隧道爆破振动控制方法研究_刘媛媛.pdf

隧道爆破振动控制方法研究刘媛媛1，汤志健2，杜明燃3(1中国爆破器材行业协会，北京 100089;2北京中科力爆炸技术工程有限公司，北京 101318;3安徽理工大学 化学工程学院，安徽 淮南 232001)摘要:为了完善隧道爆破振动安全判据，基于能量原理，以最大瞬时输入能量衡量首次超越破坏，以滞回耗能衡量累积损伤破坏，将二者相结合作为隧道爆破振动安全判据。以北京国道 109 高速公路工程三工区爆破施工现场为依托，选择合理的间距布设振动监测点，以实测数据为基础，对各点瞬时输入能量和滞回耗能进行计算。同时，选取不同的掏槽孔延期时间，监测不同距离下的振动数值，进行瞬时输入能量和滞回耗能计算。研究表明:当瞬时输入能量足够大时，隧道结构会在短时间内发生破坏，当滞回耗能达到一定值时，隧道结构会发生累积损伤破坏;基于瞬时输入能量与滞回耗能二者相结合使用的安全判据具有科学性与全面性;选择合理的掏槽孔延期时间需要考虑爆源与保护物之间的距离。关键词:爆破振动;安全判据;瞬时输入能量;滞回耗能中图分类号:TD235文献标志码:A文章编号:16743970(2023)01000606收稿日期:20221120作者简介:刘媛媛(1988)，女，北京人，硕士，工程师，主要从事民爆器材和爆破技术方面的研究。Email:13810808640 163com。引用格式:刘媛媛，汤志健，杜明燃隧道爆破振动控制方法研究 J 煤矿爆破，2023，41(1):611LIU Yuanyuan，TANG Zhijian，DU Mingranesearch on method of controlling tunnel blasting vibration J Coal MineBlasting，2023，41(1):611esearch on method of controlling tunnel blasting vibrationLIU Yuanyuan1，TANG Zhijian2，DU Mingran3(1China Explosive Materials Trade Association，Beijing 100089，China;2Beijing CASMechanics Blasting Co，Ltd，Beijing 101318，China;3School of Chemical Engineering，Anhui University of Science Technology，Huainan 232001，China)Abstract:In order to improve the safety criterion of tunnel blasting vibration，based on the energy principle，themaximum instantaneous input energy is used to measure the firstpassage damage，and the hysteresis energy consumption isused to measure the cumulative damage The combination of the two mentioned above is used as the safety criterion of tunnelblasting vibration Based on the blasting construction site of the third work area of Beijing National Highway 109 ExpresswayProject，the reasonable spacing is selected to set up vibration monitoring points Based on the measured data，theinstantaneous input energy and hysteresis energy consumption of each monitoring point are calculated At the same time，different delay time of cutting hole is selected to monitor the vibration value at different distance，and the instantaneousinput energy and hysteresis energy consumption are calculated The results show that when the instantaneous input energy islarge enough，the structure of the tunnel is destroyed in a short time，and when the hysteresis energy reaches a certainvalue，the cumulative damage appears in the tunnel structure The safety criterion based on the combination of instantaneous6Vol.41 No.1Mar.2023Coal Mine Blasting第 41 卷第 1 期2023 年 3 月input energy and hysteresis energy consumption is scientific and comprehensive Choosing a reasonable cut hole delay timeneeds to consider the distance between the explosion source and the protective objectKey words:blasting vibration;safety criterion;instantaneous input energy;hysteresis energy consumption0引言隧道工程结构在爆破振动作用下的结构能量响应非常复杂，它不仅受到爆破地震波本身特征的影响，还受到其结构本身的固有属性的影响。因此，以振速1 这一单因素指标作为安全判据得到较为广泛的应用。但是，随着大量的爆破工程振动灾害的出现，研究人员开始意识到采用单一振速作为振动安全判据的标准具有较大的局限性24。在爆破振动作用下，结构破坏主要有两种形式:一种是爆破地震波输入到结构中的能量大于结构自身能承受的能量导致结构发生破坏，即首次超越破坏;另一种是在多次爆破和长延时爆破时，结构的损伤会不断累积，当损伤累积到一定数值时结构发生破坏，即累积损伤破坏5。在爆破工程领域的范畴内，结构发生破坏均是爆破振动本身的特征，以 及 结 构 自 身 的 动 力 响 应 共 同 作 用 的 结果67。因此，找到两种破坏形式的衡量标准，将两者同时应用于爆破振动危害的安全判据会更科学而全面。1爆破振动危害评价方法1.1瞬时输入能量利用 HHT 法可以求出爆破地震波的瞬时输入能量8，利用双线型恢复力模型求解结构在弹塑性反应下的最大瞬时输入能量，以准确地反映结构在爆破地震波作用下发生的最大位移首次超越破坏。结构能量反应中连续两个速度零点之间的输入能量称为瞬时输入能 E，由于两点之间的速度为零，则动能增量为零9，因此，t+ttc(U(t)2dt+t+ttF(U(t)U(t)dt=t+tt mgt()U(t)dt(1)即ED+EH+EE=EI(2)式中:(t)，U(t)，U(t)分别为体系相对于地面的加速度、速度和位移;t 为时间间隔;c 为速度;m为质量;t 为时间;EI为输入到结构中的能量脉冲，在结构能量反应过程中最大瞬时输入能量 EImax必然引起较大的位移增量，使结构在吸收之后有可能达到位移反应的最大值。以实测加速度信号为例计算瞬时输入能量，得到瞬时输入能量时程曲线，如图 1 所示，该曲线的峰值称为最大瞬时输入能量。图 1瞬时输入能量的时程反应由图 1 可知，在隧道爆破中，由于多段起爆的原因，瞬时输入能量有多个峰值。最大瞬时输入能量一般出现在掏槽孔爆破时，瞬时能量作用于结构，具有瞬时性，阻尼能可以作为输入能量的耗散方式，但是当瞬时能量足够大时，阻尼能还未发挥作用，结构会在短时间内发生破坏，这种情况在结构离爆源较近的区域会经常出现。由最大瞬时能量的定义可知，PPV 与主频是其主要影响因素，与爆破振动的持续时间无关，因此，它无法反映累积损伤。1.2滞回耗能依据达朗贝尔原理，在单自由度体系10 中:FI+Fd+Fs+P t()=0(3)即m(t)+c U(t)+F(U(t)=mgt()(4)当结构为弹塑性体系时，Fs表示弹塑性结构的恢复力，因此，式(4)在弹塑性结构下消除质量的影响可以变形为7第 41 卷第 1 期2023 年 3 月Coal Mine BlastingVol.41 No.1Mar.2023(t)+2 U(t)+p2U(t)=gt()(5)式中:(t)，U(t)，U(t)分别为体系相对于地面的加速度、速度和位移;为体系阻尼比，=c/2mw，假设为常量，其中 c 为阻尼系数，w 为体系的自振频率，为该系统无阻尼时的自振频率;g(t)=P(t)/m为地面运动的加速度，即输入的爆破振动加速度时程曲线。以实测加速度信号作为动力计算的输入信号，选取结构的阻尼比=0.05，结构的固有周期 T=0.1 s，双线型恢复力模型屈服强度系数为 0.3，屈服后的刚度折减系数为 0.02，计算得到滞回耗能谱如图 2 所示。图 2滞回耗能谱滞回耗能在隧道爆破过程中只要振动不结束，其值就会随着时间的推移而随之增加，并且能量的最大值通常出现在爆破振动结束的时刻，滞回耗能是一个累积的过程。当工程结构进入非弹性阶段之后，滞回耗能会成为能量消耗的主要方式，因此，以滞回耗能作为隧道爆破过程中相关工程结构塑性累积损伤的指标1112。2振动监测及数据分析掏槽孔爆破是降振的关键所在，为了研究掏槽孔起爆最佳延期时间，首先需要获得掏槽爆破时相应的波形。以北京国道 109 新线高速公路工程三工区爆破工程为依托，在隧道一侧的边墙上布置测点，炮孔参数及测点布置如图 3、图 4 所示。图 3隧道断面炮孔布置参数(单位:mm)图 4隧道测振布点示意图测试后，得到边墙位置 10 组数据，爆破振动波形如图 5 所示，测试结果见表 1。图 5边墙实测爆破地震波波形8Vol.41 No.1Mar.2023Coal Mine Blasting第 41 卷第 1 期2023 年 3 月表 1边墙测试结果测点编号爆心距/m掏槽药量/kg质点峰值振速/(cms1)主频/Hz持续时间/s破坏情况13828.81.9460.711.79裂缝24227.21.5256.011.58完好无损34522.21.4147.711.67完好无损44830.61.2837.081.82喷浆脱落55118.51.0436.671.23完好无损65426.11.1435.931.55完好无损75824.81.0435.791.33完好无损86027.60.9428.921.38裂缝96330.20.9828.861.49完好无损106638.00.7826.972.05喷浆脱落按照 爆破安全规程 中隧道结构 15 cm/s 的允许值，上述数据均处于安全值内。选取相同位置进行测试试验，如图 6 所示，在编号为 1、8 两点测试时，测点附近位置衬砌出现了细小裂缝，而在编号为 4、10 两点测试时，测点附近位置衬砌出现了喷浆小部分脱落的情况，说明以质点峰值振速作为安全判据并不完全可靠，还需要进行完善。对选取的 10 组数据进行能量计算，见表 2。图 6初衬破坏情况表 2边墙的能量反应测点编号峰值振速/(cms1)最大瞬时输入能量/J滞回耗能/J破坏情况11.94230.232 319.98裂缝21.52185.992 039.79完好无损31.41132.401 490.85完好无损41.28145.793 046.03喷浆脱落51.04192.931 845.72完好无损61.14163.821 945.75完好无损71.04138.641 605.11完好无损80.94228.501 847.30裂缝90.98166.881 883.43完好无损100.78147.843 270.43喷浆脱落由表 2 可知，出现破坏情况的测点均有一个共同的特点，即其最大瞬时输入能量大于 200 J 或者其滞回耗能大于 3 000 J。但是需要指出的是，无论是最大瞬时能量的阈值还是滞回耗能的阈值，都需要大量的试验数据进行验证，更需要工程实践进行检验。以最大瞬时输入能量与滞回耗能作为安全判据可以从能量的角度解释离爆源较近的结构发生破坏较多的原因，同时解释了在相同爆破条件下，离爆源更近的工程结构未发生破坏而离爆源较远的工程结构却发生了破坏的情况，即安全规程阈值中处于安全振速范围内的工程结构发生破坏的现象。因此，基于最大瞬时输入能量和滞回耗能的安全判据可以对现有的安全判据进行补充和完善。3延期时间的选取在城市地下工程爆破施工中，经常出现受保护对象离爆源很近的情况，这时需要对爆破方案进行调整，尽量减小爆破振动所产生的危害。选取合理的掏槽9第 41 卷第 1 期2023 年 3 月Coal Mine BlastingVol.41 No.1Mar.2023孔爆破延期间隔时间，可以为爆破振动危害的主动控制提供参考意见。利用电子雷管对掏槽孔进行逐孔起爆，延期时间分别为10、20、30、40 ms，在距离掌子面38 m、48 m 和 58 m 的 3 个隧道断面上，一共得到12 组波形，其加速度时程曲线如图 7 所示，同时对振动波形的三要素进行统计得到图8 至图10。(a)爆心距 38 m(b)爆心距 48 m(c)爆心距 58 m图 7不同爆心距下加速度时程曲线图 8不同延期间隔的地震波质点振动速度峰值图 9不同延期间隔的实测地震波主频图 10不同延期间隔的实测地震波持续时间由上述组图可得:若掏槽孔起爆延期时间相同，测点离掌子面越远，振动的持续时间越长;起爆延期时间相同，爆心距不同会影响地震波的振动特征，降振最佳延期时间的选取需要考虑爆心距的影响。对不同爆心距下不同延期时间的振动波形求解能量，计算结果见表 3。01Vol.41 No.1Mar.2023Coal Mine Blasting第 41 卷第 1 期2023 年 3 月表 3不同延期间隔下爆破地震波的能量反应/m/msT=0.05 sT=0.1 sT=0.2 sT=0.3 sE1max/JEH/JE1max/JEH/JE1max/JEH/JE1max/JEH/J3810202.432 826.09193.362 604.02175.982 368.53132.892 054.9120171.522 491.96164.712 271.37141.882 057.61128.351 913.7430189.332 582.36172.952 423.11153.792 167.13129.461 949.7940201.222 735.46187.582 524.18168.182 300.74130.352 018.71481072.691 157.3366.471 117.3854.78988.3343.23906.332096.381 372.0785.511 291.0976.361 209.4257.411 007.313064.49997.1150.85906.3642.78791.4132.79698.174070.521 117.3462.821 021.4850.03886.0938.37802.91581021.54495.2218.01455.1814.82394.0110.56364.362052.81986.0447.47817.3341.21737.5525.21677.513019.91482.7617.16434.5613.02383.239.13343.974019.05468.3915.52414.1411.44363.697.57313.99由表 3 可得:1)爆心距与延期时间不同，结构自振周期增大会使最大瞬时输入能量与滞回耗能降低，这是由于实测数据主频均偏高，爆破地震波的振动周期与结构自振周期更为接近，因此，能量反应增大。2)当测点到掌子面距离为 38 m，延期间隔时间为 10、40 ms，自振周期为 0.05 s 时，最大瞬时输入能量均超过 200 J，滞回耗能均未超过 3 000 J。因此，当结构自振周期为 0.05 s 时，延期间隔时间为 10、40 ms 情况下，隧道边墙位置初衬可能发生首次超越破坏，而当延期间隔时间为 20 ms 时，最大瞬时输入能量与滞回耗能较低。因此，当爆心距为38 m时，掏槽孔之间以 20 ms 延期起爆最为合适。3)爆心距为 48 m，最大瞬时输入能量与滞回耗能值均减小，延期间隔时间为 30 ms 时，最大瞬时输入能量与滞回耗能最小。因此，当爆心距为48 m 时，掏槽孔之间以 30 ms 延期起爆最为合适。4)爆心距为 58 m，最大瞬时输入能量与滞回耗能值均减小，延期间隔时间为 20 ms 时下降幅度不大，这是因为振动速度峰值下降会使相应的主频降低，导致结构能量响应增加。当延期间隔时间为40 ms 时，最大瞬时输入能量与滞回耗能最小。因此，当爆心距为 58 m 时，掏槽孔之间以 40 ms 延期起爆最为合适。由上述分析可知，在选择合理的掏槽孔起爆延期时间时，需要考虑测点或受保护对象到爆源的距离。在实际施工过程中，应根据保护对象距爆源的距离选择合理的延期时间。4结论本文提出以最大瞬时输入能量来表征隧道结构首次超越破坏，以滞回耗能来表征隧道结构的累积损伤破坏，利用其作为隧道爆破振动的安全判据，并结合工程实例进行了检验，同时以此判据为爆破振动主动控制的分析方法。主要的研究结论为:1)在隧道爆破中，最大瞬时输入能量一般出现在掏槽孔爆破时，作用在结构上具有瞬时性，当瞬时能量足够大，则结构会在短时间内发生破坏，这种情况在结构离爆源较近的区域会经常出现。2)滞回耗能是一个累积的过程，当工程结构进入非弹性阶段之后，滞回耗能会成为能量消耗的主要方式，当滞回耗能达到一定值，隧道结构会发生累积损伤破坏，解释了隧道中离掌子面较远的结构发生破坏而离掌子面较近的位置未发生破坏的现象。3)以最大瞬时输入能量衡量首次超越破坏，以滞回耗能衡量累积损伤，将二者结合使用的安全判据具有科学性与全面性，以最大瞬时输入能量与滞回耗能作为结构破坏的判断标准可以对现有的安全判据进行补充和完善。4)选择合理的掏槽孔起爆时差需要考虑测点或者被保护对象到爆源的距离，不同的距离对振动波形造成的影响不同，因此，选择延期时间必须考虑爆心距。(下转第 22 页)11第 41 卷第 1 期2023 年 3 月Coal Mine BlastingVol.41 No.1Mar.20236 夏金民，黄文尧耐磨金属爆炸焊接复合板的研究J煤矿爆破，2019，37(1):31347 陈晓强，张可玉，王志广，等水下爆炸焊接有关技术实验研究J工程爆破，2012，18(2):72758 孙伟，李晓杰，闫鸿浩合金工具钢的水下爆炸焊接J爆炸与冲击，2016，36(1):1071129 SUN W，GUO J，ZHANG W，et al Microstructure andstrengthening mechanism of Ti/Cu laminated compositeproduced by underwater explosive weldingJ Journal ofMaterials Engineering and Performance，2020，29:11110 LIANG H L，LUO N，CHEN Y L，et 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