硬岩地下洞室工程爆破振动与围岩损伤范围相关性研究

为了简便而准确地获取爆破荷载下硬岩地下洞室围岩损伤范围,以某待建重要地下洞室工程为研究背景,采用理论分析和数值模拟的方法,根据爆破设计方案,建立不同药量条件下多段延时爆破累积损伤计算模型,利用等效爆破荷载的方法和LS-DYNA完全重启动技术,得到多段延时爆破荷载作用下的爆破振动数据和围岩累积损伤范围。分析地下洞室围岩累积损伤效应,研究爆破振动与围岩累积损伤范围之间的相关性。研究结果表明：诱导地下洞室周边围岩损伤的荷载主要来自于二圈孔和周边孔爆破,其中洞室拱顶围岩损伤范围(2.21 m)明显大于拱腰围岩损伤范围(2.05 m);爆破全时程振动曲线的峰值处于掏槽孔延期时间范围内,与造成洞室周边围岩损伤的爆破段位不一致,应以对围岩损伤影响较大爆破段位的质点峰值振动速度研究与围岩损伤范围的相关性;建立了围岩累积损伤范围与爆破药量、爆心距和质点峰值振动速度之间的量化关系,得到了可通过任意爆心距处质点峰值振动速度推断围岩累积损伤范围的函数关系式,为控制围岩爆破损伤提供依据。     

地下洞室群爆破地震波传播的现场试验研究

溪洛渡水电站右岸平行开挖3条大断面近距离的导流洞,形成了多个工作面平行和交叉作业,致使爆破开挖干扰大,安全问题突出.通过对复杂地下导流洞群爆破振动现场试验,研究了导流洞群爆破地震波在开挖主洞和邻近导流洞的传播规律.研究结果显示,在爆破作业条件相同的情况下,在其中一条导流洞进行爆破开挖时,其洞内爆破质点振动速度传播规律与相邻导流洞的振动速度传播规律存在较大差别,相邻导流洞内的爆破质点振动速度传播具有放大效应,且随爆破开挖方式、临空面和周围夹制作用的不同,其衰减规律和放大效应也有差异.在相同条件下,临空面少、围岩夹制作用大的部位进行爆破在近区产生的质点振动速度比临空面多、夹制作用小的部位产生的质点振动速度大,衰减也较快.这为复杂地下洞室群爆破施工的围岩稳定性和施工、支护的设计和安全性提供指导.     

爆破开挖作用下HD工程地下洞室围岩动力响应特性研究

地下洞室爆破开挖有可能会对开挖洞室本身和邻近洞室产生不利影响,故有必要研究爆破作用下地下洞室围岩动力响应特性,以便于对地下洞室的开挖进行安全评价。结合HD工程地下洞室爆破开挖实例,对实测爆破振动数据进行分析,从中选取合适的数据对爆破荷载进行反演,并采用FLAC 3D数值计算软件对爆破开挖作用下地下洞室围岩动力响应进行模拟和研究。结果表明:爆破作用会对爆源近区有限范围内、有限时间段内的围岩应力及位移分布造成一定的影响,对爆源远区及邻近洞室的应力及位移分布总体规律影响并不显著;随着爆源距的增加,岩体振速峰值衰减明显,而当爆源距较大时,振速峰值衰减趋势相对平稳;相邻洞室岩体振速相对较小。     

炮孔近区岩体振动主频及能量的数值模拟

为了控制岩体爆破对保留岩体造成的破坏和损伤,针对炮孔近区爆破振动频率及能量变化问题,利用动力有限元数值模拟方法研究了单孔爆破10 m范围内爆心距、不耦合系数与爆破振动主频及能量的变化规律。结果发现爆破振动主频并不是随着爆心距的增大而单调递减,并且随着不耦合系数的增大同一爆心距位置处的振动主频先增大后减小再增大;爆破振动能量衰减向主频段靠拢并且随不耦合系数的增大变化浮动较小。     

炮孔近区岩体振动主频及能量的数值模拟

为了控制岩体爆破对保留岩体造成的破坏和损伤,针对炮孔近区爆破振动频率及能量变化问题,利用动力有限元数值模拟方法研究了单孔爆破10 m范围内爆心距、不耦合系数与爆破振动主频及能量的变化规律。结果发现爆破振动主频并不是随着爆心距的增大而单调递减,并且随着不耦合系数的增大同一爆心距位置处的振动主频先增大后减小再增大;爆破振动能量衰减向主频段靠拢并且随不耦合系数的增大变化浮动较小。     

爆炸荷载作用下围岩累积损伤效应的数值分析

巷道爆破开挖推进过程中,循环爆破开挖的多次扰动作用使保留岩体产生累积损伤,导致岩体力学参数的弱化,从而造成工程岩体的宏观失效。利用ANSYS/LS-DYNA的重启动技术,通过损伤云图和损伤变量D的变化,对圆形巷道循环进尺过程中爆破作用下的岩体累积损伤效应进行研究。计算结果表明:随着掌子面推进爆破次数的增加,围岩的损伤程度加深,但影响深度变化较小;在装药量和爆心距不变的情况下,损伤量与爆破次数之间有很好的非线性关系,即爆破损伤的累积具有非线性特性。     

掏槽孔爆破引起的围岩动力响应研究

通过数值模拟,研究了掏槽孔起爆时开挖隧洞围岩的动力响应规律,得到了不同爆心距处围岩的峰值振速分布规律,以及爆破振动峰值振速在不同部位的衰减规律.研究结果与试验结果类似,说明应用数值模拟方法研究隧洞爆破开挖对开挖洞室的影响是可行的,所得结论可以作为实际工程的参考.     

中深部大型地下洞室高边墙爆破振动高程效应研究

为了研究地下洞室高边墙上质点爆破振动规律并指导地下洞室开挖,以白鹤滩水电站地下洞室群开挖为背景,在右岸主变洞内进行爆破振动试验,然后利用LS-DYNA三维动力有限元软件对开挖过程进行数值模拟,分析了地下洞室高边墙上质点爆破振动速度随高程变化规律。结果表明:当地下洞室边墙高度为16.8 m时,在距离爆源区约70 m范围内,高边墙上质点与墙脚处相比,振动速度存在不同程度的放大效应,且放大效应出现分区。当爆心距R30 m,放大作用随高差增大先增后减;当爆心距R在30～70 m范围内且为某一定值时,放大作用随高差的增大而增大;当爆心距R70 m时,高差对洞室边墙上质点的影响不再明显。另外,萨道夫斯基公式在地下洞室高边墙上仍然适用,但是利用萨道夫斯基公式预测质点振动速度时,应当将测线布置在相应预测点的同一高程上。     

异形孔水包爆破围岩粉碎范围研究

隧道掘进中光面爆破的超欠挖、开挖轮廓线不光滑及爆破效率低是施工中最为关心的问题。针对异形孔水包爆破破岩机理的问题，基于岩石爆破损伤分区理论，拟合并推导出异形孔水包爆破的孔壁冲击力计算式及围岩粉碎区的计算式P_d=3 028.4K^-1.021_d及围岩粉碎区的计算式R_c=(P/N[P_r])^1/α(r_b+l)。以重庆市黔江区正阳镇隧道为依托，以自制钻头为工具，通过异形孔水包爆破与常规爆破的对比试验以及岩石爆破损伤阈值的数值模拟，验证了计算式的可靠性。结果表明：前者公式拟合精度为R²=0.996,后者围岩粉碎范围的理论值与实测值吻合；该爆破方式即使在复杂岩石节理中也能产生光滑的隧道开挖轮廓线；炸药径向不耦合系数K_d≤1.5内，炸药量的增加对围岩粉碎区的影响甚少，其主要对破裂区产生影响。     

基于爆破振动的岩质边坡损伤神经网络预测

岩石高边坡的爆破开挖会对保留岩体造成损伤,岩体损伤过大可能导致边坡失稳,需严格控制并准确确定开挖损伤深度,因此,提出一种快速精确的损伤深度预测方法。以白鹤滩水电站左岸834.0~770.0 m高程坝肩槽边坡爆破开挖为背景,利用六个开挖梯段的多高程、多爆心距爆破振动监测及损伤深度声波检测的数据,建立基于振动峰值的爆破损伤深度BP神经网络预测模型,对高边坡爆破损伤深度进行实时预测。该方法利用不同部位及不同爆心处的质点峰值振动峰值作为主回归变量,同时还考虑最大单响药量和岩体强度的影响。结果表明,当开挖区域坡体岩性相似且无长大软弱结构面发育时,运用神经网络模型及多高程实测爆破振动预测本梯段爆破损伤深度的方法简便可行,预测精度可满足实际工程需求。作为传统爆破损伤声波检测的补充,可大大减轻现场声波测试工作量。     

基于爆破振动的岩质边坡损伤神经网络预测

岩石高边坡的爆破开挖会对保留岩体造成损伤,岩体损伤过大可能导致边坡失稳,需严格控制并准确确定开挖损伤深度,因此,提出一种快速精确的损伤深度预测方法。以白鹤滩水电站左岸834.0⁷70.0 m高程坝肩槽边坡爆破开挖为背景,利用六个开挖梯段的多高程、多爆心距爆破振动监测及损伤深度声波检测的数据,建立基于振动峰值的爆破损伤深度BP神经网络预测模型,对高边坡爆破损伤深度进行实时预测。该方法利用不同部位及不同爆心处的质点峰值振动峰值作为主回归变量,同时还考虑最大单响药量和岩体强度的影响。结果表明,当开挖区域坡体岩性相似且无长大软弱结构面发育时,运用神经网络模型及多高程实测爆破振动预测本梯段爆破损伤深度的方法简便可行,预测精度可满足实际工程需求。作为传统爆破损伤声波检测的补充,可大大减轻现场声波测试工作量。     

钻爆法原位扩建隧道的振动监测分析

为了研究城市环境下钻爆法施工对周边环境的振动影响,以福州市马尾隧道原位扩建工程为背景,在北洞钻爆扩挖过程中,对南洞衬砌结构上的振动效应进行跟踪监测。通过选取单段最大装药量、爆心距为变量,归纳整理峰值振速的规律,并采用萨道夫公式拟合空洞赋存条件下的振速衰减规律。结果表明,既有空洞对爆破振动的衰减有很大影响:以II级围岩段为例,单空洞情况下其衰减指数α为1.476,接近硬岩的上限;而双空洞情况下其衰减指数α达到1.836,已落入软岩的推荐取值范围。拟合公式可应用于赋存空洞条件下的爆破振速估算;同时建议后续南洞扩挖及类似扩建工程中,可以充分发挥既有空洞的减振效应,适当加大进尺、缩短工期、提高施工效率。     

隧道掘进排孔爆破的精细化数值模拟

针对隧道爆破掘进中常见的围岩条件和炮眼类型,在LS-DYNA数值平台上建立5种炮眼的精细化模型,采用流固耦合算法,较真实地模拟了排孔爆破的瞬时过程。在炮眼周边瞬时形成压力粉碎区,同时气楔作用使初始裂缝不断扩展,形成围岩破裂区;爆轰压力波在临空面处发生反射,其反射拉伸波使临空面附近围岩出现大范围平行裂隙;爆破形成的粉碎区半径和破裂区半径约炮眼半径的3倍～4倍和22倍～24倍。关注炮眼粉碎区边界上的压力时程曲线,呈现明显的多峰形态(包括第一峰值、第二峰值和负峰值);并且主峰值与轴向不耦合系数间呈现幂指数衰减关系。进一步地,将爆破轮廓线上的压力峰值平均化,得到各爆破轮廓线上的简化三角形荷载,可应用于远场振动效应评估等后续工作。     

循环爆破荷载作用下小净距隧道围岩累积损伤特性研究

明确多循环爆破推进情况下小净距隧道围岩损伤演化特征有助于施工安全和围岩稳定.依托福州地铁2号线某区段小净距隧道工程,基于LS-DYNA完全重启动技术,结合现场中夹岩声波测试结果,研究循环爆破荷载作用下该区段小净距隧道5个开挖进尺内围岩的累积损伤演化过程.结果表明:围岩损伤范围和损伤程度随爆破加载次数增加而增加,每一循环爆破荷载下各段别均对围岩有不同程度损伤,MS7和MS9段爆破荷载对围岩损伤最大;实测和模拟结果表明在多次爆破后中夹岩体损伤沿测孔深度方向呈圆角的斜"L"形状,近爆破处岩体损伤较大于远爆破侧;在同一监测断面内围岩的累积损伤尤以段间爆破加载损伤程度最大,随着隧道开挖推进岩体的损伤范围逐渐趋于稳定,监测断面9m范围外的爆破扰动基本不再对监测部位围岩造成损伤.研究成果可为现场围岩的加固提供参考,也可为类似工程的提供理论依据.     

交替爆破开挖下分岔隧道中夹岩损伤特征研究

明确在左右交替爆破施工情况下分岔小净距隧道中夹岩损伤规律，将有助于更好地保障隧道现场施工及围岩稳定。采用三维有限差分软件FLAC^3D模拟了爆破荷载作用下分岔小净距隧道交替开挖过程，重点研究了中夹岩在不同开挖工况下损伤分布及演化规律，最后通过厦门海沧疏港通道分岔隧道工程项目现场声波损伤范围检测结果进行了验证。研究结果表明：爆破产生应力波在分岔口产生反射形成拉应力，使得分岔口断面损伤更严重；隧道中夹岩损伤呈不对称“V”字分布，由中夹岩内部至轮廓线损伤逐渐增大，主隧道侧中夹岩最大损伤在90°～120°范围内，匝道侧中夹岩最大损伤在90°范围内，中夹岩厚度对中夹岩损伤有较大影响，随着厚度的增加中夹岩损伤程度降低且损伤范围未贯通左右隧道；通过模拟改变不同进尺、开挖错距及开挖顺序发现，与2 m进尺相比，5 m进尺完全损伤区提高了58.5%,损伤贯通区提高了70%,错距1步较错距4步工况完全损伤区增加了1.27 m,损伤贯通范围也出现一定增加，先开挖较小断面有利于中夹岩稳定，围岩损伤对称性较好，但远离中夹岩一侧岩体损伤会出现扩大，数值模拟结果与现场实测结果基本一致。模拟结果为该...     

黄岛LPG地下储库开挖爆破的振动效应研究

结合实测地表爆破振动速度数据,基于量纲分析理论,提出了考虑爆源埋深的爆破振动速度公式,对黄岛LPG地下储库开挖爆破的振动效应进行了研究。研究表明:对于地下储库开挖爆破,考虑爆源埋深的爆破振动速度公式比萨道夫斯基公式的预测精度更高,但当爆源埋深与爆心距的比值≥0.85时,可以使用萨道夫斯基公式来预测爆破振动速度;垂直向振动速度峰值较大,施工过程中应重点监测;爆破振动速度随爆源埋深的增加呈衰减趋势,不存在爆破振动速度的放大效应。研究结果可为后续的类似研究提供一定的参考。     

黄岛LPG地下储库开挖爆破的振动效应研究

结合实测地表爆破振动速度数据,基于量纲分析理论,提出了考虑爆源埋深的爆破振动速度公式,对黄岛LPG地下储库开挖爆破的振动效应进行了研究。研究表明:对于地下储库开挖爆破,考虑爆源埋深的爆破振动速度公式比萨道夫斯基公式的预测精度更高,但当爆源埋深与爆心距的比值≥0.85时,可以使用萨道夫斯基公式来预测爆破振动速度;垂直向振动速度峰值较大,施工过程中应重点监测;爆破振动速度随爆源埋深的增加呈衰减趋势,不存在爆破振动速度的放大效应。研究结果可为后续的类似研究提供一定的参考。     

爆破荷载作用下隧道围岩裂隙范围计算方法研究

爆破荷载下隧道围岩产生的裂隙为岩溶发育和地下水运动创造了良好的条件.为了研究爆破荷载作用下隧道围岩的损伤裂隙范围,在考虑中主应力和环向拉应力的影响下,分别基于统一强度准则和摩尔库伦强度准则得到了两种粉碎区的计算方法,并且计算了破裂Ⅰ区和破裂Ⅱ区的范围.最后开展了现场试验和探测,按本文计算方法计算了现场隧道粉碎区和裂隙区...     

循环爆破荷载作用下小净距隧道中夹岩的累积损伤特征分析

为了研究循环爆破荷载对小净距隧道中夹岩的影响,以六月田分岔隧道为工程背景,采用LS-DYNA有限元软件建立分岔隧道的三维模型。基于HJC本构模型,通过引入损伤变量,模拟循环荷载作用下小净距隧道保留岩体的累积损伤演化过程,探讨中夹岩累积损伤程度、损伤范围与爆破次数之间的关系;在此基础上,根据损伤区质点振速衰减规律,通过数据拟合,建立单次爆破装药量、最大损伤范围与临界损伤峰值质点振速之间的函数关系;最后利用现场的声波测试结果与数值模拟结果进行对比,验证数值模拟结果的合理性和准确性。研究结果表明,数值模拟结果与现场测试结果较为吻合,最大损伤范围出现在中夹岩的拱肩;相比单次爆破,循环多次爆破开挖造成的累积损伤范围明显增加,临界损伤峰值质点振速显著降低。     

白鹤滩水电站坝肩以上边坡开挖爆破负面效应控制

白鹤滩水电站坝肩以上边坡爆破开挖横跨云、川两省,规模大,历时较长,对周边民房及群众的生产生活存在一定影响。通过对爆破振动、噪声的长期跟踪监测,划定了爆区周围不同影响程度的范围,并建议了爆破振动、噪声、飞石及粉尘等负面效应控制措施,保证工程建设能顺利进行。监测结果表明:可将左右两岸爆心距200 m范围定义为轻微影响区,而200~300 m范围定义为临界影响区,300 m以外为无影响区,并基于此影响区反推爆破最大单响药量、同时采取严控统一起爆时间、减少晚间爆破作业、大面积洒水降尘、炮孔孔口覆盖砂袋减少噪声等措施降低对周围民房的影响。