45°斜井全断面正向掘进爆破振动影响研究

四川建筑 第 39 卷 2 期 2019. 4
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· 岩土工程与地下工程 ·
的相应值。动强度与静强度的差别如此悬殊必须与动荷载 的瞬间性联系起来考虑。动荷载在介质中引起的动应力脉 冲是局部的与瞬间的，若周期性的重复多次则可能引起疲劳 性破坏。
本次计算假定： 在爆炸荷载下，围岩的弹性模量提高到 原来的 5 倍； 衬砌的强度和弹性模量分别提高 50 %和 25 %， 具体如表 1 所示。
【关键词】 45°斜井； 爆破振动； 正向掘进； 衬砌安全
【中图分类号】 U455．6
【文献标志码】 A
当反井法开挖斜井时，不但要确保导孔掘进顺利完成并 保证钻进方 向 精 度，还 要 控 制 好 斜 井 正 向 开 挖 的 质 量 与 安 全。为此，本文运用控制爆破理论、数值模拟等方法，对包括 正向掘进爆破振动影响、开挖过程围岩稳定斜井结构是否安 全等进行研究。
［定稿日期］2018－12－27 ［作者简介］郑正勤（ 1970 ～ ） ，男，硕士，高级经济师，从 事水利水电工程管理工作； 张学彬（ 1974 ～ ） ，男，本科，教授 级高级工程师，从 事 隧 道 与 地 下 工 程 施 工 技 术 与 管 理 工 作 ； 张华武（ 1988 ～ ） ，男，本科，助理工程师，从事隧道与地下工 程施工技术与管理工作。
根据爆破振动理论 分 析［5－ 8］ ，爆 破 荷 载 可 简 化 为 线 性 上 升段和下降段的三角形荷载，且假定作用在隧道开挖边界面 上。荷载上升段、下降段作用时间在参考众多资料结合大量 实测经验的基础上，本次计算上升段时间取 12 ms，下降段结 束时间取 100 ms，为了解爆破荷载结束后质点的情况，计算 总持续时间取为 1．0 s（ 图 1） 。
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45°斜井全断面正向掘进爆破振动影响研究
郑正勤1 ，张学彬2 ，张华武2
（ 1． 国电大渡河猴子岩水电建设有限公司，四川甘孜 626005； 2． 中国水利水电第七工程局有限公司，四川成都 610081）
【摘 要】 在爆破区的一定范围内，当爆破引起的振动达到足够的强度时，就会对周围环境造成各种影 响。文章结合猴子岩水电站斜井工程，采用三维有限元软件（ FLAC3D ） 对该斜井段爆破振动影响进行了数值 模拟，探讨了爆破振动对斜井衬砌的影响。研究结果表明： （ 1） 从爆破开挖过程中引起衬砌振动速度来看，水 平竖直纵向三个方向上的振速峰值相差不大，但极值易出现在边墙中上部纵向上，为此在施工过程中要及时 进行监控量测和制定相应的处理措施，并及时反馈及时处理。（ 2） 随着开挖进尺的逐渐增大，爆破施工对衬 砌的影响逐渐削弱。当进尺为 3 m 时，斜井爆破对衬砌的影响远大于裂缝密集段制定的安全控制标准； 当进 尺减至 1．5 m 时，衬砌处于安全范围。（ 3） 根据上述分析，结合斜井施工实际情况（ 考虑到围岩裂缝发育） ，进 尺应控制在 2 m 左右，结构便处于安全可控范围内。
1 爆破计算中关键问题的处理
1．1 模型边界问题 地下结构工程动力问题，一般可以采用有限元等方法进
行分析［1－ 4］ 。采用有限元 法 进 行 动 力 分 析 时 ，必 须 把 实 际 上 近于无限大的计算域用一人为边界截断，取一有限大小区域 进行离散化，但是由于岩土的成层性、波在界面上的反射和 透射以及动荷载类型等因素的影响，具体取多大范围比较合 理以及在边界上如何给定边界条件，是目前尚未很好解决的 一个重要研究 课 题。目 前，主 要 有 简 单 的 截 断 边 界、粘 滞 边 界、一致边界或透射边界、有限元和无限元或边界元相结合 等方法，但上述几种方法一般只适用于在频域中求解，而对 于需要在时间域中求解的真正非线性问题，除了把边界取得 尽可能远一些以外，目前还没有更合适的办法。 1．2 冲击荷载和动态强度的确定 1．2．1 爆破冲击荷载
表 1 动载极限强度值
混凝土等级
动载极限强度 / MPa
抗拉
抗压
C25
2．46
23
图 2 计算模型
1．3 重力的影响分析 在实际工程结 构 中，重 力 作 为 已 知 的 外 力，重 力 对 结 构
的内力和变形 影 响 很 大。重 力 问 题，一 般 都 属 于 静 力 问 题， 用结构静力学的方法去研究。但其对结构动力分析的影响， 由分析结果表明： 如果结构是线弹性的，或结构处于线弹性 范围，并且是小变形，包括小位移阶段，重力问题的分析和动 力问题的 分 析 可 以 分 别 讨 论。在 线 弹 性 范 围，小 变 形 条 件 下，考虑重力影响的结构体系的运动方程与无重力影响时的 运动方程一致，因此，在这种条件下，研究结构动力反应时， 可以完全不考虑重力的影响，建立体系的运动方程，求解动 力荷载作用下的运动方程得到运动解。当需要考虑重力影 响时，采用叠加原理，结构总反应等于静力解加动力解。
2 计算模型的建立
2．1 材料参数 计算中材料参数的选取是在重点参考斜井地勘资料的
关于地下洞室 爆 破 冲 击 荷 载 的 确 定，目 前 研 究 甚 浅，至 今尚无一种准确确定其大小的方法和理论。常见的爆破荷 载峰值计算方法包括： 方法一，根据爆破产生的应力波传播
图 1 爆破荷载加载曲线
与衰减过程，进行逐步计算； 方法二，根据对现有众多爆破荷 载峰值公式进行统计分析，得到一个经验公式并进行计算。 本文取方法一为计算爆破峰值荷载依据。 1．2．2 动态强度
在冲击荷载作用下，混凝土的极限强度和弹性模量将会 与静载情况有所不同。混凝土材料在冲击荷载作用下，极限 抗压强度和弹性模量均随减至 0．03 s 时，强度和弹性模量分别提高 30 % ～ 56 %和 20 % ～ 25 %。
根据相关资料［9－10］，岩石对动荷载与对静荷载的反应是 完全不同的，也就是说，岩石抵抗动荷载的动强度与静强度 是完全不同的，前者约为后者的 5 ～ 10 倍。在冲击荷载下，软 岩的动抗压强度和动弹性模量将以近 10 倍计远高于静载时