公路隧道爆破荷载的计算分析

收稿日期:2004-05-26
作者简介:荣　耀(1979-),男,在读博士,研究方向:地下建筑结构工程1
公路隧道爆破荷载的计算分析
荣　耀1,赵明阶2,黄红元2
(1.同济大学,上海市　200092;2.重庆交通学院,重庆市　400074)
摘　要:通过对爆破荷载模式的分析,根据单孔爆破荷载峰值的大小随距离的衰减关系及药包分散性的影响对多孔爆破荷载进行了推导,得到了控制爆破下的爆破荷载计算模式,并计算了某隧道开挖中的Ⅱ类围岩的爆破荷载,本文给出的方法及计算模式,为这些无任何实测资料的工程提供了一种分析手段。

对于大型的重要工程,用此方法确定爆破荷载,可以减少实测工程量。

关键词:爆破荷载;控制爆破;药包分散性
文章编号:1009-6477(2005)01-0091-04 中图分类号:U459.2 文献标识码:A
Calculation and Analysis of Explo sion Loading of H ighway Tunnels
RONG Yao 1
,ZH AO Ming 2jie 2
,HUANG Hong 2yuan
2
Abstract :In this paper ,through analyzing the explosion loading patterns ,the multi -hole explosion loading is derived from the attenuate relation of a singe hole explosion loading peak changing with distance and effect of dynamite bag dispersion ,a calculated explosion loading pattern under blast control is obtained ,and the explo 2sion loading of surrounding rock (type II )of a tunnel is calculated.F or major projects ,the measurement can be reduced if explosion loading is determined by this method.K ey w ords :explosion loading ;blast control ;dynamite bag dispersion
岩石介质在一般炸药进行爆破时,靠近炸药的一个小范围内,引起的瞬间压力高达数万乃至数十万个大气压,这一巨大压力的瞬时冲击作用在爆孔壁上将激起很高的冲击应力波。

爆生气体楔入裂缝,对裂缝的扩展起着主导作用,目前岩石爆破机理国内外主要在3个方面做了研究:(1)爆生气体作用的理论研究;(2)应力波传播的理论研究;(3)爆生气体与应力波共同作用研究。

关于岩石爆破中是爆生气体还是应力波起主要作用,目前已基本上得到共识,认为岩石的爆破破坏是二者共同作用的结果,只是在不同的岩石和装药条件下,二者的作用程度不同[1],杨年华[2]分析了前人关于爆破破岩机理论述方面的矛盾,通过高速摄影观察有机玻璃中条形装药爆炸波和裂缝发展规律。

对爆破荷载的研究都局限在根据少量的实测资料建立经验公式的基础上,这些经验公式几乎总是用一定的实测手段在一定的围岩条件下得到的结果推广而来的,因此这种经验公式很难具普遍性。

目前还有遗传算法和模拟退火算法以及神经网络法等,遗传算法和模拟退火算法是20世纪90年代发
展起来的一种非线性参数反演方法,有学者做了一些工作,但还不成熟,如肖广智[3]等人根据遗传算法和模拟退火算法建立了根据测试系统动力响应观测数据反演爆炸冲击荷载参数的数值方法,徐全军[4]等将神经网络BP 模型引入深孔爆破地震波加速度峰值的预报中,进行了一些探索工作,但这些方法还不能完全应用于工程实践中。

因此有必要研究爆破荷载计算一般模式。

1　爆破荷载计算模式分析
钻孔爆破开挖施工法在隧道工程中被广泛应用,但这种施工法存在着爆破引起的波传播和由此引起的振动对围岩和地面建筑的危害。

为了减少爆破对围岩及其它建筑物的损害,许多学者对爆破开挖的各种方法进行了研究。

爆破荷载的计算、模拟也得到很高的重视。

本文计算爆破荷载采用国际上大多采用的爆破荷载模型[5-8]:
P (t )=P max f (t )(1)式中　P max ———脉冲峰值;
公路交通技术　2005年2月　第1期 T echnology of Highway and Transport Feb.2005　No.1
f(t)———通常取为指数型的时间滞后函数,表
示成
f(t)=P0(e-nwt/2-e-m wt/2)(2)
其中n和m是与距离有关的无量纲阻尼参数;它们的值决定爆炸脉冲的起始位置和脉冲波形;w 是介质的纵波波速c p和爆孔直径a的函数,即
w=22c p
3a
(3)
P0是当t=t R时,使f(t R)成为列量纲的最大值1.0的常数,t R通常称做爆炸脉冲的起始时间,它是n、m和w的函数:
t R=2ln (n/m)
(n-m)w
(4)
P0=1/(e-nwt k2-e-m wt k2)(5)
炸药爆炸时的最大爆炸压力值与炸药的爆速、密度及装药的结构特征有关,在耦合装药的情况下,最大爆炸压力P b有许多表达式,各种表达式的计算结果也很接近[9]。

1956年Brown给出的最大爆炸压力表达式为:
P b=0.45ρV2/(1.0+0.0008ρ)(6)
1971年Sassa给出的表达式为:
P b=0.042ρV2(1-0.543ρ+0.193ρ2)
(7)
密度取1.0g/cm3,计算出的P b见表1。

表1　P b计算值
名 称表达式(6)表达式(7)
P b值(109Pa) 3.66 4.03
本文中取上述2个表达式计算的最大值作为最大爆炸压力。

在不耦合装药的情况下,P b值小于耦合装药情况下的P b值,它们之间的关系为:
P bN=P bC R e
R b
n・v
(8)
式中　P bN———不耦合装药情况下的P b;
P bC———耦合装药情况下的P b值;
R e———装药的半径;
R b———药室的半径,n为系数,对于柱状装
药,n=2,对于集中装药和球状装药,
n=3;
v———绝热指数(又称气体多方指数),突变
前取3,突变后取1.4。

岩体中传播的爆轰波在装药与岩体的界面上给予岩体的最大压力P max与岩体特性有关,其与最大爆炸压力的关系可以近似表达成:
P max=
2ρCρ
ρCρ+Vρ
P b(9)式中　ρ———岩石密度;
C p———岩石中传播的纵波波速;
V———炸药爆速;
ρ0———炸药密度。

目前大多采用的是多眼同时起爆,多孔爆破荷载与布孔结构有着密切的联系。

目前还没有比较适应光面爆破情况下多孔爆破荷载的计算公式,现定义多孔爆破荷载布孔影响系数:η。

则多孔爆破荷载可写为:
P″max=ηP′max(10)
影响系数η与孔的布置有关,当然还和单孔爆破荷载的大小、孔深、孔的大小等有关,根据经验,孔深、孔的大小等影响可暂不考虑,只考虑单孔爆破荷载的大小和孔的布置对影响系数η的影响。

药量相等、药包分散程度不相同时,爆破地震效应也不同。

地震动速度随距离变化的关系如图1、图2所示。

沿炮孔中心连线方向药包越分散
,地震动速度降低幅值越大,其降低值为25.2%～46%。

垂直炮孔中心连线方向在药包半径r的400～500倍范围内,随着药包的分散,地震动速度并未降低反而增高,但在超过400～500倍时则地震动速度急剧下降。

单孔爆破荷载峰值的大小随距离的衰减关系可表示为[10]:
P c=D
3
8r3
×P max(11)式中　P max———单孔爆破荷载峰值;
r———计算点离爆孔的距离;
D———爆孔直径(m)。

则多孔爆破荷载的峰值可表示为:
P′max=(
P1
r31
+
P2
r32
+…+
P n
r3n
)×D
3
8
(12)
29 公　路　交　通　技　术 2005年。