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爆破动载荷作用下支护结构的动态安全距离研究
2018-03-30
地下洞库在开挖过程中,掘进爆破振动对围岩及支护工程的影响不容忽略。锦州地下洞库3 北洞罐长934 m,基于地震波传播的空间效应,把3 北洞罐分成3 段,得出了各段的速度衰减规律。结果表明:洞罐前段衰减速率最快,中段次之,末端衰减最慢。按照新浇筑混凝土的爆破振动安全振速,确定了洞罐掘进在前段、中段和末端的安全距离,研究结果对其他洞罐支护安全距离的选择提供了理论依据。
Series No. 501ꢀ Marchꢀ 2018 金ꢀ ꢀ 属ꢀ ꢀ 矿ꢀ ꢀ 山ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 总第 501期 METAL MINE 2018 年第 3 期 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 爆破动载荷作用下支护结构的动态安全距离研究 李怀宾ꢀ 赵兴东ꢀ 赵一凡ꢀ 李洋洋 东北大学井巷与地压控制研究中心,辽宁 沈阳 110819) ( 摘ꢀ 要ꢀ 地下洞库在开挖过程中,掘进爆破振动对围岩及支护工程的影响不容忽略。 锦州地下洞库 3 北洞罐长 34 m,基于地震波传播的空间效应,把 3 北洞罐分成 3 段,得出了各段的速度衰减规律。 结果表明:洞罐前段衰减速 9 率最快,中段次之,末端衰减最慢。 按照新浇筑混凝土的爆破振动安全振速,确定了洞罐掘进在前段、中段和末端的安 全距离,研究结果对其他洞罐支护安全距离的选择提供了理论依据。 关键词ꢀ 地下洞库ꢀ 爆破振动ꢀ 速度衰减规律ꢀ 安全距离 ꢀ ꢀ 中图分类号ꢀ TD354ꢀ ꢀ ꢀ 文献标志码ꢀ Aꢀ ꢀ ꢀ 文章编号ꢀ 1001-1250(2018)-03-068-03 ꢀ DOIꢀ 10. 19614 / j. cnki. jsks. 201803012 ꢀ Study on Dynamic Safety Distance of Supporting Structure Under Dynamic Blasting Load Li Huaibinꢀ Zhao Xingdongꢀ Zhao Yifanꢀ Li Yangyang ( Research Center for Shaft & Roadway and Ground Pressure Control,Northeastern University,Shenyang 110819,China) Abstractꢀ During the excavation process of underground cavern,the effect of the excavation blasting vibration on the surrounding rock and the supporting project can not be neglected. The 3N cavern in the Jinzhou underground cavern is 934 m long. Based on the spatial effect of seismic wave propagation,the 3N cavern is divided into three sections,obtaining the speed attenuation law of each section. The results showed that the decay rate of the front section is the fastest,followed by the middle, and the final section is the slowest. According to the safe vibration velocity of the blasting vibration of the new pouring con- crete,the safety distance in the front,middle and the final section of the cavern were determined. The results provide a theoreti- cal basis for selecting the safety distance of other cavern support. Keywordsꢀ Underground cavern,Blasting vibration,Speed attenuation law,Safety distance [ 7] 采用数值模拟的方法,分析了大型洞库开挖爆 ꢀ ꢀ 随着当前经济的发展和各种工程建设的需要,由 等 于钻爆技术的强适应和低成本性,被广泛应用于隧道 掘进、矿山开采、地下洞库的开挖等工程领域。 但是, 钻爆引起的动载荷以应力波的形式向四周传播,对爆 源周围的各种结构均产生不同程度的影响,有时候会 破振动对混凝土衬砌的影响。 爆破引起岩体及支护 结构的破坏是一个复杂的过程,与复杂的地质条件、 爆破方式的选择、地下空间效应等因素有关,即使在 同一地区,也会发生很大的变化,因此,爆破振动引起 的速度场一直没有一个特定的解析解。 本项目在现 场监测的基础上,对地下洞库掘进过程中的爆破振动 速度衰减规律进行研究,最后给出地下洞库支护工程 的动态安全距离。 [ 1-3] 导致支护结构的破坏,甚至引发岩爆的发生 。 因 此,地下工程的掘进爆破中产生的地震波引起围岩和 支护结构的振动,这是导致施工不安全的重要因素。 [ 4] 用 近年来对爆破振动的研究发展较快,左双英等 数值模拟方法,研究了隧道爆破掘进中质点振动衰减 1ꢀ 工程背景 锦州地下水封储油洞库位于中国东北地区辽宁 [ 5] 规律以及围岩动力损伤特性;杨国梁等 利用现场 爆破测试对周期性爆破振动下围岩的损伤累积效应 省,地貌单元属于剥蚀丘陵,海拔高程 12. 70 ~ 42. 83 [ 6] 3 进行了研究;杜汉清 在酉酬水电站进行现场爆破 试验,对爆破振动的速度衰减规律进行研究;马淑娜 m,设计库容 300 万 m ,建造 4 组洞罐(每组洞罐由 2 条断面、长度相同的储油洞室通过连接巷道相连接而 收稿日期ꢀ 2018-01-02 基金项目ꢀ 国家重点研发计划项目(编号:2016YFC0600803),国家自然科学基金项目(编号:51474052), 中央高校基本科研业务费专项资金项目 编号:N150102001)。 作者简介ꢀ 李怀宾(1987—),男,博士研究生。 ( · 68· ꢀ ꢀ ꢀ 李怀宾等:爆破动载荷作用下支护结构的动态安全距离研究ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2018 年第 3 期 构成)。 其中每条储油洞室长度均为 934 m,断面跨 度和高度分别为 19 m 和 24 m,设计净断面面积为 2 36. 1 m 。 3 北洞罐为本次重点研究区域,洞罐围岩 4 主要为天桥单元(K1 T)中粗粒花岗岩,中间穿插辉绿 岩、角闪闪长玢岩、细晶石等岩脉,以Ⅱ级为主,围岩 总体质量较好。 工程场区没有活断层和区域断层分 布,野外实地核查发现在场区附近有断层出露地表, 但断层均没有在第四系被错断的迹象,说明这些断层 在第四纪以来没有明显的活动。 断层构造及其活动 对洞库影响较小。 地下储油洞库三维模型见图 1。 图 2ꢀ 测点布置示意图 Fig. 2ꢀ The layout of the measuring point 图 3ꢀ MiniMate Plus 爆破地震仪 Fig. 3ꢀ MiniMate Plus blasting seismograph 图 1ꢀ 地下储油洞库三维模型 Fig. 1ꢀ Three-dimensional model of underground oil storage caverns 图 4ꢀ 传感器安装 由于储油洞罐工程的特殊性,必须保证施工后支 护的效果,防治石油的泄露,对 3 北掘进爆破过程中 产生的爆破振动强度进行了监测,确定最优的支护工 程安全距离。 Fig. 4ꢀ Sensor installation 3 ꢀ 现场测试结果分析 洞罐掘进采用正台阶分 3 层开挖爆破的施工方 式,其中拱顶层由于自由面少、受到围岩夹制作用大, 因此采用横向分块、水平孔槽爆破的施工方案。 拱顶 层以下各层多采用光面爆破或垂直深孔预裂爆破来 施工,等爆心距处一次起爆药量越大,质点振动速度 就越大,反之越小,而爆破总药量对振动速度的影响 较小,故计算中取最大段药量。 本次爆破雷管总共有 2 ꢀ 爆破振动监测方案 为研究 3 北洞罐掘进爆破过程中产生的爆破振 动对支护工程的影响,在 3 北洞罐布置 4 个测点进行 监测,测点等间距布置在洞罐侧壁(间距 20 m),距离 底板约 1. 5 m。 由于地下洞库的空间限制,爆破测试 # 点一般距离掌子面约为 100 ~ 250 m,1 测点距离工 7 段,装药量最大段为第 5 段,最大药量为 110 kg,根 作面 100 m,现场布置如图 2 所示。 采用 MiniMate Plus 爆破振动仪进行振动信号采集(如图 3),该仪器 有 2 个三向(纵、横、竖) 标准振动速度传感器,三向 振动传感器方向设置为:X 方向平行巷道且垂直工作 面,Y 方向垂直巷道且平行工作面,Z 方向垂直巷道 侧壁。 为了防止传感器固定不牢引起测试结果误差, 采用“T”型钢支架固定在巷道侧壁上,确保外力作用 下不会有任何晃动,然后将传感器固定在“T”型钢支 架上(如图 4)。 洞罐掘进日进尺约 7 m,为了达到良 好的监测效果,随着洞罐的不断掘进,把洞罐划分为 前段、中段和末端 3 段(每段为洞罐总长度的 1 / 3), 相应的测点位置也随着洞罐的掘进而前移,约循环 8 个日进尺,传感器重新布置一次,如此,可以保证因距 离太远而监测不到信号,确保监测数据的有效性。 据统计表明,采用爆破振动加速度、振幅等进行线性 回归离散程度大,所以,本研究采用质点振动速度作 为安全振动的控制标准。 根据监测的数据,利用萨道夫斯基经验公式,对 质点振动合速度 PPV 进行回归分析。 并结合最小二 乘法,计算 k、α 值,得出洞罐前段、中段和末端的相应 速度衰减经验公式。 3 洞罐前段:v = 159. 2( Q / R) 3 洞罐中段:v = 105. 0( Q / R) 1 1 . 51 . 17 , , (1) (2) (3) 3 洞罐末段:v = 32. 0( Q / R) 0 . 72 , 式中,v 为振速,m/ s;Q 为最大一段起爆药量,kg;R 为测点与爆源中心的距离,m。 以上表明:洞罐前段衰减速率最快,中段次之,末 · 69· 总第 501 期ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 金ꢀ ꢀ 属ꢀ ꢀ 矿ꢀ ꢀ 山ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2018 年第 3 期 端衰减最慢。 这是因为,洞库前段作业时,地震波来 回传播路程短,且未开挖岩体吸收部分地震波从而导 致振速衰减最快。 洞库末端与此情况正好相反,地震 波来回传播路线长,洞库空区空间大,导致地震波在 洞库中来回震荡,因此衰减速率最慢。 5ꢀ 结ꢀ 论 通过对锦州地下洞库 3 北洞罐掘进爆破振动的 监测。 充分考虑空间效应对洞罐爆破振动的影响,把 洞罐的监测分成 3 段:洞罐前段、中段和末端,整合监 测数据,利用萨道夫斯基经验公式,对质点振动合速 度 PPV 进行回归分析,并结合最小二乘法,求出各段 的振动速度衰减规律。 结果表明:洞罐前段衰减速率 最快,中段次之,末端衰减最慢。 并根据新浇筑混凝 土允许的安全振动速度,确定 3 北洞罐的前段安全距 离为 70 m,中段安全距离为 140 m,末端安全距离为 4 ꢀ 支护结构安全距离确定 目前,大多数国家采用质点振动速度作为衡量爆 破振动强度的指标,我国最新版 《 爆破安全规程》 GB 6722—2014) 针对交通隧道和水工隧道等的规 ( 定如表 1。 地下储油库工程使用了大量混凝土支护, 对爆破振动强度控制十分严格。 依据表 1 给出的新浇 筑大体积混凝土的安全允许振动标准,对于 0 ~ 3 d 情 况,振动速度允许值为 2 ~ 3 cm/ s,考虑到地下储油洞 库工程的特殊性,综合考虑后,对于 3 北洞罐新浇筑大 220 m。 基于此,可以对后期的施工进行指导,确保施 工安全,保证洞库围岩的稳定性。 参ꢀ 考ꢀ 文ꢀ 献 体积混凝土保证振动安全的速度不大于 2 cm/ s。 表 1ꢀ 爆破振动安全判据 [ 1]ꢀ 杨年华. 爆破振动理论与测控技术[M]. 北京,中国铁道出版社, 014:177ꢁ178. 2 Table 1ꢀ Safety criterion for blasting vibration Yang Nianhua. Blasting Vibration Theory and Measurement and Con- trol Technology[M]. Beijing:China Railway Press,2014:177-178. 安全允许振速/ (cm/ s) 10 Hz 10 ~ 50 Hz 50 ~ 100 Hz 序号 保护对象类别 < 1 土窑洞、土坯房、毛石房屋 0 ~ 1. 0 0. 7 ~ 1. 2 1. 1 ~ 1. 5 [2]ꢀ 李庆文,乔ꢀ 兰,陈ꢀ 璐. 基于精确爆破载荷分析的安全距离判 据[J]. 工程力学,2015,32(10):123-129. 砖房、非抗震的大型 2 ~ 2. 5 2. 3 ~ 2. 8 2. 7 ~ 3. 0 砌块建筑物 2 Li Qingwen,Qiao Lan,Chen Lu. Based on the accurate blasting load- ing to estimate the safety criterion [ J]. Engineering Mechanics, 3 4 5 6 7 钢筋混凝土结构房屋 一般古建筑及估计 水工隧道 3 ~ 4. 0 3. 5 ~ 4. 5 4. 2 ~ 5. 0 0 ~ 0. 3 0. 2 ~ 0. 4 0. 3 ~ 0. 5 2 015,32(10):123-129. 7 ~ 15 10 ~ 20 15 ~ 30 交通隧道 [3]ꢀ 李ꢀ 鹏,卢文波,陈ꢀ 明. 爆破振动全历程预测及主动控制研究 进展[J]. 力学进展,2011,41(5):537-546. 矿山隧道 水电厂及发电厂、 中心控制室设备 8 0. 5 Li Peng,Lu Wenbo,Chen Ming. The progress of the whole process prediction and control of blasting vibration [ J]. Advances in Me- chanics,2011,41(5):537-546. 0 ~ 3 d 3 ~ 7 d ~ 28 d 2. 0 ~ 3. 0 3. 0 ~ 7. 0 7. 0 ~ 12 新浇筑 大体积混凝土 9 7 [4]ꢀ 左双英,肖ꢀ 明,续建科,等. 隧道爆破开挖围岩动力损伤效应 数值模拟[J]. 岩土力学,2011,32(10):3171-3177. ꢀ ꢀ 当保证振动安全的速度取 2 cm/ s 时,利用式 1)、式(2)和式(3) 可以得出最大段药量 Q 与安全 Zuo Shuangying,Xiao Ming,Xu Jianke,et al. Numerical simulation of dynamic damage effect of surrounding rocks for tunnels by blasting excavation[ J]. Rock and Soil Mechanics,2011,32 ( 10 ): 3171- ( 距离 R 的关系,如图 5 所示。 3 北洞罐在掘进过程 中,最大单响药量为 110 kg,由此,可以得出洞罐支护 工程的安全距离,洞罐前段安全距离为 70 m,中段安 全距离为 140 m,末端安全距离为 220 m。 3177. [ 5]ꢀ 杨国梁,杨仁树,车玉龙. 周期性爆破振动下围岩的损伤累积效 应[J]. 煤炭学报,2013,38(S1):25-29. Yang Guoliang, Yang Renshu, Che Yulong. Damage accumulative effect of surrounding rock under periodic blasting vibration[J]. Jour- nal of China Coal Society,2013,38(S1):25-29. [ [ 6]ꢀ 杜汉清. 爆破振动衰减规律的现场试验研究[ J]. 爆破,2007 ( 3):107-109. Du Hanqing. Experimentally study on the attenuation law of blasting vibration[J]. Blasting,2007(3):107-109. 7]ꢀ 马淑娜,刘新宇,王ꢀ 丹. 大型洞库开挖爆破振动对混凝土衬砌 的影响分析[J]. 工程爆破,2008(1):8-12. 图 5ꢀ 安全距离与最大药量关系 Fig. 5ꢀ The relationship between safety distance and maximum dosage Ma Shuna, Liu Xinyu, Wang Dan. Analysis of blasting vibration effect on concrete liner in excavation of the large-scale tunnel[ J]. Engineering Blasting,2008(1):8-12. ◆ —洞罐前段; ■ —洞罐中段; ▲ —洞罐末段 (责任编辑ꢀ 石海林) · 70·
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