隧道联络通道爆破监测及振动特性研究

依托某大跨隧道工程,研究了爆破地震波对隧道后方围岩的振动特性及传播规律,以避免爆破对掌子面后方近接联络通道造成损害。首先开展联络通道的爆破振动测试试验,分析了联络通道不同爆心距条件下X、Y、Z方向的振速和主频特征,结果表明掌子面后方联络通道处振速水平方向大于垂直方向,主振频率大体随爆心距增加而逐渐衰减,但会出现波动与局部激增;由于掌子面后方已开挖洞室的空气层对地震波造成了显著的衰减,使得爆破地震波的传播路径发生改变,致使相同药量条件下,后方联络通道最大振速并不处在爆心距最近位置。通过对主频傅里叶变换转换至频域进行频谱分析,得到距爆心较远频带集中区域能量整体普遍高于距离爆心较近处,验证了不同地形产生的空气层高频滤波差异作用。最后通过对照安全允许标准,得出隧道爆破扰动下联络通道初支的峰值振速和主振频率在规范规定的安全范围内,不会引起联络通道破坏。     

爆破振动对既有隧道安全影响分析

在天长岭隧道施工过程中,确保临近既有隧道的安全,运用现场爆破监测技术对临近隧道的振动速度振动主频持续时间进行监控。通过爆破数据拟合,确定不同围岩下最佳炸药用量,使既有隧道振动速度符合规范要求,对于毫秒延迟爆破,用总药量拟合爆破振速方程更符合工程要求;由于工程地质复杂多变,隧道线性施工,不同地质情况下爆破振动频率不尽相同,仅对围岩等级相同的情况下分析不同爆心距与峰值振速下既有隧道拱脚处测点爆破振动主频预测,为工程临近隧道安全爆破提供参考。     

隧道设置减震层减震机制研究

 通过Fourier-Bessel函数展开法,推导平面SV波垂直入射下半无限弹性介质中圆形双层衬砌结构、围岩–减震层–衬砌洞室的动应力集中系数级数解,分析入射波频率、减震层弹性模量和厚度对动应力集中系数的影响,并结合数值模拟分析结果对比,深入研究减震层减震机制。研究结果表明：入射频率对衬砌动应力集中系数有显著影响,减震层对低频波具有较好的减震效果;由于减震层剪切模量低,围岩和隧道可以剪切变形,从而减小了作用在衬砌外部的法向作用力,降低了衬砌内侧最大动应力集中系数,但围岩和衬砌外侧切向应力增大;随着减震层与围岩弹性模量之比减小,减震层厚度增大,二次衬砌动应力集中系数变小,减震层与围岩的弹性模量比宜低于1/10～1/20,和减震层弹性模量对应,存在一个最优的减震层厚度值。以一公路隧道为背景,开展隧道减震层结构大型振动台试验研究,结果表明：隧道衬砌设置减震层后,可以显著降低衬砌内力,减小衬砌裂缝的数量。     

平面SV波垂直入射下浅埋双圆隧道复合衬砌解析解及减震力学机理分析

基于波函数展开法,给出了平面SV波入射下地下半空间弹性介质中圆形双洞复合式衬砌洞室动应力集中系数解析解,建立了小净距隧道减震层力学模型,并深入研究了低频SV波入射下洞室间距和减震层对衬砌动应力集中的影响。分析结果表明：洞室间距对衬砌的动应力有显著影响,随着洞室之间距离增大,左右洞室衬砌动应力集中系数降低;当洞室间距小于4倍洞室直径时,必须考虑双洞的相互影响;洞室中间部分围岩动应力集中系数较大;在围岩和衬砌间设置减震层,由于减震层刚度低,可以减小围岩对隧道的径向作用力,减震层可以降低衬砌动应力20%左右,但同时围岩切向动应力增大。     

隧道爆破下建筑结构局部应力响应及损伤研究

依托新红岩隧道工程,探究了隧道典型爆破地震波与砌体低阶与高阶模态之间的关系,研究了不同工况爆破振动下砌体结构不同构件上的应力响应。砌体结构局部构件上的内力响应远比位移响应要显著,并且与质点的振速约成正比。在峰值振速相同条件下,当隧道爆破振动主频较高时,引起建筑物高阶局部模态下的动力反应,竖向振动引起的结构局部构件上的应力较大;反之,爆破振动主频较低,引起建筑物的低阶整体模态的动力反应,水平振动(结构弱轴方向)引起结构局部构件上的应力较大。砌体结构上的门角、窗角等应力集中部位最容易受损开裂,其次是在峰值振速较高时,局部振动较大的女儿墙、中隔墙等部位及砖墙与混凝土接触的部位也可能受损开裂。     

裂隙隧道围岩动态损伤特性分析

针对隧道工程中破碎围岩钻爆施工时爆破荷载影响作用的分析与实践调查,引入反映裂隙围岩钻爆影响的损伤演化模型,模拟动荷载作用的影响。针对不同频率情况,可以预先有效地确定围岩破坏状态,决策开挖初期支护方案的有效形式;也为裂隙围岩全断面掘进机掘进、初撑力确定及支护方式选择,提供了一种有效的预测方法。     

基坑开挖爆破对临近地铁隧道影响研究

文章以重庆某临近既有隧道基坑开挖爆破为工程背景,采用FLAC3D有限元分析软件,探讨了在爆炸荷载作用下既有隧道支护锚杆及衬砌结构的动力响应。研究结果表明:迎爆侧隧道锚杆轴力要大于背爆侧,表明爆破荷载对迎爆侧隧道影响较大;锚杆轴力分布并不均匀,中部最大,向两端逐渐减小;迎爆侧和背爆侧隧道锚杆轴力均为拱顶最大,向拱脚逐渐变小,体现出相似的变化规律;衬砌节点不同方向振动速度差异较大,X方向最大,Y方向最小;迎爆侧拱脚位置最为不利,压应力和拉应力均最大。     

鹤上三车道小净距隧道爆破振动测试与分析

结合福州国际机场高速公路鹤上三车道小净距隧道工程实践,对小净距隧道中间岩柱在爆破荷载作用下的振动响应进行相关监测,分析振动波在不同级别围岩、不同监测位置的传播及分布规律。研究结果表明:隧道中间岩柱边墙部位振动速度大于拱脚部位,且随着围岩质量提高,振动速度差别逐渐减小;最大振动速度出现在迎爆侧边墙测点的径向方向,可将其作为爆破振动的控制速度;当隧道净距为6 m左右(约0.35B)时,爆破振动对中间岩柱的影响范围为爆破面前后10～20 m,且随围岩质量提高,影响范围相应减小;爆破面前方中间岩柱受爆破振动影响要大于爆破面后方岩体,施工中宜加强该部位监测;同时,宜严格控制爆破总药量和单段最大药量,且分段爆破时,爆破段差应不小于100 ms。该研究结论可为类似条件下小净距隧道的爆破控制和现场监测提供借鉴与参考。     

隧道爆破施工对地表砖砌高烟囱影响的数值分析

结合重庆市江北区站前路东段隧道工程,采用Midas/GTS有限元程序建立隧道和建筑物的三维模型,运用时程分析法分析不同工况下隧道施工爆破荷载对地表高烟囱的影响。结果表明,隧道埋深越浅,爆破振动对地表建筑物影响越明显;隧道爆破开挖面位于烟囱下0到-24 m范围内时,爆破地震波对地表建筑物影响最大,高程效应明显;隧道围岩质量越好,减震效果越明显。本文研究结果可为实际工程提供参考依据。     

泥岩砂岩互层隧道光面爆破围岩损伤试验研究

为了减少掘进爆破对会排山隧道围岩的损伤范围,改善爆破的成型效果,减少超欠挖现象,确定掘进爆破参数。采用声波探测的试法,针对隧道泥岩砂岩互层围岩的试验段共进行了5次试验,每次试验采用不同的周边孔爆破参数。根据试验结果确定了不同爆破参数作用下围岩的损伤范围,通过分析爆破参数与围岩损伤范围间的关系可以得到以下主要结论:泥岩砂岩互层的隧道围岩均匀性较差,隧道周边孔爆破会造成围岩的损伤,损伤范围与周边孔的爆破参数有关,当周边孔布置参数相同时,围岩损伤范围随单孔装药量的增加而变大。孔距和单孔装药量相同的情况下,损伤范围随光爆层厚度的增加而变大;确定泥岩砂岩互层隧道周边孔爆破参数时,应采用较低的单孔装药量,较小的周边孔间距和光爆层厚度。     

含滑移界面复合式衬砌隧道地震响应边界元模拟

采用一种高精度间接边界元方法(IBEM),求解了平面P、SV波入射下“围岩-减震层-浅埋衬砌隧道”体系地震响应及动应力集中效应。引入接触-滑移界面模型,模拟复合式隧道衬砌与围岩之间接触状态。结果表明: 总体上看,随着界面滑移刚度因子增大,衬砌内壁动应力集中因子(DSCF)增大,无滑移状态下应力放大更为显著;SV波入射下,衬砌外壁DSCF则随滑移刚度因子增大而减小;P波垂直入射下,低频情况在隧道左右两端动应力集中十分显著,高频时则在隧道下部应力更为集中。另外,减震层的存在可有效降低衬砌动应力集中效应,随着入射频率增加,减震效果越好,隧道衬砌受力更为均匀;适当降低减震层弹性模量和加大减震层厚度,可取得更好的减震效果。     

饱和半空间中隧道衬砌对平面SV波的散射IBIEM求解

基于Biot两相介质理论,采用一种高精度的间接边界积分方程法(IBIEM),研究了平面SV波在饱和半空间中隧道衬砌周围散射的基本规律,并给出了不同参数下地表位移幅值、衬砌动应力集中因子及表面孔隙水压分布图和相应的频谱结果。数值分析表明:饱和半空间隧道衬砌对SV波的散射特征取决于围岩介质孔隙率、入射波的频率和角度、隧道埋深等因素;隧道外壁透水状态对地表位移和隧道应力影响不大;不同角度SV波入射下,隧道应力集中部位有很大差别,且随半空间介质孔隙率增大,应力集中越发显著;衬砌外壁孔隙水压峰值可达到入射波应力幅值的4倍,且30°斜入射下幅值明显大于0°垂直入射情况;衬砌上方附近不同点位位移频谱特征差异显著,斜入射情况位移放大效应明显;随埋深增大,地表位移幅值和衬砌表面动应力谱振荡更为剧烈,但幅值会有所降低。另外,按波速比等效的单相介质模型可以近似计算SV波入射下隧道–饱和围岩的位移场和应力场。     

高地应力条件下隧洞开挖诱发围岩振动特征研究

 采用理论分析、动力有限元数值模拟和振动监测数据对比等综合方法，研究高地应力条件下隧洞钻爆开挖诱发围岩振动的特征。发现高地应力条件下深埋隧洞钻爆开挖诱发的围岩振动由爆破振动和岩体初始地应力(开挖荷载)动态卸载诱发振动两部分叠加而成。在低岩体初始应力条件下，隧洞钻爆开挖过程围岩振动主要由爆炸荷载所引起；高地应力条件下，开挖荷载瞬态卸荷诱发振动的幅值可超过爆破振动而成为围岩振动的主要因素。利用四川省瀑布沟水电站引水隧洞进口段(地应力水平10 MPa)和尾水隧洞洞身段(地应力水平20 MPa)钻爆开挖过程的实测围岩振动资料，对理论分析和数值模拟结果进行验证。     

隧道围岩爆破地震累积效应研究

针对公路隧道施工循环爆破作业展开爆破震动累积效应研究.基于现场爆破震动监测与波与能量的相关理论,提出利用单位药量与距离条件下的爆破地震波面积(单位等效面积)分析评估单位药量与距离条件下的爆破震动对结构与围岩介质的影响,通过比较质点振动速度波形面积的变化可分析评估围岩介质体中的爆破震动能的分布与药量和距离的关系,以及围岩介质体物理力学性质的改变与爆破震动能衰减的关系.并提出了爆破地震波单位等效面积的计算方法,通过非药量和距离因素影响下质点振动速度波形单位等效面积分析,合理评估单位爆破震动能在围岩体中的分布状况,以及爆破震动作用下的介质体本身物理力学性质的改变,并可推断与阐述围岩介质体中不连续结构面(体)的总体分布状况,以及在爆破震动作用下的发生与扩展情况和与爆破地震波的互相作用.     

边坡爆破开挖对邻近已有洞室影响研究

边坡爆破施工振动对邻近已有洞室的影响及其控制是工程中的关键技术问题。新建边坡在与已有洞室间距比较小的情况下进行爆破开挖,爆破开挖产生的爆破波会危及已有洞室围岩和衬砌结构的安全与稳定性。结合锦屏一级水电站左岸坝肩边坡施工爆破对洞室影响的分析课题,应用动力有限元数值模拟,研究不同的边坡与已有洞室间距、岩体阻尼比、最大单响药量情况下边坡爆破振动对洞室围岩和衬砌结构的影响问题。根据洞壁质点振动速度允许值与洞室衬砌在边坡爆破振动波作用下的动拉应力值,考虑不同阻尼比,得出不同围岩级别下,不同边坡与洞室间距的最大单响药量控制：III类岩体边坡,坡面距已有洞室20,50 m时,边坡开挖爆破最大单响药量分别控制在100和300 kg以内;IV类岩体边坡,坡面距已有洞室20,50 m时,边坡开挖爆破最大单响药量分别控制在150和450 kg以内,研究结果为实际工程的施工和设计提供参考和依据。     

含软弱夹层岩质边坡在爆破地震波下的试验研究

为探求地质工程中爆破地震波作用下含软弱夹层边坡的动力响应特性,设计由混凝土基座和边坡模型组成的物理模拟试验,采用雷管和乳化炸药施加爆破地震波,开展考虑爆破孔位置和炸药量影响的多次爆破试验。首先,对速度、加速度响应分别进行快速傅里叶变换(FFT)、希尔伯特—黄变换(HHT),两者的频谱结果均表明符合爆破地震波的特征;然后,对各次爆破地震波下边坡顶部的三个方向速度响应进行对比分析,表明相似的爆破条件下将产生相似的速度响应。针对两个方向的加速度响应,将边坡模型简化为平面应变模型,对比硬岩层、软岩层之间峰值加速度矢量沿竖直和水平方向的差异性;结果表明,软弱夹层具有“吸能”和“减震”效应,软弱夹层之上的硬层具有“放大”效应,并通过定义峰值加速度影响系数来量化加速度响应的差异性。最后,构建爆破地震波作用下含软弱夹层边坡的宏观受力模型,分析边坡在爆破地震波作用下的滑动机理。试验结果不仅为天然地震触发滑坡的机理做出更加合理的力学解释,而且为爆破作业矿区的斜坡或边坡在爆破地震波作用下的稳定性评价和治理工作等提供一定的试验参考和技术依据。     

不同距离条件下爆破引起的质点振动频幅分析

论文基于隧道开挖施工爆破震动安全监测,通过质点振动速度峰值及其主振频率分析,论述了不同距离条件下爆破引起的质点振动频幅特性,较为详尽地解释与探讨了爆破震动测试结果,并在分析质点振动速度峰值与距离及环境条件关系的基础上,得出较远距离条件下(220 m～325 m)的质点振动速度峰值的主振频率集中在以35Hz为中心的25～45Hz范围值的结论,同时指出近爆破点区域的爆破地震波衰减速度明显大于较远区域,以及介质特性与距离是加速爆破地震波衰减的主要因素,分析结果也再次证实质点振动速度峰值及其主振频率与爆破规模和环境条件密切相关.     

巷道围岩爆破地震效应的模拟和解析对比分析

对某巷道围岩爆破工程进行数值模拟来分析爆破地震波在围岩中的传播规律,通过数值模拟分析结果与解析解进行对比,发现两者得出的结论类似。在爆破地震波的影响下围岩质点的峰值速度变化呈一定规律,对不同径向距离和轴向距离条件下质点峰值速度的变化规律进行比较,可以发现围岩中质点的峰值速度随着径向距离呈现正负号交互的波浪式衰减,即围岩可能出现交替拉压状态以及分区破裂现象,而质点峰值速度随着轴向距离的变化相对简单,主要表现为非线性的快速衰减。     

相邻洞室爆破施工对已有洞室的影响

 爆破施工振动对邻近已有洞室的影响及其控制是隧洞工程中的关键技术问题。新建隧洞在与已有隧洞间距比较小的情况下进行爆破开挖,爆破开挖产生的爆破波会危及已有隧洞围岩和衬砌结构的安全与稳定性。结合锦屏一级水电站左岸洞群工程施工爆破的相互影响分析课题,应用动力有限元数值模拟,研究不同的围岩类别、洞室间距、岩体阻尼比、单响药量情况下爆破振动对邻近已有洞室围岩和衬砌结构的影响问题。根据洞壁振动速度允许值与隧洞衬砌在邻近爆破振动波作用下的动拉应力值,得出施工爆破洞室的最小间距及单响药量控制：III类围岩、洞间距为(1.5～2.0)D时,单响药量应控制在15 kg以内;IV类围岩、洞间距为(1.5～2.0)D时,单响药量应控制在12 kg以内;V类围岩、洞间距为(1.0～1.5)D时,单响药量应控制在10 kg以内。研究结果为实际工程的施工和设计提供了参考和依据。     

溪洛渡电站地下洞室群爆破地震效应的研究

 采用现场爆破振动测试研究复杂地下导流洞群爆破地震波传播规律,并利用萨道夫斯基经验公式对测试数据进行回归分析,测试结果表明水平向爆破质点峰值振动速度可以作为地下洞室的安全判据;应用FLAC3D数值软件模拟爆破振动对相邻洞室的影响,得到爆破振动作用下相邻洞室振动速度、应力和位移的分布规律,并从静载作用和动载作用两方面分析评价相邻洞室的安全稳定性。计算结果表明：现场测试结果与计算结果吻合较好;采用振动速度作为安全判据是可行的;爆破振动作用下相邻洞室迎爆侧是容易出现破坏的区域,且随着冲击荷载增大,迎爆侧直墙最容易出现拉伸破坏。最后针对具体工程,根据相邻洞室洞壁最大拉应力与最大振动速度的统计关系,并结合岩石动态抗拉强度准则提出爆破振动作用下相邻洞室发生破坏的临界振动速度。