与垂向。考虑一般用 于隧道爆破的炸药均为柱状装药， 长细比较大， 爆破荷 载也以 XOZ 面内荷载为主， 故在计算各个炮孔传递至 隧道轮廓面上的爆破荷载时按平面应变问题来考虑， 研究 y y0截面。 以第 k 段为例， 设其第 i 个炮孔为 Ai， 其坐标为 Axi， y0， Azi ， 而隧道爆破轮廓面上某点为 Bj， 其坐标为 Bxj， y0， Bzj 。联立式 1 、 2 ， 可根据 Ai炮孔的爆破 参数求得炮孔壁处产生的峰值荷载 pmi。爆破荷载从炮 孔 Ai传递至隧道轮廓面 Bj， 其距离 r ij可由两者坐标求 得， 即 rijAiB → j ， 传递至 Bj处的峰值荷载为pm →  ij， 其大 小可由式 3 求得 pmij p pmi， rij ， 荷载方向与向量 AiB → j方向一致。 假定同段别所有炮孔同时起爆， 则 Ai炮孔处产生 的爆破应力波传播至隧道爆破轮廓面 Bj处的传播时间 tij rij/c， 式中 c 为该岩体纵波传播速度。 确定 Ai炮孔处荷载传递至 Bj处的峰值荷载 p mij及 传播时间 tij后， 再结合三角波型爆破荷载模型， 在加、 卸载时间固定的情况下， Ai炮孔处荷载传递 Bj处的爆 破荷载时间函数可以唯一确定为pij t → ， 其峰值荷载大 小为 pmij， 荷载方向也与向量AiB → j方向一致， 而起始加载 时刻由第 k 段的起爆延迟时间以及传播时间 tij相加确 定。最后， 将同段别的所有炮孔产生的爆破荷载时间 函数按矢量叠加， 即为第 k 段作用在隧道轮廓面上 Bj 处各时刻的爆破荷载 Fj t ， 可表示为 Fj t∑ i pij t → 6 采用同样的方法， 求得各段别、 隧道轮廓面各位置 点处各时刻的爆破荷载， 再对各段别爆破引起的爆破 动荷载同样进行矢量叠加， 就能求得各位置在各时刻 的爆破荷载。最后， 在模拟计算时将该爆破动荷载施 加至隧道轮廓面处。 图 2多炮孔爆破荷载叠加示意图 Fig． 2Multi- hole blasting load superposition 2八达岭长城站爆破现场实测 为验证该改进型隧道爆破模拟方法的正确性， 结 合八达岭长城站隧道爆破工程， 监测其大跨过渡段第 一步爆破开挖时在 8 号分通道迎爆侧的爆破振速， 并 与改进型爆破模拟结果进行对比。 2． 1八达岭长城站爆破工程概况 京张高铁是国家规划实施的重点建设项目， 也是 2022 年北京张家口联合举办奥运会的配套工程。京张 高铁八达岭长城站是目前国内埋深最大的暗挖高铁地 下车站， 位于八达岭长城景区之下和新八达岭隧道 之中。 262振 动 与 冲 击2019 年第 38 卷 ChaoXing 现场监测的京张高铁八达岭长城站大跨过渡段第 一步爆破里程为 DK68 386 ～ DK68 398， 围岩为弱 风化斑状二长花岗岩， 围岩级别为Ⅲ级。大跨过渡段 是八达岭长城站与八达岭隧道间的过渡区域， 为一段 变截面的隧道， 爆破监测里程位置跨度为 24． 69 m， 分 11 步进行开挖， 首先挖通第一步以探明地质情况。第 一步断面宽 8 m、 高 6． 5 m， 循环进尺为 3 m， 其炮孔布 置如图 3 所示， 炮孔孔径为 42 mm， 爆破炸药采用 Φ32 mm 岩石乳化炸药。爆破雷管采用不耦合装药， 分 1/ 3/5/7/9/11 段依次爆破， 各段别炮孔的相关参数如表 1 所示， 总药量为 120 kg。 图 3炮孔布置图 mm Fig． 3The layout of blasting holes mm 表 1爆破装药参数 Tab． 1Blasting parameters 段位 延迟时间/ ms 炮孔深度/ m 炮孔 个数 单孔药量/ kg 药量/kg 103． 5122． 3828． 5 350382． 1917． 5 5110381． 9415． 5 72003428 93103112． 2725 114603380． 6725． 5 总药量120 1． 2爆破实测数据分析 已建成的 8 号分通道与该大跨过渡段第一步保持 平行， 两者水平间距31 m， 高差为6 m， 在8 号分通道迎 爆测的拱腰及拱脚处监测大跨过渡段第一步爆破的振 速。两隧道的相对位置及监测点布置如图 4 所示， 采 用 TC- 4850 爆破测振仪进行监测。 图 4爆破振速监测点布置图 mm Fig． 4Layout of blasting monitoring stations mm 现场监测共在 8 号分通道处测得 4 次爆破振速数 据， 其大跨第一步爆破开挖里程分别为 DK68 386、 DK68 389、 DK68 395 以及 DK68 398， 其监测振速 数据如表 2 所示。 表 2爆破监测最大振速值 Tab． 2Maximum of blasting vibration velocity 编号爆破里程总药量/kg 最大单响药 量/kg 拱脚监测振速/ cms －1 拱腰监测振速/ cms －1 径向 x切向 y 垂向 z径向 x 切向 y 垂向 z 1DK68 386144280． 640． 220． 3 2DK68 389120251． 230． 390． 671． 270． 620． 6 3DK68 39580181． 190． 310． 270． 7 4DK68 398120240． 690． 240． 71． 190． 760． 57 由于距离较远， 拱脚振速与拱腰振速相差已不大; 振速方向以径向振速为主， 其次是垂向、 切向振速最 低， 径向振速大致为 0． 7 ～ 1． 2 cm/s， 垂向振速大致为 0． 6 ～0． 7 cm/s， 这主要是由监测点的 8 号分通道与爆 破点的大跨过渡段第一步的相对位置所决定的。 现场监测得到的爆破峰值最大振速均为径向振 速， 以拱脚及拱腰径向振速为例， 其爆破振速时程曲线 如图5 所示。爆破振速出现6 个振速峰值， 与6 段炸药 是相吻合的， 并且最大爆破振速出现在第 1 段的掏槽 眼。对爆破监测振速时程曲线进行 FFT 变换， 得到其 频谱如图 6 所示， 该监测得到的爆破振速主频以 50 ～ 100 Hz 为主。 3八达岭长城站爆破模拟及验证 3． 1模型建立及模拟过程 采用 FLAC3D 中对大跨过渡段第一步开挖爆破进 行数值模拟， 建立大跨第一步隧道及 8 号分通道模型 如图 7 所示， 计算尺寸为 隧道横向范围取 － 50 ～ 50 m， 隧道纵向取 90 m， 隧道竖向从 －140 m 至地表 0 m。 为模拟现场真实情况， 模拟计算按如下过程进行 ① 先一次性挖通8 号分通道并施做 C30 喷射混凝土初 期支护， 计算在岩体自重下的静应力， 即为大跨第一步 362第 17 期罗驰等 一种改进型隧道爆破模拟方法及其验证分析 ChaoXing a 拱脚径向振速 b 拱腰径向振速 图 5监测爆破振速时程图 Fig． 5Curves of blasting vibration velocity vs time a 拱脚径向振速 b 拱腰径向振速 图 6监测爆破振速频谱图 Fig． 6Curves of blasting vibration velocity vs frequency 隧道未开挖前的初始应力场; ② 按 3 m 的循环进尺开 始逐步开挖大跨第一步隧道， 施做 C30 喷射混凝土初 期支护并对模型进行静力计算， 如此循环开挖直至接 近隧道爆破研究里程; ③ 开挖隧道爆破处的岩体， 在开 挖轮廓面上施加爆破动荷载并进行动力计算， 监测其 在 8 号分通道处产生的振速大小， 如图 8 所示。 图 7计算模型图 Fig． 7Computing model 图 8爆破模拟示意图 Fig． 8Blasting simulation diagram 爆破动荷载按照改进型隧道爆破模拟方法进行计 算， 将最终叠加得到的荷载施加至隧道开挖轮廓面 沿 纵向长度按循环进尺取为 3 m 上， 该荷载在开挖轮廓 面处不同位置或不同时刻均不相同 从荷载空间分布 来看， 隧道开挖轮廓面处的叠加荷载在 10、 60、 120、 210、 320 及 470 ms 时的荷载分布如图 9 所示， 其中 10 ms 为三角波爆破模型的加载时间; 从时间上来看， 以 开挖轮廓面右下角处点 B 为例 见图 4 ， 其爆破荷载 时程曲线如图 10 所示。 边界条件 静力学计算时， 模型上方边界自由， 模 型前后、 左右及下方边界均为位移约束边界， 约束垂直 该边界面方向上的位移; 动力学计算时， 模型上方边界 采用自由边界条件， 模型前后、 左右及下方边界采用黏 性边界条件， 能吸收边界处的入射波。 3． 2计算参数的选取 3． 2． 1围岩及支护动力学参数 国内不少学者采用回归分析研究围岩静力参数与 动力参数之间的关系， 王思敬等建立了动弹性模量 Ed 与静弹性模量 Es的转换计算公式［16 ］ Ed 8． 757 7E0． 588 2 s 7 在工程爆破的加载频率范围内， 戴俊建立了动泊 462振 动 与 冲 击2019 年第 38 卷 ChaoXing a 10 ms b 60 ms c 120 ms d 210 ms e 320 ms f 470 ms 图 9爆破荷载分布图 Fig． 9Distribution of blasting load 图 10B 点处爆破荷载时程图 Fig． 10Time course curve of blasting load at point B 松比 μd与静泊松比 μs的转换计算公式 ［17 ］ μd 0． 8μs 8 围岩采用摩尔库伦本构模型模拟， 其静力学参数 根据Ⅲ级围岩进行取值。C30 喷射混凝土采用 shell 单 元模拟， 厚 0． 1 m， 其静力学参数根据 C30 混凝土进行 取值。结合式 7 、 8 可计算出相应动力学参数， 各 参数如表 3 所示。 在岩体的阻尼方面， 实用动力分析和应用最为广 泛的是瑞利阻尼， 它将整体阻尼矩阵［ C］ 由整体质量矩 阵［ M］ 和整体刚度矩阵［ K］ 的线性组合来表示， 即 ［ C］ α［ M］ β［ K］ 9 式中， 比例系数 α 和 β 可由式 10 确定 表 3围岩及支护参数计算表 Tab． 3Parameters of surrounding rock and supporting 密度/ kgm －3 静弹模/GPa静泊松比 动弹模/GPa动泊松比 黏聚力/MPa内摩擦角/ Ⅲ级围岩2 400130． 27539． 5920． 221． 144． 5 C30 喷射混凝土2 500 300． 264． 7490． 16 α ξminωmin β ξmin /ω { min 10 式中， ωmin为最小中心频率， Hz， 它与所研究体系的固有 频率以及输入荷载频率均有关; ξmin为最小临界阻尼比， 它与岩体材料性质等有关。 本模拟中， 围岩瑞利阻尼的最小中心频率按爆破的 平均频率取值， 取为 50 Hz; 最小临界阻尼比取 0． 5。 3． 2． 2爆破荷载计算参数 在爆破三角波峰值荷载计算参数的选择方面， 三角 波加载时间取 10 ms、 卸载时间取 100 ms， 炸药爆速取 4 000 m/s， 药卷半径及炮孔半径分别取 21 mm 和 16 mm， 装药长度与炮孔长度认为相等， 其他各个物理量均 按照表 1 所示取值。 在爆破应力波衰减方面， 需要确定该围岩的动态抗 压及抗拉强度。岩石的动态抗压强度随加载率的增大 而增大， 一般来说， 对于岩石爆破可近似地用下式统一 表达岩石动态抗压强度与静态抗压强度的关系 Rcd Rcε 13 11 式中， Rcd、 Rc为岩石动态、 静态抗压强度， MPa; ε 为加 562第 17 期罗驰等 一种改进型隧道爆破模拟方法及其验证分析 ChaoXing 载应变率， s －1。 该计算中， 根据室内岩块试验， 静态抗压强度为 60 MPa， 而爆破产生的应变率取50 s －1， 则岩石动态抗压强 度由式 11 计算为 221 MPa。岩石的动态抗拉强度随 加载应变率的变化很小， 在岩石爆破时可按静态抗拉强 度计算， 故岩石动态抗拉强度可取 2． 1 MPa。 在多炮孔荷载叠加上， 各个炮孔的爆破参数按表 1 进行计算， 而炮孔位置则如图 3 所示， 此外， 岩体纵波速 度选取为 5 200 m/s。在计算时， 考虑到周边孔实际工 程施工中按照距爆破开挖轮廓线 10 cm 处向外打孔， 故 模拟时也对周边孔位置进行了相应调整。 3． 3模拟结果与实测数据对比 数值模拟得到的 8 号分通道迎爆测处拱脚及拱腰 径向振速模拟结果与实测数据对比如图 11 所示， 其各 段别峰值对比如表 4 所示。从中可以看出， 拱脚及拱腰 爆破径向振速模拟结果的最大峰值分别为 0． 824 cm/s 和 1． 124 cm/s， 均在在 0． 7 ～ 1． 2 cm/s 范围内， 1爆破 实测拱脚与 4爆破实测拱腰径向振速的最大峰值分别 为 0． 637 cm/s 和 1． 192 cm/s， 模拟与实测结果相差不 大; 振速波形及各段别峰值也基本一致。经过 FFT 变 化， 其振速频谱如图 12 所示， 主频均为 77． 1Hz， 在 50 ～ 100 Hz 范围内， 与爆破实测的主频范围基本一致。 a 拱脚振速 b 拱腰振速 图 11径向振速时程模拟结果与实测对比 Fig． 11Comparison of simulation and measurement in transverse vibration velocity 表 4爆破径向各段别峰值振速对比 Tab． 4Comparison of peak vibration velocity 段别 拱脚振速/ cms －1 拱腰振速/ cms －1 1监测数据模拟结果 4监测数据模拟结果 10． 6370． 8241． 1921． 124 30． 1870． 2460． 3870． 335 50． 2590． 2430． 4730． 331 70． 0810． 0560． 5210． 090 90． 2110． 2070． 5690． 279 110． 1700． 3360． 4190． 466 图 12径向振速频谱模拟结果 Fig． 12Simulation results of transverse vibration velocity 综上， 通过对比爆破振速模拟结果及实测数据， 两 者较为吻合， 说明改进型隧道爆破模拟方法能较好地反 映爆破振动的影响， 并可采用本文提出的爆破模拟计算 方法对爆破振速进行预测。 4结论 1 本文从隧道爆破中多炮孔同时起爆的特点出 发， 基于三角波爆破荷载模型而提出改进型隧道爆破模 拟方法， 使爆破模拟尽可能贴近实际。主要改进以下两 个方面 ① 考虑隧道爆破多炮孔的影响， 基于炮孔的实 际布置和爆破应力波传播情况， 计算隧道开挖轮廓面处 叠加的爆破荷载并施加至模型中; ② 考虑爆破应力波 在冲击波区、 压缩波区和地震波区的不同应力衰减指 数， 改进近似求解不同距离处爆破应力波的计算公式。 2 现场实测京张高铁八达岭长城站大跨过渡段 第一步爆破开挖时在 8 号分通道迎爆侧的爆破振速， 从 方向上看， 实测爆破振速方向以径向振速为主， 而切向 振速最小， 径向振速大致为 0． 7 ～1． 2 cm/s， 垂向振速为 0． 6 ～0． 7 cm/s; 从峰值上看， 爆破振速最大峰值均出现 在第 1 段的掏槽眼时; 从振动频率上看， 振动主频以 50 ～100 Hz 为主。 3 采用改进型隧道爆破模拟方法对大跨过渡段 第一步爆破开挖进行数值模拟， 该方法计算并施加在隧 道开挖轮廓面上的爆破荷载与其空间位置及时间均相 关。数值模拟得到 8 号分通道迎爆侧拱脚及拱腰爆破 662振 动 与 冲 击2019 年第 38 卷 ChaoXing 径向振速最大峰值分别为 0． 824 cm/s 和 1． 124 cm/s， 其振速主频为77． 1 Hz， 与实测结果基本一致; 改进型隧 道爆破模拟方法能较好地预测和分析爆破振动的影响。 致谢 由衷感谢中铁五局的科技部肖承倚副部长、 京张项 目部蒋思总经理和李坤对本文研究的协助与配合， 以及 中国矿业大学 北京 为本文提供的八达岭长城站大跨 过渡段第一步爆破振速实测数据。 参 考 文 献 ［1］ TIAN L， LI Z X． Dynamic response analysis of building structure subjected to ground shock from a tunnel explosion ［ J］ ． International Journal of Impact Engineering， 2008， 35 1164- 1178． ［2］ 林从谋， 陈礼彪， 蒋丽丽， 等． 高速公路扩建大断面特小净 距隧道爆破稳定控制技术研究［J］ ． 岩石力学与工程学 报， 2010， 29 7 1371- 1378． LIN Congmou， CHEN Libiao， JIANG Lili， el al． Research on blasting stability control technology of large- span highway tunnel with super- small clear spacing at highway expansion project ［J］ ．ChineseJournalofRockMechanicsand Engineering， 2010， 29 7 1371- 1378． ［3］ 叶培旭， 杨新安， 凌保林， 等． 近距离交叉隧洞爆破对既有 隧道的振动影响［ J］ ． 岩土力学， 2011， 32 2 537- 541． YE Peixu， YANG Xin’ an， LING Baolin， et al． Vibration effects on existing tunnel induced by blasting of an adjacent cross tunnel［ J］ ． Rock and Soil Mechanics， 2011， 32 2 537- 541． ［4］ 傅洪贤， 赵勇， 谢晋水， 等． 隧道爆破近区爆破振动测试研 究［ J］ ． 岩石力学与工程学报， 2011， 30 2 335- 340． FU Hongxian，ZHAO Yong，XIE Jinshui，et al． Study of blasting vibration test of area near tunnel blasting source［J］ ． Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2011， 30 2 335- 340． ［5］ 管晓明， 傅洪贤， 王梦恕． 隧道近距下穿山坡楼房爆破振动 测试研究［ J］ ． 岩土力学， 2014， 35 7 1995 - 2003． GUAN Xiaoming，FU Hongxian，WANG Mengshu． Blasting vibration characteristics monitoring of tunnel under- passing hillside buildingsinshort- distance ［J］ ． RockandSoil Mechanics， 2014， 35 7 1995- 2003． ［6］ 凌同华， 曹峰， 张胜， 等． 分岔隧道过渡段的爆破振动特性 研究［ J］ ． 振动与冲击， 2018， 37 2 43- 50． LING Tonghua，CAOFeng，ZHANGSheng，etal． Blast vibration characteristics of transition segment of a branch tunnel［J］ ． Journal of Vibration and Shock， 2018， 37 2 43- 50． ［7］ WU C Q， HAO H，LU Y，et al． Numerical simulation of structural response on a sand layer to blast induced ground excitations［ J］ ． Computers and Structures， 2004， 82 799- 814． ［8］ 蔚立元， 李术才， 徐帮树． 青岛小净距海底隧道爆破振动响 应研究［ J］ ． 土木工程学报， 2010， 43 8 100 - 108． YU Liyuan， LI Shucai， XU Bangshu． Study on the effect of blasting vibration for Qingdao twin subsea tunnels［J］ ． China Civil Engineering Journal， 2010， 43 8 100- 108． ［9］ 朱正国， 孙明路， 朱永全， 等． 超小净距隧道爆破振动现场 监测及动力响应分析研究［ J］ ． 岩土力学，2012，33 12 3747- 3752． ZHU Zhengguo，SUN Minglu，ZHU Yongquan， et al． Field monitoring on blasting vibrat