深埋隧洞爆破开挖损伤区检测及特性研究

 通过对锦屏二级辅助洞爆破开挖损伤区的检测和数值计算,比较岩体开挖动态过程(包括爆炸荷载和地应力高速释放)及静态过程(地应力重分布)所分别造成的损伤,探明地应力瞬态释放诱发岩体损伤的机制。检测结果表明,地应力的存在对深埋隧洞爆破开挖损伤区具有较大影响。隧洞轴线垂直于最大主应力时的钻爆开挖损伤明显要大于轴线平行于最大主应力时的情况;可以将开挖损伤区分为内损伤区和外损伤区,其中前者主要由爆炸荷载和地应力高速释放二者耦合作用引起,其主要特征是岩体声波速度显著降低;后者主要由应力重分布引起,特征是岩体声波速度缓慢降低。另外,辅助洞实测的岩体内损伤区深度显著大于外损伤区深度,且内损伤区在断面上的分布特性受到开挖二次应力场的影响,表明伴随爆破过程发生的地应力瞬态卸载效应是内损伤区形成的直接原因之一,声波检测检测和数值模拟计算均也证明了这一点。     

广东岭澳核电站爆破开挖岩体损伤特征研究

为控制爆炸荷载作用下岩体的损伤范围,在岭澳核电站二期工程现场进行了爆前、爆后岩体声波测试,得到岩体的损伤范围。以此为基础,根据爆炸荷载作用下岩体损伤发展规律,基于概率形式定义损伤变量,利用有限元程序LS-DYNA和有限差分程序FLAC3D相结合的方法,对现场基岩爆破产生的岩体损伤范围进行数值模拟,并与现场岩体声波实验结果进行比较,确定爆炸荷载作用下岩体损伤门槛值Dcri=0.2,由此得到了岩体损伤范围随装药量的变化规律。结论认为,在柱状装药情况下,岩体损伤范围随装药量的增大而增大;爆炸荷载作用下的岩体损伤区深度小于损伤区半径,二者比例约为1∶3。     

溪洛渡电站地下厂房爆破损伤范围及判据研究

通过现场爆破振动测试和数值模拟方法研究地下厂房爆破损伤范围及判据;在应用FLAC3D数值模拟软件中,损伤变量D被引入弹塑性本构模型,同时将简化的三角形荷载作为爆破冲击荷载施加在炮孔孔壁上,并根据岩石中有效应力确定爆破损伤范围。调整同时起爆炮孔数目,改变单段起爆药量,研究爆破损伤范围与单段药量的关系,结果表明:损伤深度和损伤水平半径均随单段药量的增加而增大,损伤范围随着炮孔深度增加而减小,爆破损伤最大水平半径出现在炮孔顶部面上。根据爆破近区质点速度衰减规律,并通过数据拟合得到对应于不同单段起爆药量的最大损伤水平半径和相应部位爆破质点临界损伤振动速度的关系,临界损伤振动速度可作为爆破损伤安全判据。研究成果有效地应用到实践中,对类似开挖爆破工程具有一定指导意义。     

Effect of water–silt composite blasting on the stability of rocks surrounding a tunnel

This paper describes a new method using water–silt composite blasting for tunneling and the field tests conducted in the Tieshanping tunnel, Chongqing City, China. In this method, water–silt composite is substituted for the traditional pure silt stemming of the blast holes. Because of the incompressibility of water, the attenuation of the blasting wave is postponed and the effect of the blast air extended. The water–silt blasting method resulted in a larger crack zone, improved the breakage of rock, reduced the rock heap, lowered the dust and saved explosive. The stability of the surrounding rock was studied using theoretical analysis, in situ measurements and numerical modeling. The measured displacement at the tunnel crown was in good agreement with the theoretical and numerical results.     

隧道掘进中掏槽孔爆破引起的地表振动波形预测

为了研究钻爆法隧道掘进中掏槽孔爆破对地表的影响,建立了隧道工程中掏槽孔爆破引起的地表振动波形的预测方法。首先,从弹性半无限介质中球形药包爆破引起的地表振动波形理论解出发,根据实际介质的地表振动特性构造出一个适用于实际介质且更加简洁的球形药包地表振动波形函数,并用实测数据验证构造函数的正确性;然后,将隧道掘进中掏槽孔的爆破简化为单孔柱状药包的爆破来分析掏槽孔爆破引起的地表振动波形,再利用球形药包叠加法得到简化后的单孔柱状药包爆破引起的地表振动波形函数,从而得出掏槽孔爆破引起的地表振动波形;并讨论了不同围岩等级对隧道掏槽孔引起的地表振动波形的影响;最后以大坪山隧道为背景,利用现场实测数据验证了上述预测方法的正确性。     

岩体单孔及群孔齐发爆破爆炸荷载数值分析

 采用广东岭澳核电站现场岩体的力学特性和基岩爆破参数，利用高能炸药的状态方程模拟岩石乳化炸药的爆炸过程，并假定岩石在爆炸产生的高应变率和高压环境下符合率相关的弹塑性本构关系，由此利用显式动力分析方法模拟单孔柱状装药和群孔齐发爆破柱状装药情况下的岩体爆炸应力波的传播过程，分析岩体爆炸粉碎区边界峰值应力的变化情况和衰减特征，并与相关理论公式进行比较，得到单孔和群孔齐发爆破情况下岩体爆炸荷载随装药量的变化规律。研究结果表明，爆源近区岩体爆炸冲击波压力急剧衰减；岩体爆炸峰值应力随装药量增加而增加；拉应力随药量的增长幅度远比压应力小；单孔药量的变化对岩体爆炸荷载的影响大于最大段药量的影响。工程实践中采用多爆孔小药量的爆破方式能有效减小岩体动态响应。     

考虑爆破瞬态卸荷的深部岩巷损伤范围研究

为了研究深部岩石巷道爆破瞬态卸荷的损伤效应,本文采用弹性动力学方法,利用Laplace变换和留数定理求解了深部岩巷爆破卸荷瞬态应力场的动态解析解,结合拉伸损伤和剪切损伤的阀值条件,给出了损伤破坏区的范围和损伤程度,并探究了损伤区分布的影响因素。算例表明,围岩以拉伸损伤破坏为主,岩石的脆性越强,损伤变量越大。爆炸荷载越大,拉伸和剪切损伤破坏区范围越大;原岩应力越高,拉伸损伤破坏区越小,剪切损伤破坏区越大,原岩应力对拉伸损伤效应有显著的“抑制”作用。当岩石单轴抗拉强度较小、内聚力较大时,围岩只存在拉伸损伤区不存在剪切损伤区;当岩石单轴抗拉强度较大、内聚力较小时,围岩既存在拉伸损伤区又存在剪切损伤区。     

隧道爆破开挖数值分析研究

山岭隧道施工的常用方法是钻爆法,其关键技术是光面爆破。本文采用AUTODYN数值计算软件,对隧道IV级围岩全断面爆破开挖时的压应力场、爆破振动速度场进行了数值分析计算,根据数值分析计算结果,得出了相应的优化爆破设计的结论,从而达到隧道后期安全快速施工的目的,并为类似隧道工程爆破施工提供了较好的借鉴。     

Evaluating extent and causes of overbreak in tunnels

Damage or overbreak not only endangers safety of structure but also increases cost of construction and time of completion. Drilling and blasting being cost-effective for excavation of any underground structure should strictly adhere into specialized controlled blasting pattern to minimize the unacceptable impact on peripheral in situ rock mass. The paper reveals that in addition to geo-technical properties of rock mass, in situ stress condition plays an important role in enhancing the magnitude of overbreak. Implementation of same blast pattern throughout the length of tunnel results into different magnitudes of overbreak and the magnitude increases in highly stressed zone. Furthermore, implementation of same controlled perimeter blast pattern along the tunnel cross-section may result into different magnitudes of overbreak. Different magnitude of overbreak along the tunnel cross-section i.e., in left and right wall and crown has been observed even with implementation of same controlled blast pattern throughout the tunnel cross-section. Feasibility and compatibility of drilling equipment with respect to tunnel cross-section also adds to the quality and magnitude of overbreak. Undersize drilling equipment leads to angular drilling on either walls or crown and enhances the magnitude of overbreak. The paper with the help of statistical and graphical analysis revealed that blast pattern for peripheral rock mass should consider geo-technical properties and in situ stress condition of rock mass to minimize the magnitude of overbreak. The authors also emphasized that to contain magnitude of overbreak within allowable limit; the implemented blast pattern should be different for different sections viz., right wall, left wall and crown of tunnel. Furthermore, in poor rock mass condition or in highly stressed zone, drivage of tunnel should be carried out in small sections and in different phases until the excavation reaches the required excavation profile in that area. Excavation in small sections and in different phases would lead to proper excavated profile and minimize overbreak and damage of peripheral rock mass.     

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.     

水耦合装药爆破在隧道掘进中的应用

在分析水介质耦合装药结构特点的基础上,根据爆破动力学原理,应用弹性理论和波动理论推导了正入射情况下孔壁岩面上的冲击压力、应力波衰减规律。为了解水耦合装药爆破对岩石的破坏过程,采用有限元软件ANSYS-LSDANA对工程实例进行了数值模拟,并采用数值模拟中的爆破参数进行了现场试验。结果表明:水介质的耦合作用不仅有利于炮孔底部岩石破碎,而且加快了施工进度、改善了施工环境,达到安全增效、降耗的目的。该方法可为其他隧道爆破提供参考,具有重要的推广和应用价值。     

基于SPH粒子法的盲天井掏槽爆破数值模拟

针对上向盲天井掏槽孔爆破效果,运用补偿系数法对周边大空孔孔间距进行计算并进行方案制定,利用光滑粒子流体动力学方法(SPH粒子法)进行数值模拟计算,开展盲天井掏槽爆破周边空孔作用以及补偿系数对爆腔及岩石损伤范围影响研究。研究结果表明:在孔间距一定时,爆腔面积随补偿系数增大呈增加趋势;当补偿系数达到2.42时爆破效果最佳且达到峰值0.54 m²,而后爆破效果作用达到极限,爆腔面积变化趋于稳定;岩石损伤范围因炸药作用效果有限,总体变化范围在10%以内;模拟过程中SPH粒子能良好地模拟出爆破过程中岩石运动状态、空孔填充情况以及岩石损伤范围。所得模拟结果与现场试验爆腔断面面积吻合度高,说明数值模拟计算具有一定的准确性。     

小净距隧道围岩的爆破振动影响规律研究

小净距隧道后行隧道爆破施工会引发相邻先行隧道围岩振动,振动强弱与隧道净距和单次炸药量相关,通过工程现场监测和数值模拟相结合的方式,对隧道净距的影响规律展开研究。结果表明,小净距隧道后行隧道掌子面起爆时,相邻先行隧道迎爆面拱腰处围岩爆破振动速度最大,最大振速随隧道净距的增大而不断减小,随单次炸药量的增大而增大。当Q/R³＜1×10^-3时,后行隧道掌子面爆破对先行隧道围岩的爆破振动影响可忽略不计。对先行隧道围岩最大振速进行萨道夫斯基公式拟合,得到小净距隧道相邻先行隧道Ⅲ级围岩最大振速预测方程中的场地系数K=8.73,衰减系数α=0.83。     

围岩松动圈的弹塑性位移反分析方法探索

在按弹塑性理论进行地下工程设计与分析时，真实工作状态下岩体力学参数的确定十分重要和必要。为确定这些岩体力学参数，从洞室监测过程中的实际情况出发，根据掌子面的推进过程与监测位移间的变化情况，将监测位移进行弹塑性分离，从而提出一种行之有效、易于工程实际操作的考虑围岩松动圈的弹塑性位移反分析方法。该反分析方法所得结果与设定值吻合良好，并通过工程实例得到验证，为工程实践提供一个切实可行的实施方案以确定这些有用的参数，是岩土工程信息化设计、施工的重要手段。     

Design of rock support system under rockburst condition

As mining and civil tunneling progresses to depth, excavation-induced seismicity and rockburst problems increase and cannot be prevented. As an important line of defense, ground control measures and burst-resistant rock support are used to prevent or minimize damage to excavations and thus to enhance workplace safety. Rock support in burst-prone ground differs from conventional rock support where controlling gravity-induced rockfalls and managing shallow zones of loose rock are the main target. Rock support in burst-prone ground needs to resist dynamic loads and large rock dilation due to violent rock failure. After reviewing the rockburst phenomenon, types of rockbursts, damage mechanisms, and rockburst support design principles and acceptability criteria, this paper describes that the support selection process in burst-prone ground is iterative, requiring design verification and modification based on field observations. An interactive design tool for conducting rockburst support design in underground tunnels is introduced to facilitate cost-effective design.     

浅埋隧道爆破开挖及其振动效应研究

 以密兴路火郎峪隧道工程出口段开挖为研究背景,进行隧道爆破开挖和地表振动监测试验研究。分析结果表明：(1) 沿隧道开挖方向,自成形隧道区向未开挖区,地表爆破振动速度逐渐降低;浅埋隧道爆破开挖振动波传播规律与其断面尺寸、隧道埋深、开挖方法以及围岩地质条件等有关。(2) 掏槽孔爆破振动控制是降低浅埋隧道振害的关键,使用多级小楔形掏槽能有效改善爆破振动效应与破岩效果。(3) 全面监控浅埋隧道掘进爆破振动效应,优化爆破参数,能有效控制爆破减振害,提高施工效率。     

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。     

基于HHT分析隧道围岩结构爆破累积损伤效应

为确保隧道在循环爆破荷载作用下的使用寿命和稳定性能,提出了基于爆破振动信号分析隧道围岩结构爆破累积损伤效应的新方法。依据监测试验获取的振速时程曲线,采用HHT理论将其变换为瞬时能量谱,对比爆破振动信号波形面积方法,针对质点振动能量分析隧道围岩结构物理力学性质的强弱效应,同时应用LS-DYNA数值软件的重启动命令,通过相同节点2次爆破X方向振速时程曲线验证新方法的准确性。研究结果表明:隧道DK497+286、DK497+291、DK497+296里程点3个方向振动能量均呈现下降变化趋势,说明爆破振动累积荷载对隧道监测点处围岩结构产生了破坏作用,并且垂直方向受爆破累积损伤最为严重,因此,需要根据围岩等级和在围岩等级改变处50 m范围内增加支护强度,保证隧道围岩结构安全。     

高速公路浅埋大跨度双跨连拱隧道爆破振动影响研究

沪蓉高速公路宜昌-恩施段修建在崇山峻岭之中,其桥隧长占路线总长的50％,为减少工程的投资,在部分地段将采用浅埋双跨连拱隧道的方案来实现桥隧的合理过渡。在小间距(5.5-25m)隧道过渡段,隧道爆破将对相邻隧道的稳定性造成较大影响。为确定合理的爆破装药量以确保相邻洞室围岩在爆破振动时的稳定性,应用有限差分法FLAC3D程序对钻爆法施工时爆破孔进行起爆加载,动态模拟了隧道在不同围岩特性条件下装药量大小对相邻洞室围岩关键点的影响程度,得到了爆破时围岩的振动速度历时曲线和围岩的破损情况,并提出了确保工程稳定的合理装药量,研究成果为工程的设计与施工提供了科学依据。     

大断面隧道爆破开挖围岩损伤范围试验研究及数值计算

 结合大帽山大断面隧道群的现场声波监测,研究推进式往复爆破作业的双侧壁导坑法施工的大断面隧道的围岩累积损伤范围,声波监测结果表明,在推进式的多次爆炸荷载作用下,围岩将产生一定程度和范围的损伤;侧壁围岩的累计损伤范围主要由与其齐平的导洞I的开挖掌子面爆破决定;其损伤范围随着导洞I开挖掌子面的接近而逐渐增大,当两者齐平时围岩的损失范围达到最大;但当导洞I开挖掌子面逐渐远离和导洞III爆破开挖通过时,围岩的损伤范围并没有扩大,仅导致损伤围岩的损伤程度增大。基于此,在模拟推进式往复爆破荷载作用下围岩的损伤范围时,用与监测断面齐平的单次爆破近似表示推进式的多次爆破,通过DYNA软件将此决定围岩损伤范围的振动速度转化为爆炸压力,再将爆炸压力传递给用UDEC软件实现的各向异性岩体损伤模型,通过与声波监测结果对比,此方法可以较好地模拟推进式往复爆炸荷载作用下围岩的累积损伤范围,并可为类似工作提供参考和借鉴。