复杂立交隧道爆破开挖参数设计及动力响应分析

针对双洞平行隧道钻爆法施工上跨多条既有隧道这一复杂施工条件,通过理论计算确定了合理的光面爆破开挖参数,结合现场监测数据对双洞新建隧道上跨爆破施工影响下临近和既有隧道支护结构的震动响应规律进行了研究。结果表明:爆破作用下隧道衬砌结构的迎爆面是最危险面,这一位置的振速较其他位置要高,施工中需要重点监测;爆破冲击荷载作用下的隧道衬砌结构三个方向的振动速度大小不同,但是变化规律基本相同;依据衬砌结构的振速判断其稳定性与安全性时,应采用节点三向振速的合速度;爆破冲击下相邻、相交隧道衬砌结构的最大振速小于规范中的允许值,支护结构处于安全状态,表明爆破施工方案合理可行的。研究成果可以为类似条件下隧道施工提供借鉴。     

爆破震动下地下工程围岩稳定与支护设计

随着我国地下工程的大量建设,在新建硬岩隧道与既有隧道间距较小的情况下进行爆破开挖,产生的爆破震动波会危及隧道支护结构的安全和稳定。因此,研究隧道爆破开挖对既有隧道和开挖隧道支护结构的稳定性影响,具有重要的理论意义和工程实用价值。本文运用便携式微机控制数字输出测震仪进行爆破震动测量,同时,采用软件进行非线性数值模拟计算,分析隧道爆破开挖对既有隧道和开挖隧道支护衬砌的影响,讨论爆破震动影响下隧道支护方式的优化。     

某铁路隧道下穿高速公路爆破振动研究

结合沪昆铁路某隧道下穿沪昆高速公路的实际工况,应用三维有限元软件MIDAS/GTS-NX模拟下穿隧道与既有高速公路相对位置不同时,新建隧道爆破施工引起既有高速公路挡墙和路基的动力响应规律。结果表明:在装药量保持不变情况下,新建隧道与既有高速公路相对位置发生变化,既有挡墙和路基振速响应峰值的出现部位不尽相同,当隧道位于挡墙正下方和左下方时,挡墙底部临空侧点的振速值最大,当隧道位于挡墙右下方时,挡墙底部内侧点的振速值(峰值为0.61 cm/s)略大于挡墙底部临空侧点的振速值(峰值为0.59 cm/s);对于路基,当隧道位于挡墙正下方和右下方时,左线路基底部右侧点的振速值最大,当隧道位于挡墙左下方时,左线路基底部左侧点的振速值最大。因此,在下穿隧道爆破施工时,为保证既有高速公路挡墙和路基的安全运营,应重点监测距爆心最近的挡墙底部临空侧和左线路基的振速响应,必要时可进行加固处理。此研究成果可为类似工程爆破开挖及振动控制提供参考。     

建筑结构对隧道爆破的应力响应与稳定性研究

以某隧道工程掘进开挖爆破的震动安全监测项目为依托,对隧道上方民用建筑物的应力响应和稳定性进行研究。选取爆源位于建筑物下方边角处和中心处等不同位置时,运用三维数值模拟研究该建筑各结构构件基础、梁、板、柱、墙体等部位的震动应力时程分析、动力响应分布规律及稳定性,为控制隧道开挖爆破对地面建筑结构的危害提供基础数据,提出对建筑物进行重点构件部位的安全监测或采取针对性加固措施。现场调研验证了的建筑破坏情况与数值模拟结果基本一致。     

邻近铁路隧道爆破施工动力影响研究

文章针对新建隧道爆破施工对既有铁路隧道结构的动力影响问题,通过FLAC3D数值模拟分析了下穿隧道与既有铁路隧道相对位置不同时,新建隧道爆破施工引起既有铁路隧道的动力响应规律。结果表明:新建隧道施工至铁路隧道正中心时,既有铁路隧道底部最大振动速度为3.01 cm/s,未超过规范允许范围。因此,在下穿隧道爆破施工时,为保证既有铁路隧道的结构安全,可采用三台阶法爆破施工,从而减小最大段装药量,从本质上预防振动速度超限。     

暗挖地铁车站大断面隧道施工过程的数值模拟研究

采用数值模拟和现场监测相结合的方法,对暗挖地铁车站大断面隧道施工过程进行了动态仿真分析,研究了围岩应力、地表位移及结构受力的变化规律。计算结果表明:隧道开挖过程中,暗挖大断面地铁隧道关键施工步序为开挖上、下台阶,并应在开挖后及时封闭临空面。本文对开挖过程中的施工关键部位及施工时机等给出了合理的建议。     

空间交叉隧道爆破施工对邻近隧道结构影响研究

结合重庆市照母山隧道工程,根据施工现场爆破监测数据和数值模拟结果对新建隧道爆破施工时临近及相交隧道的稳定性和安全性进行研究,探讨隧道间距对邻近及相交隧道衬砌结构振动的影响,研究结果表明:既有隧道的迎爆面是爆破振动作用下的危险面,且相邻、下穿隧道节点振速、位移的最大值同样位于迎爆面;在爆破施工时,隧道间距在1.5～2.5D内衬砌振动受爆破影响较大,在2.5～3.5D内,随间距变大,衬砌振速变化较慢;对于Ⅳ围岩下相交隧道爆破施工的最小安全距离,建议取2.0D。     

新建隧道爆破施工对既有轨道交通区间隧道的动力影响分析

为研究新建隧道爆破施工对既有轨道交通区间隧道的动力影响,以重庆轨道交通9号线一期工程观音桥站施工通道为例,采用有限元数值分析法建立爆破模型,模拟既有的重庆轨道交通3号线区间隧道在爆破荷载作用下引起的振动速度及岩土应力分布情况。结果表明:新建施工通道爆破开挖引起既有区间隧道结构的振速最大值为1.38 cm/s,控制在1.50 cm/s以下;同时,对等效应力云图的分析可以看出,模拟爆破产生的应力较小。可见新建隧道爆破施工对既有轨道交通区间隧道的动力影响较小,风险可控,建议施工过程中加强对既有轨道交通区间隧道迎爆侧及拱顶位置的监测。     

钻爆法施工对软硬围岩过渡段振动特性研究

为研究爆破作用下隧道软硬围岩过渡段振动特性,以贵州石阡至玉屏(大龙)高速公路老木山隧道为工程背景,对隧道围岩软硬过渡段的爆破振速进行实时监测,并运用FLAC3D数值计算软件对爆破作用下软硬围岩过渡段开挖面动力响应进行模拟和研究。结果表明:软硬围岩过渡段爆破波的传播受临空面放大作用和垂直传播放大作用共同控制,由软岩向硬岩方向发展,横断面最大峰值振速出现在拱脚处;爆破地震波在纵断面上呈现区域变化,掌子面后方成洞区约2 m处有可能出现损伤甚至塌落的危险;爆破诱发质点峰值振速与其造成的损伤范围具有很好的相关性。     

天井山隧道开挖爆破振动现场监测与分析

开展了天井山隧道开挖爆破振动现场监测试验,在邻近隧道监测到的最大振动速度分别为0.11m/s和0.10m/s,其最大振动方向为垂直于隧道临空面的径向。监测结果表明,天井山隧道当前爆破开挖对邻近隧道的影响较小,可以保证邻近隧道的安全与稳定;研究表明,开挖爆破应力波在软弱破碎围岩中的传播明显受到削弱,设计规范偏于保守,施工中应因地制宜,在加强观测、保证安全的前提下,提高施工效率。     

爆破振动对邻近盾构管片影响的测试与分析

台山核电站取水隧洞是我国首条用泥水盾构施工的越海隧洞,因工程需要,需在已建1号隧洞旁海底基岩段和孤石段地层进行钻孔爆破及预加固处理。由于爆破属无临空面爆破,爆破振动较大,必须将爆破振动对邻近已建隧洞管片结构的影响控制在容许范围内。研究结果表明:现场实测振动数据受环境干扰较大,需先进行滤波处理;基于处理后的数据进行数值动态响应分析,并通过控制爆破药量及其他减振措施,证明基岩段及孤石段爆破时对邻近隧洞管片影响较小,结构总体较安全。     

小净距交叉隧道爆破振动响应研究

新建隧道从既有公路隧道上方穿过,在空间上形成交叉隧道。上下隧道最小净距为8.1 m,为评价新建隧道爆破施工对既有公路隧道结构的影响,进行了数值模拟研究。结果表明:当新建隧道在距离隧道交叉点10 m以外位置以全断面法爆破施工时,下方既有公路隧道仅受到较小的影响;当其在距离交叉点10 m以内位置以全断面法爆破施工时,既有公路隧道二次衬砌振动速度超标,而采用台阶法爆破施工时,新建隧道可安全通过。     

隧道爆破施工合理毫秒延期时间的数值研究

毫秒延期爆破作为降低爆破震动效应的主要措施,已广泛应用于实际工程。但毫秒延期间隔时间多以经验或现场爆破试验给出,数值模拟方面所做研究较少。基于ANSYS/LS-DANY有限元软件的动力分析功能,建立了隧道三维爆破模型。简要分析了最大段药量对爆破震动效应的控制作用,在此基础上首次定量研究了不同的毫秒延期时间对隧道衬砌动力响应的影响;并结合质点震动速度安全判据,给出了合理的毫秒延期爆破时间。本文定量研究毫秒延期爆破间隔时间的方法及所采用的模型,可结合不同隧道的具体爆破条件修正后推广应用。     

Evaluation of influence of vibrations generated by blasting construction on an existing tunnel in soft soils

The controlled blasting technique is employed, for the first time, on the diaphragm wall of an existing road tunnel in soft soils in the city of Shanghai, and therefore, safety demands on evaluation of influence of the blasting vibrations on the tunnel are highly required. Based on the practical blasting scheme of four sections of diaphragm wall of the tunnel to be exploded in three groups, the field monitoring of blasting vibrations is carried out on the bottom plate of the tunnel and the blasting vibration effects on the tunnel are measured throughout the blasting construction. The sequential characteristics of vibration velocities and accelerations of the tunnel structure are obtained from the field blasting tests. In order to fully understand the safety criterion of the blasting vibrations on the tunnel, a 3D numerical model is established by the finite element software ABAQUS. The numerical simulation results are confirmed by field monitoring data. Based on the monitoring data and numerical results of the tunnel subjected to blasting loads, results show: (1) the blasting energy is transferred mainly along the vertical direction; (2) the basic frequency domain of the tunnel responses caused by the explosion is relatively in a lower frequency range; (3) distinct vibration response spectra of the tunnel structure are observed along the horizontal and vertical directions; (4) the performance of the tunnel subjected to the blasting construction is in a critical state of safety and thus the blasting construction scheme should be implemented carefully. Finally, critical issues on evaluation of the blasting construction are fully discussed and evaluated, which provide a reference for other similar projects.     

Effect of blast-induced vibration on existing tunnels in soft rocks

In urban areas, it is common to excavate rocks adjacent to existing tunnels. Excavation of rock ground is commonly carried out using the drill and blast method which may cause blast-induced damages to the existing tunnels. In this case securing the safety of the existing tunnels is one of the main issues, and the possible effects need to be evaluated. Empirical approaches using the velocity formulae are frequently adopted to evaluate the influence of the blast-induced vibration. This method cannot, however, appropriately consider various influencing factors on vibration and basically needs to be validated using the trial blast in the field. In this paper, attempts to identify the effect of blast-induced vibration on the immediately adjacent tunnels are made, and a preliminary guideline for evaluating the protection zone for the blast vibration is proposed. A numerical method is adopted for the dynamic modeling of a tunnel in soft rock. A two-dimensional blast load is evaluated by modifying the detonation pressure formula based on the results of field tests. Tunnel behavior due to the blast-induced vibration is investigated in terms of particle velocity, displacement, and stress of the linings. A guideline for the blast protection zone is proposed based on a parametric study on blast location, tunnel depth, and the amount of explosives.     

Numerical study on tunnel damage subject to blast-induced shock wave in jointed rock masses

In this study, numerical modeling on the damage of existing circular tunnel subject to blast-induced shock wave was carried out with DEM-based code UDEC. The disturbed zones including failure zones, open zones and shear zones around circular tunnel and peak particle velocities (PPVs) at tunnel surface are employed to analyze the damage of tunnel. The effects of joint spatial and mechanical properties, initial stress of rock mass, and magnitude of shock wave amplitude to damage of tunnel were evaluated in this study. The difference of damage between non-supported circular tunnel and bolt-supported circular tunnel subject to the same blast-induced shock wave was also studied. It is found that the orientations of joints in rock mass around the tunnel have great effects on tunnel damage. The initial stress around tunnel has relatively small influence on tunnel damage. The bolt support could greatly increase the stability of tunnel by changing the vibration form of particle velocity rather than the decreasing of PPV.     

高速公路扩建大断面特小净距隧道爆破稳定控制技术研究

 以国内罕见的大帽山隧道为工程背景,结合国内现有研究成果和规范,研究新建隧道爆破施工时确保既有运营隧道安全稳定的控制技术。以现代信息化施工理论为依据,充分运用现场监控量测,将既有隧道质点振动速度的临界值确定为20 cm/s,对既有隧道爆破质点振动速度进行监测、回归分析和爆破参数的优化;最终现场监测结果表明,优化后的最大装药量等爆破参数设计合理,该爆破设计在现阶段未对既有隧道安全产生较大影响;同时,运用数值模拟的方法,得到中夹岩和既有隧道壁面的质点振动速度随时间的变化规律,所得最大振速符合规范要求,验证该次爆破设计是合理的。通过数据分析得出隧道肩部的振动速度是隧道底部的1.19～3.99倍,隧道腰部的振动速度为隧道底部的1.10～3.11倍,迎爆侧振动速度为背爆侧的5～10倍。该研究成果为今后类似隧道工程的爆破掘进工程在理论上和施工方法上提供参考借鉴。     

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。     

围岩压力对爆破信号频域能量分布影响研究

随着金属矿山开采深度进一步加大,上覆岩体引起的高围压极易导致围岩发生片帮冒顶等失稳破坏,目前,所建立的爆破震动效应安全判据均未考虑开挖深度及围岩压力因素。笔者通过对不同围岩压力下巷道围岩的爆破震动效应进行数值模拟,利用小波能量理论在频域范围内分解巷道围岩响应信号,得到响应信号的频带总能量以及在不同频率区间内的能量分布,并得出围岩压力对响应信号频带总能量以及频带能量分布的影响规律。结果表明:围岩压力越大,响应信号的频带总能量越大,且频带总能量的增幅以主频带内能量增幅为主;随着围岩压力增大,次频带内能量向主频带内转移,导致频带能量趋于集中。明确不同围岩压力作用下爆破震动信号频域能量的分布规律,为进一步建立考虑围岩压力因素的爆破震动效应安全判据奠定基础。