小净距下穿铁路隧道爆破震动的响应研究

新建翠华山隧道与既有线小峪隧道垂直净间距仅为8m,复线隧道钻爆施工将影响既有隧道的结构安全。为保证既有线的安全运营,本文采用 ANSYS/LS-DYNA 软件建立了隧道的有限元模型,数值分析了下穿铁路隧道爆破施工时隧道间水平距离 L 为-6m～19m 时既有线的动力响应。结合既有线振动速度的实测数据,采用质点振速判据评估了下穿隧道爆破施工时既有线结构的安全性,保障了下穿隧道施工时既有隧道的运营安全。数值模拟结果分析表明：未出现新的自由面之前、爆破炸药量不变的情况下,两隧道水平间距 L 从19m 减小到10m 时,数值模拟所得峰值振速由10.5cm/s 增大到12.0cm/s;出现新的自由面之后、爆破炸药量不变的情况下,两隧道水平间距 L 从10m 变为5m 时,数值模拟所得峰值振速由12.0cm/s 减小到10.2cm/s,其后迅速衰减。因此,隧道爆破施工中可人为地创造自由面以降低爆破震动效应的危害。同时,既有线隧道迎爆面测点竖向振动速度较大,是爆破震动效应控制的薄弱部位,施工过程中应加强该部位的监控量测。     

小净距下穿铁路隧道爆破震动的响应研究

新建翠华山隧道与既有线小峪隧道垂直净间距仅为8m,复线隧道钻爆施工将影响既有隧道的结构安全。为保证既有线的安全运营,本文采用ANSYS/LS-DYNA软件建立了隧道的有限元模型,数值分析了下穿铁路隧道爆破施工时隧道间水平距离L为-6m～19m时既有线的动力响应。结合既有线振动速度的实测数据,采用质点振速判据评估了下穿隧道爆破施工时既有线结构的安全性,保障了下穿隧道施工时既有隧道的运营安全。数值模拟结果分析表明:未出现新的自由面之前、爆破炸药量不变的情况下,两隧道水平间距L从19m减小到10m时,数值模拟所得峰值振速由10.5cm/s增大到12.0cm/s;出现新的自由面之后、爆破炸药量不变的情况下,两隧道水平间距L从10m变为5m时,数值模拟所得峰值振速由12.0cm/s减小到10.2cm/s,其后迅速衰减。因此,隧道爆破施工中可人为地创造自由面以降低爆破震动效应的危害。同时,既有线隧道迎爆面测点竖向振动速度较大,是爆破震动效应控制的薄弱部位,施工过程中应加强该部位的监控量测。     

隧道爆破近区振动的预测方法

将比例距离的概念应用于隧道爆破振动分区中,以速度衰减曲线斜率的大小作为分区计算的依据。在此基础上,提出采用BP小波神经网络的方法预测爆破近区振速,以棋盘山隧道实测数据验证模型的可行性。结合泉厦高速公路大坪山隧道工程实例,对临近既有隧道形式的隧道爆破地震波传播规律进行分析,并对近区振速进行预测。分析表明:（1）在无实测值时,隧道爆破分区可按比例距离大致划分为:比例距离 < 5.0为爆破近区;5.0≤比例距离≤9.0为爆破中区;比例距离 > 9.0为爆破远区。（2）BP小波神经网络爆破近区预测模型不仅适用于新建分离式隧道,也适用于临近既有隧道的新建小净距隧道。研究成果对复杂环境下的隧道钻爆施工具有一定的指导意义。     

密集建筑物下隧道开挖微振控制爆破方法与振动分析

为适应城市密集建筑物下隧道爆破对振动的高安全要求, 研究用普通爆破器材进行振速精确控制的爆破技术和参数确定方法。以渝中隧道为研究背景, 在开发准确延时非电雷管的基础上, 利用傅立叶函数和MATLAB软件拟合了不同药量单孔爆破振动波形, 分析了1~50 ms不同间隔下振动叠加的量化数据; 讨论了各微差间隔时间的降振效果; 在指定振速的情况下, 确定单孔药量和微差起爆时间; 实测并分析了现场使用雷管各段微差间隔特点, 据此进行针对性的爆破设计和采用逐孔掏槽爆破进行振速控制。现场应用表明:隧道爆破振速始终小于1.00 cm/s, 在此振速下避免振动叠加的最优单孔药量为1.2 kg, 爆破振速峰值位于主掏槽的第1段或第2段雷管起爆后, 且与理论分析结果吻合较好; 逐孔起爆60 ms后振速下降50%以上。研究表明:在高安全指标下, 以非电雷管实施精确控制爆破是可以实现的。     

地下墙施工爆破对既有隧道的振动测试与分析

结合复兴东路越江隧道浦西引导段地下连续墙爆破施工工程,给出了爆破施工对既有隧道振动影响的监测方案,包括测点布置、测试方法、测振系统。基于爆破振动监测数据,分析了3次不同位置和药量爆破下各测点的振动波形、速度、加速度响应、主频及主频域,根据判别标准得出了隧道在爆破振动下接近安全值底线的结论,同时归纳出不同爆破振动下结构的响应频谱特性,研究结果可为类似工程提供参考。     

基于雷管实际延时范围的逐孔爆破振动合成计算与应用

计算多段微差起爆合成振速对城市隧道低振速爆破设计具有非常重要的意义，因普通雷管实际每段都有延时误差，这些误差对低振速指标下微差合成振动影响不能忽略，但各段延时范围将形成海量的多孔微差合成振动曲线导致难以计算。为解决这一问题，将现场单孔爆破曲线作为震源波形，利用傅里叶级数拟合曲线，根据实测各段雷管延时范围特点，采用多级循环嵌套的逻辑语言编写MATLAB计算程序，成功获取8段微差爆破全部可能的合成振动曲线；分析了同段延时误差、不同段之间延时误差对爆破合成振动的影响；以计算合成振动曲线和实测爆破振动曲线对比判定第二临空面形成时间；计算其形成前各段延时范围内所有可能振动曲线后，选择峰值振速不超标的最大药量为设计掏槽药量。在某隧道工程应用表明:第二临空面出现在60 ms，在1.0 kg设计药量下最大计算合成振速0.62 cm/s，与现场实测值吻合较好。     

基于正态分布的爆破振动评价与安全药量计算

工程爆破是非常重要的一种施工方法，但同时爆破引起的岩石振动也是爆破公害之一。由于爆破场地的复杂性，爆破地震引起的某位置质点振速峰值v与单段最大药量Q、爆心距R没有严格的函数关系，只能将振速视为随机变量，因此振动只能从概率的角度来描述。为了控制振动强度，达到较高的可靠度，必须计算振速小于目标设施安全振速的概率。本文中基于概率，将振速峰值近似视为服从正态分布，对目标设施进行安全分析以及安全炸药量计算，最后通过案例应用，解释概率公式计算炸药量的合理性。     

毫秒延时爆破等效单响药量计算及振速预测

毫秒延时爆破存在同段雷管离散及分段振波叠加效应,对单响药量取值及质点峰值振速的预报带来极大困扰。设计开展毫秒延时爆破试验,建立群孔齐发爆破振速的计算模型,研究并构建炮孔数目对齐发爆破等效药量影响及其取值方法;并基于单孔爆破回归分析结果,提出修正的质点峰值振速与比例距离关系公式。结果表明,群孔齐发爆破等效药量比名义单响药量小,可利用缩比系数和折算炮孔数目进行计算,缩比系数随炮孔数目增加呈指数形式衰减;修正的质点峰值振速与比例距离公式引入的振波叠加因子可反映振波叠加对速度的影响,依据该公式计算得到的质点峰值振速预测值与实测值间平均绝对误差、平均相对误差及均方根误差分别为0.05 cm/s、9.52%、0.059 cm/s,用于现场爆破振动预测切实可行。     

多次爆破荷载作用下大荒沟小净距隧道围岩岩体位移响应

以丹东-通化高速公路大荒沟隧道进行的爆破振动监测数据为依据,采用FLAC-3D软件,分析了多次爆破荷载作用下大荒沟隧道小净距段围岩位移响应规律。根据爆破振动监测数据,考虑了竖向和横向质点运动在爆破荷载作用下的耦合效应,模拟左、右洞在6次爆破开挖下的隧道围岩位移响应,同时进行小净距隧道围岩岩体疲劳损伤声波监测,将爆破振动模拟结果和工程实测岩体疲劳损伤声波监测结果进行比较。分析表明:随着爆破循环开挖的进行,围岩处于稳定状态,在排除爆破加载左洞及右洞先后顺序的影响后,岩体损伤及围岩位移偏移以间柱为对称面呈现一定的对称性。同时,随着爆破掘进进行,隧道围岩监测处距爆破中心距离增大,测点处爆破应力波的强调度降低,围岩岩体疲劳损伤及位移偏移增量减少并最终趋于稳定。     

交叉隧道施工中新建隧道周围复合地层与间距对既有隧道的沉降影响研究

沿海地区特别是广州地区地铁建设多在复合地层中进行盾构施工,开挖引起的地层沉降很难控制,如何防止大面积的地层沉降,保证既有建(构)物安全成为施工难题。基于此,本文提出了复合地层盾构施工的地质概化模型,运用三维有限元方法对交叉隧道盾构施工进行了建模分析,研究了不同的复合地层类型及不同的覆土厚度与间距下,新建隧道盾构正交下穿施工对既有隧道沉降的影响。结果表明,新建隧道在近似均一土层中下穿施工引起的既有隧道沉降最大,上软下硬地层次之,长距离硬岩段最小,沉降随土层弹性模量的增加而减小; 同时,既有隧道沉降随覆土厚度的增加而增大; 随隧道间距的增大而减小,当间距小于2倍衬砌外径时,既有隧道沉降较大,存在损坏的危险。最后,提出了相应的沉降控制对策。     

浅埋小净距隧道爆破损伤探测及数值模拟分析

为了研究爆破荷载对浅埋小净距隧道围岩造成的损伤影响,以济南顺河快速路南延工程浅埋暗挖段为工程背景,通过LSDYNA软件将建立的各向异性动态损伤本构用于隧道爆破的损伤数值模拟,研究炮孔周围的损伤范围;并基于声波测试原理,对浅埋小净距隧道围岩的损伤进行了现场探测。结果表明:在数值模拟中,单个炮孔爆破形成的最大损伤影响半径为0.58 m,最大损伤影响深度为1.88 m,根据岩体的损伤破坏阈值,岩体的破坏水平范围可达0.14 m,破坏深度为1.70 m;根据现场探测,中夹岩受双线隧道交替爆破开挖其损伤程度较围岩其他部位要高,爆破开挖对隧道围岩造成的损伤范围在0.50 m左右,与模拟结果相接近,验证了各向异性动态损伤本构的准确性。研究成果对浅埋小净距隧道的爆破开挖和损伤控制具有一定指导作用。     

自由面变化条件下隧道电子雷管爆破参数确定方法

电子雷管的技术潜力目前仍未在隧道工程中得以充分发挥,一个重要原因是没有严密理论支撑的爆破参数计算方法,药量、孔间延时等核心参数多沿用普通矿山法设计;其次是不能解决第二自由面形成后爆破参数计算准确性问题。以重庆观音桥隧道为研究背景,基于Anderson理论和电子雷管延时特性,提出隧道爆破在单自由面形成双自由面过程中,不同自由面条件下电子雷管爆破参数设计的新方法。现场获取不同药量单自由面单孔爆破振动曲线,逐一计算各孔间延时下的多孔合成振动,对比不同药量、不同延时合成振动曲线后确定单自由面爆破参数;根据电子雷管特点设计短延时掏槽爆破现场试验,获得起爆48 ms后已形成第二自由面;据此设计第二自由面形成后单孔爆破试验并计算双自由面下的合成振速、爆破参数,最终形成爆破全过程爆破参数计算方法。对计算结果进行综合分析后,现场设计主掏槽单孔药量1.2 kg,辅助掏槽单孔药量1.4 kg,孔间延时为5 ms;主掏槽与辅助掏槽间最小时差为35 ms;采用上述优化参数进行现场试验,在低振速控制的同时实现高效进尺。     

既有裂缝、空洞病害隧道爆破振动安全控制标准

爆破荷载作用下，既有隧道衬砌的振动安全振速控制标准制定，大多以既有隧道完好为前提条件，不考虑病害因子对结构动力响应的影响，与实际不相符。为此，以既有新岭隧道旁拟建新隧道为工程背景，基于既有隧道衬砌裂缝和背后空洞的实际分布特征与规律，建立带裂缝与空洞的二维、三维结构模型，分析裂缝、空洞对衬砌动力响应的影响，提出以振速为指标的标准管理体系。结果表明:裂缝的最不利分布位置为迎爆侧边墙处，裂缝的存在增强了既有衬砌对S₁应力(拉应力)的响应，振速控制标准的制定应以S₁应力和裂缝径向深度为控制指标；当裂缝径向深度为(0～1/8)h、(1/8～1/2)h和＞(1/2)h（h为衬砌厚度）时，控制标准分别为12、10和8 cm/s。空洞的最不利分布位置为拱顶，空洞的存在增强了既有衬砌对S₁应力和振速的双重响应，以增强振速响应为主，振速控制标准的制定应以振速、空洞面积及纵向长度为控制指标，空洞工况下，控制标准为12 cm/s；空洞沿隧道纵向长度小于7 m时，监控范围为3～4倍纵长；空洞沿隧道纵向长度大于7 m时，监控范围为1～1.5倍纵长；纵向长度小时，倍数取大值。     

邻近隧道掘进爆破对既有隧道的影响

结合在建的贵昆线六盘水至沾益段增建Ⅱ线扒挪块隧道开挖工程,采用动力有限元程序建立了3 维模型,对贵昆线狮子口隧道混凝土衬砌的质点振动速度以及应力分布情况进行了计算。计算结果表明,在 整个考察范围内,垂直方向振速峰值比其他2个方向上的振速峰值大,但在拱顶以及底板单元的主要拉伸应 力为水平方向,说明垂直振速并不能完全代表围岩的受力状况。在实际工程中,不仅要控制爆破振动速度,而 且对围岩的受力状况也要进行分析。计算最大振速为4.94cm/s,小于工程要求的5.00cm/s;拱顶最大拉伸 应力为0.54MPa,既有隧道混凝土衬砌没有受到破坏。     

椭圆形桩井护壁爆破振动安全判据

钻爆法作为桩基开挖的主要破岩手段,所产生的爆破振动引起桩井护壁结构发生动态响应,进而影响桩井结构的稳定性。利用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA3D,以峰值质点振动速度和有效拉应力作为指标,模拟了椭圆形桩井护壁结构对爆破振动的动态响应。计算结果表明:不同掘井深度的椭圆形桩井护壁对不同段药量爆破振动的动态响应呈相似规律,最大质点峰值振速及峰值拉应力分布一致,均位于护壁井口端的弧形壁部分,响应强度随段药量的减小而减小;护壁结构的峰值拉应力与峰值振速呈线性关系,基于抗拉强度准则,确定了该工程条件下护壁的安全振动速度阈值为8 cm/s,现场测试验证了预设判据的合理性。     

爆破开挖振动下既有大型储油罐的动力响应

针对既有大型储油罐近区基础爆破开挖中的安全问题,采用ANSYS/LS-DYNA的隐式-显式顺序求解方法,结合流固耦合算法,研究了爆破振动下大型储油罐的动力响应规律。分析了罐壁不同位置的质点振速,由于质点振速分布情况较为复杂,不宜用局部质点振速判断罐壁危险点;总结了罐壁上应力的分布规律,结果显示爆破振动对储油罐的影响主要集中在迎爆侧下部,且在罐壁迎爆侧高度为3 m左右的位置最易发生象足屈曲;分析了不同频率爆破振动作用下满载储罐罐壁的质点振速,结果表明在爆破振动主频范围内,载荷频率远大于储罐固有频率条件下,罐壁上质点振速随着爆破振动频率的降低呈减小趋势;建立了储油罐罐壁质点振速与罐内液面高度的关系,结果表明降低液面高度可以有效提高储油罐的爆破振动安全阈值,爆破施工中邻近储罐储液高度不宜高于10 m。     

隧道表面爆破地震波的产生机制及传播特征

为了研究隧道表面爆破地震波的产生机制及传播规律,提出了隧道表面爆破振动平面应变理论模型,得到了隧道表面爆破振动场积分形式解;以龙南隧道爆破工程为背景,建立了有限元数值模型,通过现场测试验证了数值模拟与理论解答的准确性;提出了基于高分辨率Radon变换的隧道爆破地震波波场分离方法,结合理论解析与数值模拟得到了P波、S波、R波的传播特征,最后综合理论结果与波场分离结果提出了隧道爆破地震波作用分区。结果表明：隧道爆破产生P波、S波,R波在自由面迅速发育,3类波呈现指数衰减特征,S波衰减快于P波快于R波。随着爆心距的增大,垂直方向主要成分由S波转变为R波,水平方向主要成分由S波转变为P波,P波转变为R波。Ⅳ级围岩工况下,隧道爆破地震波作用分区为：隧道轴向距掌子面0～6.44 m为爆破近区,主导波型为水平S波;6.44～21.23 m为爆破中区,主导波型为水平P波;21.23 m外为爆破远区,主导波型为垂直R波。爆破分区分界点与单段最大药量呈线性关系,可通过爆破药量得到隧道爆破分区位置,用于隧道安全稳定性分析。     

地应力影响下隧洞边墙的爆破振动安全

针对地应力条件下的溪洛渡水电站右岸大跨度导流洞的开挖,依托现场的爆破实验参数,结合LS-DYNA软件,进行了隧洞岩体爆破开挖过程围岩的动态响应计算。分别采用峰值质点振动速度和最大拉应力安全判据确定围岩的爆破损伤范围。计算结果表明,隧洞爆破开挖时,最大峰值质点振速和最大拉应力均出现在洞室边墙中部,因此,爆破损伤在洞室边墙部位最严重。通过对洞室边墙中部的峰值振速和最大拉应力的数值拟合,得到了峰值质点振速和最大拉应力的统计关系,并进行了相关性检验,而且根据所得统计关系,结合实际工程围岩动态抗拉强度准则,提出了控制隧洞围岩爆破损伤的临界峰值质点振动速度。     

下穿隧道爆破荷载激励下边坡振动预测及能量分析

为解决边坡与下穿近接隧道协同爆破施工安全难题，结合某石油储备基地扩建项目，运用量纲推导、现场实验与信号分析相结合的方法，构建考虑高程影响的振动峰值速度公式，研究隧道爆破振动能量沿坡面的衰减机制。结果显示，边坡同台阶边沿处质点振速峰值大于坡脚处，坡面局部存在振动速度高程放大效应；引入相对坡度H/D的爆破振动模型对坡面质点振速预测精度高，可反映边坡角对高程放大效应的影响；振动速度及能量沿坡面均呈现出近区衰减快、远区衰减慢的传播特性，同时隧道爆破振动能量集中分布在0～300 Hz范围的多个子振频带，且高频能量沿坡面衰减更快，能量卓越频带中值以指数形式衰减，能量最终向低频带集中。     

小间距隧道爆破开挖动力效应数值模拟研究

从爆破施工的特点入手，对小间距隧道在采用典型双侧导坑法时的爆破施工动力效应进行了数值模拟研究，给出了爆破施工在已有洞室周边产生的动力效应的一般规律，指出在爆破（后开挖洞室）开挖影响区以内，合理确定已有洞室二次衬砌施作时间的重要性，并给出了爆破施工对已有洞室稳定性影响较大的关键开挖位置。研究表明，爆破动载荷对小间距隧道围岩稳定性的影响主要表现为爆炸应力波造成围岩临空面的反射拉伸破坏，破坏较严重的是已有洞室的迎爆墙、拱脚、拱顶等部位。所得结论对小间距隧道爆破施工有一定的参考价值。