高速公路既有线扩堑爆破对边坡岩体+损伤及稳定性研究.pdf

第 36 卷 第 2 期 2019 年 6 月 爆 破 BLASTING Vol. 36 No. 2  Jun. 2019 doi 10. 3963/ j. issn. 1001 -487X. 2019. 02. 006 高速公路既有线扩堑爆破对边坡岩体 损伤及稳定性研究* 黄梦昌 1， 文昌盛1， 江俊翔1， 熊师远1， 周富华1， 黄 刚2 （1. 广西交通科学研究院有限公司， 南宁 530007； 2. 武汉理工大学 资源与环境工程学院， 武汉 430070） 摘 要 针对高速公路扩堑爆破中复杂的现场环境和施工条件下引起公路边坡安全隐患， 利用现场爆破振 动监测和数值模拟的方法， 研究广西南宁某高速公路段的改扩建工程中爆破振动对既有线边坡岩体损伤的 影响。监测和数值模拟结果的分析和研究表明 依据工程实例构建的爆破数值模型计算结果和实际监测结 果较吻合， 可以用来分析和研究爆破振动对岩体损伤及稳定性影响； 模型同一位置在不同爆破条件下， 同时 起爆相对于微差起爆爆破振动合速度增加了 52％ 105.4％， 单段最大药量是爆破振动速度的最主要因素； 微差起爆条件下， 岩体中的有效应力相对于同时起爆降低了 51. 4％ 98. 2％， 增加了载荷的作用次数。因 此， 在微差爆破条件下要防止边坡岩体在频繁载荷作用下的损伤。 关键词 高速公路；数值模拟；扩堑爆破；边坡稳定性措施 中图分类号 U415 文献标识码 A 文章编号 1001 -487X （2019） 02 -0040 -07 Research on Damage and Stability of Slope Rock Mass with Expanded Cut Blasting on Existing Highway HUANG Meng-chang1， WEN Chang-sheng1， JIANG Jun-xiang1， XIONG Shi-yuan1， ZHOU Fu-hua1， HUANG Gang2 （1. Guangxi Transportation Research ﹠ Consulting Co Ltd， Nanning， 530007； 2. School of Resources and Environmental Engineering， Wuhan University of Technology， Wuhan 430070， China） Abstract In view of the potential safety hazards of highway slope caused by the complex site environment and construction conditions of highway cutting blasting， the influence of blasting vibration on rock mass damage and sta- bility of existing highway slope in a highway reconstruction and extension project in Nanning， Guangxi， was studied by means of on-site blasting vibration monitoring and numerical simulation. According to the monitoring and numerical simulation results， the numerical model of blasting based on engineering examples fits the actual monitoring results well， which can be used to study the impact of blasting vibration on rock mass damage and stability. The combined velocity of blasting vibration increases by 52％ 105.4％ compared with millisecond initiation at the same position of the model under different blasting conditions. Under the condition of millisecond initiation， the effective stress in rock mass decreases by 51. 4％ 98. 2％ compared with the simultaneous initiation， but the times of load gets in- creased. Therefore， under the condition of millisecond blasting， the damage of slope rock mass under frequent loads should be prevented. Key words highway；numerical simulation；expanded cut blasting；slope stability analysis 万方数据 收稿日期 2019 -01 -04 作者简介 黄梦昌 （1988 - ） ， 男， 硕士研究生、 工程师， 主要从事公路 工程爆 破 及 公 路 方 面 的 安 全 研 究 工 作， （ E-mail） 458045385 qq. com。 通讯作者 黄 刚 （1986 - ） ， 男， 博士研究生、 副教授， 主要从事爆破 技术研究方面，（E-mail） huanggang2016 whut. edu. cn。 基金项目 2013 年度广西交通运输科技项目 （桂交科教发 ［2013］ 100 号） ； 青年自然科学基金 （NO. 51804235） 在公路旧线改造和公路复线施工时， 既有线扩 堑工程开挖的过程中难免遇到坚硬的岩石等， 爆破 开挖是比较高效的方法， 在爆破的过程中产生的爆 破振动可能会对边坡岩体造成损伤， 破坏边坡的稳 定性， 导致边坡失稳发生滑坡、 落石等灾害 ［1-4］， 增 加了对边坡的维护治理费用， 给工程施工安全和经 济效益造成了巨大的影响和损失 ［5， 6］。如何减少爆 破振动对既有线边坡稳定性影响一直是工程施工过 程中关注的热点， 大量学者对此问题做出了很多研 究， 如 陈宁宁等人建立了爆破荷载下的路堑边坡动 力响应数值模型， 探讨了边坡岩体的损伤情况和失 稳因素 ［7］； 高文学等人采用数值模拟的方法建立公 路边坡爆破模型， 分析了爆破振动速度和应力等对 边坡的稳定性影响 ［8， 9］； 李继业等人也根据工程实 际建立了数值模型， 研究了爆破荷载对岩质边坡的 动态响应过程以及地震波在岩质边坡中的传播规 律 ［10， 11］； 杨立云等人利用爆破振动监测的方法研究 了爆破地震波在边坡岩体中的传播规律， 拟合出传 播速度衰减公式 ［12-14］。 为探讨爆破对公路扩堑爆破对既有线边坡稳定 性影响， 在以往学者研究的基础上， 结合 ANSYS 有 限元数值模拟和现场监测的方法， 基于具体工程实 例， 通过对不同单段最大药量对边坡的振动和应力 变化的影响分析， 探讨复杂环境边坡爆破开挖中爆 破对既有线边坡稳定性影响。 1 工程概况 柳州 （鹿寨） 至南宁高速公路改扩建工程K1368 ＋ 540 K1368 ＋620 段右侧为石质高边坡开挖段， 路 基边坡开挖石方工程量为 31966 m3， 该段边坡地层 属于石炭系中统 （C2） 主要为灰 浅灰色厚层 块 状灰岩、 白云质灰岩及白云岩。根据设计图纸， 第 一、 二级坡设计坡比为 1 0. 5， 往上几级边坡设计坡 比均为 1 0. 75， 路堑成型后形成最大 70 余 m 高边 坡， 坡脚距改扩建后新路应急车道边 2. 8 m。 由于工程工期紧张， 机械开挖效率低下， 无法按 时完成开挖任务， 影响工程进度。故边坡开挖过程 中， 碰到钩机无法开挖的岩层， 设计采用减弱松动控 制爆破方案施工。爆破作业深孔台阶松动控制爆破 为主、 浅孔松动控制爆破为辅， 爆破后石方采用机械 进行二次破碎， 块度达到要求后再清运。路基的边 坡， 采用机械方式对进行修整， 确保边坡坡度、 平整 度符合工程要求。边坡的开挖示意图如图 1 所示。 图 1 公路边坡开挖示意图 （单位 m） Fig. 1 Schematic diagram of high-speed road slope excavation （unit m） 开挖点位于高速公路西侧边坡 （柳州往南宁方 向右侧） ， 开挖区边坡高陡且紧邻既有高速公路， 开 挖区东北侧为项目部搅拌站， 距开挖区域最近约 200 m。根据边坡台阶爆破设计， 开挖高度的变化范 围是 2 10 m， 孔径为 90 mm， 超挖 0. 3 1 m， 孔距 2. 5 m， 排距 2 m， 最小抵抗线 2 m， 堵塞长度 1 4 m， 炸药单耗取 0. 25 0. 35 kg/ m3。采用孔内外 微差导爆管雷管起爆网路， 孔内采 10 段毫秒导爆管 雷管装药起爆， 孔外 3 段串联。 14第 36 卷 第 2 期 黄梦昌， 文昌盛， 江俊翔， 等 高速公路既有线扩堑爆破对边坡岩体损伤及稳定性研究 万方数据 2 爆破振动监测及分析 2. 1 爆破振动监测方案 根据工程进度， 对两次爆破过程进行爆破振动 监测， 两次爆破地点分别在一级和二级边坡平台上， 爆破振动仪器选用的是 NUBOX-6016 智能振动监测 仪。爆破地点、 时间、 测点到爆破地点的距离、 单段 最大药量、 总药量分别如表 1 所示。其中测点的选 取是均匀的分布在一个方向的直线上。 表 1 爆破振动监测条件 Table 1 Monitoring conditions of blasting vibration 名称第一次第二次 爆破地点一级边坡平台二级边坡平台 爆破总药量/ kg500600 单段最大药量/ kg1020 第 1 点爆心距/ m2821 第 2 点爆心距/ m3429 第 3 点爆心距/ m4235 2. 2 爆破振动监测结果 2. 2. 1 爆破振动典型波形 根据图 2 可知， 在爆心距为 35 m 时， 爆破振动 垂向速度峰值达到了 0. 010 m/ s。 图 2 第一次爆破垂向爆破振动监测波形图 Fig. 2 The vertical blasting vibration curve at the third point with the first time 2. 2. 2 爆破振动速度统计与分析 将两次爆破监测振动数据到处， 分别记录每一个 点上垂向、 径向、 切向上的振动速度峰值、 主振频率、 最 大振动速度时刻及振动持续时间， 如表2、 表3 所示。 表 2 第一次爆破数据统计 Table 2 The first blasting data statistics 测点 爆心 距/ m 质点振动速度 峰值/ （cms -1） 振动合速度/ （cms -1） 主振频率/ Hz 最大振动 速度时刻/ s 振动持续 时间/ s X7. 45233. 2030. 2171. 286 1 点28Y7. 32512. 15828. 3200. 3041. 069 Z6. 21535. 1560. 1661. 385 X3. 36513. 4280. 1840. 797 2 点34Y3. 2655. 10213. 4280. 1640. 825 Z2. 01232. 9590. 0280. 961 X1. 26516. 6020. 1181. 571 3 点42Y1. 1551. 96617. 5780. 0611. 127 Z0. 96535. 1350. 1301. 504 表 3 第二次爆破数据统计 Table 3 The second blasting data statistics 测点 爆心 距/ m 质点振动速度 峰值/ （cms -1） 振动合速度/ （cms -1） 主振频率/ Hz 最大振动 速度时刻/ s 振动持续 时间/ s X9. 65533. 2030. 2171. 286 1 点21Y9. 36415. 23628. 3200. 3041. 069 Z7. 15735. 1560. 1661. 385 X6. 35113. 4280. 1840. 797 2 点29Y6. 2549. 78113. 4280. 1640. 825 Z4. 02732. 9590. 0280. 961 X4. 12516. 6020. 1181. 571 3 点35Y3. 2585. 93017. 5780. 0611. 127 Z2. 52135. 1350. 1301. 504 24爆 破 2019 年 6 月 万方数据 从表 2、 表 3 可以看出， 各监测点的振动速度随 着距离的增加而减小的。例如第一次爆破中， 爆心 距 28 m 时振动速度合速度为 12. 158 cm/ s， 在距离 为 34 m 时衰减较快， 只有 5. 102 cm/ s， 最后在距离 42 m 时振动速度较小， 只有 1. 966 cm/ s。该衰减规 律在第二次爆破时也同样呈现出来。对于同一个监 测点的振动速度尽不相同， 第二次爆破垂向振动速 度大于第一次的爆破振动速度， 对应振动峰值第二 次爆破也明显大于第一次爆破， 且最大振速时间也 一致。另外两次爆破的振动持续时间相和频率也都 一致未发生变化。 3 边坡岩体损伤数值模拟 公路边坡扩堑爆破采用微差起爆， 考虑简化建 模， 仅建立两个炮孔， 分别模拟研究炮孔微差起爆和 同时起爆对边坡岩体损伤和稳定性影响。 根据公路边坡扩堑爆破设计方案， 单个孔装药 量 Q 为 10 kg， 因此， 同时起爆和微差起爆单段最大 药量分别为 20 kg 和 10 kg。由爆破振动监测结果 可知振动速度有 3 个方向， 将从振动合速度和有效 应力 2 个方面， 在不同的单段最大药量下， 对公路既 有边坡的稳定性进行对比， 分析单段最大药量对路 堑边坡稳定性的影响。 3. 1 模型建立 3. 1. 1 公路边坡扩堑物理模型 根据扩建要求设计边坡采用台阶式， 上缓下陡， 每隔 10 m 设一级台阶， 平台宽 2 m。利用 ANSYS 有限元模拟软件建立数值模型并进行分析， 模型底 面用固定边界条件， 左右和后面用无反射边界条件， 其它两面自由边界条件， 模型单位是 m-Pa-s。具体 参数模型如下图 3 所示。 图 3 公路边坡爆破模拟模型及参数 （单位 m） Fig. 3 The numerical model and parameters of road slope （unit m） 3. 1. 2 材料模型及边界条件 采用 ANSYS/ LS-DYNA 中内嵌的高能炸药材料 MAT HIGH EXPLOSIVE BURN 来模拟炸药。通过 JWL 状态方程 ［13， 14］， 设置起爆点和起爆间隔时间， 来实现对炸药爆轰过程的模拟。JWL 状态方程的 一般表达式为 P ＝A 1 - ω R1 V e-R1V＋ B 1 - ω R2 V e-R2V＋ ωE 0 V （1） 式中 A、 B、 ω、 R1、 R2为常数； E0为炸药单位体 积内能， Pa； V 为相对体积。乳化炸药的材料及 JWL 状态方程参数如表 4 所示。 表 4 炸药及其状态方程的参数 Table 4 Parameters of dynamite and its equation of state 密度/ （kgm -3） 爆速/ （ms -1） PCJ/ GPaA/ GPaB/ GPaR1R2 ωE/ GPaV 110045003. 61214. 40. 1824. 20. 90. 152. 71. 0 3. 1. 3 岩石力学参数确定 边坡岩体主要是灰岩， 根据地质报告， 岩石力学 参数如表 5 所示。为简化模型和计算工作量， 拟定 该物理模型岩体组成只有灰岩一种成分。 表 5 边坡岩石力学参数 Table 5 Rock mechanics parameters of slope rock mass 密度/ （kgm -3） 弹性模量/ GPa 泊松 比 单轴抗压 强度/ MPa 切变模量/ GPa 单轴抗拉 强度/ MPa 286544. 10. 3245. 12. 1228. 9 3. 2 模拟结果分析 3. 2. 1 数值模型验证 为了验证此次数值模拟的准确性， 将模拟结果 与监测点的振动速度进行对比分析， 选取第一次爆 破振动监测结果 （如图2 所示） 与模拟结果 （图4） 进 行对比， 模拟结果速度波形图如图 4 所示。 在爆破点正上方取 289120 等三个单元的垂直 振动速度的平均值作为三次测点的爆破振动速度， 由图 4 可以看出， 第一次爆破测点 3 的实测振动速 度峰值为 0. 010， 模拟结果显示测点 3 的振动速度 峰值为 0. 015， 系模拟中未添加地表第四系底层导 34第 36 卷 第 2 期 黄梦昌， 文昌盛， 江俊翔， 等 高速公路既有线扩堑爆破对边坡岩体损伤及稳定性研究 万方数据 致的差异， 因此数值模拟的振动速度高于实测振速。 同样第二点的实测和模拟的振动速度峰值分别为 0. 026 m/ s 和 0. 028 m/ s， 可见这两个速度比较吻 合。因此， 可得模拟结果与实测结果较吻合， 可用来分 析和评价爆破振动对边坡岩体损伤和稳定性的影响。 图 4 垂向爆破振动波形图 Fig. 4 Vertical blasting vibration wave diagram 3. 2. 2 爆破振动对边坡稳定性影响 在不同的单段最大药量下， 分别取爆心距 18 m、 24 m、 30 m、 36 m、 42 m、 48 m 条件下的六处典 型单元振动速度进行分析。 （1） 振动合速度曲线 爆心距为18 m 处， 同时起爆和微差起爆条件下 垂向爆破振动速度曲线如图 5 和图 6 所示。 图 5 微差爆破振动合速度曲线图 Fig. 5 Curves of resultant vibration velocity of micro-differential blasting 图 6 同时起爆振动合速度曲线图 Fig. 6 Curves of resultant vibration velocity of onetime blasting 由上图可知， 同时起爆与微差爆破的振动速度 曲线图不同， 一次爆破只出现一次峰值且衰减较快。 而微差爆破振动合速度一共出现两次峰值， 且同时 起爆最大振动速度峰值为 0. 172 m/ s， 微差爆破速 度峰值为 0. 087 m/ s。由此可见， 爆破中单段最大 药量是影响爆破振动速度的主要原因， 利用微差爆 破， 爆心距为18 m 处的单元体垂向爆破振动速度减 小了 100％。 （2） 各单元体爆破振动合速度分析 为方便观察振动速度在边坡岩体中的传播规 律， 取六处单元体的振动合速度作为研究对象， 同时 起爆和微差起爆条件下， 各处的振动合速度峰值如 表 6 所示。 表 6 不同的单段最大药量下振动合速度峰值 Table 6 The maximum vibration velocity of different single segments 点编号 爆心 距/ m 振动合速度峰值/ （ms -1） 微差爆破同时起爆 速度 提高/ ％ 1180. 0850. 16088. 2 2240. 0370. 076105. 4 3300. 0320. 06087. 5 4360. 0270. 05188. 9 5420. 0250. 03852. 0 6480. 0200. 03575. 0 通过对使用微差爆破和同时起爆时产生的振动 合速度进行对比可得， 微差爆破在不同位置处产生 的爆破振动合速度均小于同位置时同时起爆产生的 振动合速度。同时起爆产生的爆破振动合速度相比 较微差爆破， 速度最大提高了 105. 4％， 最小也达到 了 52％。从合速度衰减规律来看， 随着爆心距的增 加， 振动速度前期衰减较快， 后期衰减较缓慢， 因此 爆破振动对于上部台阶的影响依然很大， 在工程爆 破期间应注意对台阶边坡的维护。 3. 2. 3 爆破对岩体损伤研究 爆破产生的应力对岩体损伤一般选取有效应力 进行分析。因此， 在不同的单段最大药量下， 分别取 爆心距 18 m、 24 m、 30 m、 36 m、 42 m、 48 m 条件下的 六处单元体处有效应力进行应力数值分析。 （1） 有效应力时程曲线 爆心距为18 m 处， 同时起爆和微差起爆条件下 有效应力时程曲线如图 7 和图 8 所示。 由图可知， 同时爆破时产生的有效应力在达到 峰值 1. 3 MPa 后迅速出现衰减， 而微差爆破条件下 有效应力一共出现两次峰值， 分别是 0. 65 MPa 和 0. 6 MPa， 峰值和同时起爆条件下相比降低很多， 爆 破振动作用时间增加。由图也可以看出， 微差起爆 条件下， 虽然应力峰值减低很多， 但是载荷作用次数 增加了， 因此岩体中的应力变化也比较复杂。 44爆 破 2019 年 6 月 万方数据 图 7 微差爆破有效应力曲线图 Fig. 7 Effective stress curves of micro-differential blasting 图 8 同时爆破有效应力曲线图 Fig. 8 Effective stress curves of micro-differential blasting （2） 不同距离单元体有效应力分析 为研究有效应力在边坡岩体中的衰减规律， 取 同时起爆和微差起爆条件下， 各处的有效应力峰值 如表 7 所示。 表 7 不同的单段最大药量下有效应力峰值 Table 7 The maximum effective stress of different single segment maximal dose 点编号 爆心 距/ m 岩体有效应力/ MPa 微差爆破同时起爆 应力 提高/ ％ 1180. 6581. 30498. 2 2240. 3570. 60068. 1 3300. 2900. 43951. 4 4360. 2490. 38454. 2 5420. 2030. 33866. 5 6480. 1890. 30360. 3 从表中数据可以看出， 微差爆破的应力峰值明 显小于同时起爆。同时起爆时， 距离较近的单元体 1 应力值达到了 1. 3 MPa， 对比微差起爆时， 增加了 98. 2％。随着爆心距的增加， 同时起爆时的有效应 力增加了至少 50％。从有效应力在岩体中的衰减 规律来看， 随着爆心距离的增加， 有效应力的衰减规 律一致。 4 结论 通过研究和分析爆破振动对既有线高度公路边 坡的稳定性影响， 得出以下结论 （1） 根据工程实际的地质条件和施工工艺建立 了数值模型， 对比分析边坡实际监测和数值模拟结 果， 可以看出数值模拟结果和监测结果基本较吻合， 构建的数值模型可用来预测和研究公路扩堑爆破对 边坡的稳定性影响。 （2） 爆破振动速度沿着边坡传播符合波传播的 衰减规律， 前期衰减较快， 后期衰减较慢。同时起爆 的条件下， 爆破振动合速度比微差起爆合速度增高 了 52. 0％ 105. 4％， 可见影响边坡稳定性的主要 因素是单段最大药量， 并且单段最大药量对爆破振 动在岩体中传播的影响规律较复杂。微差爆破的条 件下， 边坡岩体振动峰值降低很多， 但是振动作用时 间较长， 降低了爆破振动， 增加了载荷作用时间。 （3） 公路边坡扩堑爆破时， 岩体中的有效应力 峰值随着距离的增加衰减较快。对比同时起爆和微 差起爆的爆破条件下， 边坡岩体中的有效应力增加 幅度为 51. 4％ 98. 2％， 从有效应力波形图来看， 有效应力峰值降低了 0. 65 MPa， 但是出现两次应力 峰值， 因此微差起爆可以有效的减小边坡岩体的损 伤， 但是却增加了低载荷在岩体中的作用次数。 参考文献 （References） ［1］ 陶张志， 李玉楼， 刘海鹏， 等. 岩质高边坡爆破施工关 键安全技术研究 ［J］ . 公路， 2018， 63 （10） 89-94. ［1］ TAO Zhang-zhi， LI Yu-lou， LIU Hai-peng， et al. 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Chinese Journal of Underground Space and Engineering， 2017， 13 （ S2） 578-584.（ in Chinese） 英文编辑 黄 櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆 櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆 櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆 櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆 殰 殰 殰 殰 刚 本 刊 告 示 爆破 为 中国核心期刊 （遴选） 数据库 、中国期刊网 、中国学术期刊 （光盘版） 、中 文科技期刊数据库 、 超星学术期刊 “域出版” 平台和 “万方数据 数字化期刊群” 收录期刊。 作者著作权使用费与本刊印刷版稿酬一次性付给。如作者不同意将文章编入， 请在来稿时说明， 本刊将另做特殊处理。 爆破 编辑部谨致 64爆 破 2019 年 6 月 万方数据