负高差地形影响下隧道爆破振动响应及其传播规律.pdf

文章编号:()收稿日期:基金项目:山东省企业技术创新项目()作者简介:王双()男吉林长春人工程师主要从事山岭隧道钻爆及振动控制技术应用研究:.引文格式:王双李文豪李月朋 等.负高差地形影响下隧道爆破振动响应及其传播规律.铁道建筑技术():.负高差地形影响下隧道爆破振动响应及其传播规律王 双 李文豪 李月朋 郝广伟 焦方明(.山东省路桥集团有限公司 山东济南 .山东科技大学山东省土木工程防灾减灾重点实验室 山东青岛 .山东大学齐鲁交通学院 山东济南)摘 要:山岭隧道爆破振动响应与传播规律受地形影响显著 依托双子山隧道工程针对洞口段上台阶爆破开挖考虑多级负高差地形影响开展隧道爆破振动规律研究 综合应用现场试验和数值模拟方法分析负高差地形对爆破振动速度传播具有瞬时减小与再增大的波动作用 研究结果表明:整体规律上爆破振动速度传播至负高差地形时表现出“震荡效应”呈现先减小再增大的规律负高差地形对于振速的瞬时减小效应随级数增加逐渐减弱而再增大作用则逐渐增强且负高差地形对合速度、与负高差地形走向一致的振速分量减小作用最为明显 研究结果对类似负高差地形山岭隧道爆破振动规律认识与控制具有一定指导意义关键词:隧道工程 负高差 爆破振动效应 现场试验中图分类号:.文献标识码:./.(.):.“”.:引言我国交通基础设施建设飞速发展山岭隧道作为交通基建的重要形式被广泛应用于公路、铁路工程中钻爆法具有经济效益好、操作简单易行等优点被广泛应用于山岭隧道的开挖掘进过程中 但钻爆法施工带来的爆破振动会对周边建筑物的稳定性造成不利影响因此对爆破振动进行监测并深入分析对保护建筑物安全十分重要针对隧道爆破振动效应分析国内外学者已进行了诸多相关研究主要运用的手段有现场监测及数值模拟 等、等、吴礼军等采用现铁道建筑技术 ()王双 等:负高差地形影响下隧道爆破振动响应及其传播规律场监测试验和数值分析方法对现场施工周边质点爆破振动速度开展回归分析和预测研究 等、等通过数值模拟方法对爆破振动速度及主频开展研究 关于地形对针对爆破振动传播规律包松等 基于量纲分析理论推导了在高程影响下的爆破振动持时与峰值速度公式均能较高精度的预测结果 张鹏等、雷振等通过数值模拟及现场监测分别对高程影响下边坡及建筑物振动速度传播规律进行研究均发现在振速传播过程中存在高程放大效应 等采用模型试验方法研究了不同振动频率和持续时间下的高差效应和坡面效应唐海等 结合现场爆破振动监测认为负高差地形下爆破振动速度的传播表现出整体衰减、局部异常的现象炮孔深度与边坡高度之间的大小关系对爆破振动波传播影响较大 崔文镇依据隧道扩挖工程利用理论分析及现场验证方法提出了控制爆破振动方案实践表明该方案可以有效控制小净距隧道扩挖产生的爆破振动保证原有铁路的安全运行研究表明地形地貌等因素对爆破振动速度传播有较大影响但目前对于负高差下爆破振动传播规律的研究较少 因此本文依托双子山隧道出口爆破开挖工程采用现场监测和数值模拟方法开展负高差地形条件下钻爆法施工爆破振动效应的影响规律研究 研究结果对类似隧道工程爆破振动控制及邻近建(构)筑物安全具有一定的借鉴意义 工程背景与地形地质概况.工程概况双子山隧道工程位于潍坊市青州市王坟镇为双向六车道分离式隧道长 .隧道最大埋深约.隧道围岩等级有围岩 级围岩.工程地质条件隧道出口段以页岩、灰岩为主岩体呈层状构造岩层走向与洞轴线基本垂直 洞口段无断裂构造围岩等级主要以级围岩为主为中风化灰岩和页岩薄层其单轴饱和抗压强度为.负高差地形双子山隧道海拔高程.距出口 处为当地居民区 居民区海拔低于隧道施工区地表高差 为负高差地形 爆破振动监测.监测方案于双子山隧道出口周边选取具有负高差地形差异位置布设测点 现场监测使用 爆破测振仪并配置 速度传感器 本次振动监测试验共布置 个测点如图 所示图 振动测点布置.监测结果部分监测数据见表 表 爆破各监测点振动数据统计测点直线距离/(/)/(/)/(/).监测结果分析不同位置处相应监测点三向振速如图 所示 从图 可以看出随着监测点距离爆源水平距离的增加峰值振速与衰减速率均呈不断减小趋势 从图 可以看出随着监测点距爆源高差增大监测点所测得的峰值振速逐渐减小 随着水平距离及高差变化综合获得测点距离爆源的直线距离各测点的振速如图 所示随着监测点距爆源直线距离的不断增大峰值振速不断减小且在负高差位置振动速度传播表现出“震荡效应”即先瞬时间小后略有增大铁道建筑技术 ()王双 等:负高差地形影响下隧道爆破振动响应及其传播规律图 振速和各距离关系传播至第一级负高差位置即距爆源直线距离 时、方向爆破振动速度下降明显但 方向爆破振动速度衰减不明显此时并未出现振速局部增大的现象这可能与第一级负高差水平距离较短有关在距爆源直线距离 附近出现第二级负高差地形三向振速均出现迅速减小的现象但在直线距离 处又增大此时可以明显看出负高差地形对振动速度传播的波动作用在距爆源直线距离 附近出现第三级负高差地形呈现出与第二级负高差相同的规律同时可以发现多级负高差地形对爆破振动速度的瞬时减小作用呈现逐渐减弱的趋势而对于每一级负高差上的再增大作用却逐渐增强 综上负高差地形对爆破振动速度传播具有瞬时减小与再增大的波动作用这是由于振动波传播至坡脚位置时发生波的绕射以坡脚为新振源发射的面波与爆源传来的体波共同作用所致严重影响振速预测的准确性 隧道爆破数值模拟.模型构建受制于测点数量、监测环境及人为操作等因素通过现场实测并不能获得足够的数据 为此本文依托/建立三维数值模型深入探讨爆破振动影响首先通过 、等地理信息系统将现场勘测的双子山地形坐标及高程进行处理之后利用 生成双子山三维地形图如图 所示 将其导入 内置的地形数据生成器生成山体地形曲面 最后按照隧道断面尺寸生成隧道断面将得到的面进行扩展延伸生成双子山地形及隧道实体 模型尺寸长为 宽为 高为 如图 所示 图 双子山三维地形图 图 三维有限元模型模型材料自上而下依次为页岩、灰岩两种土层参数见表 表 岩土层物理力学参数岩石弹性模量/泊松比粘聚力/页岩.灰岩.爆破荷载采用近似抛物线荷载曲线相关公式依据实际工程中上台阶最大单段起爆药量为 计算爆破荷载曲线并利用 内置的动力荷载生成器自动生成爆破荷载时程曲线见式()式()数值模拟时将爆破荷载时程曲线施加在上台阶掏槽区域目前大多采用简化的经验公式表征爆破荷载:()()()式中:为脉冲波峰值()为指数型函数的时间滞后函数()()()式中:与 为与距离有关的无量纲阻尼参数决定着爆破脉冲波的起始位置与波形 为爆破孔直径 和纵波波速 的函数为:铁道建筑技术 ()王双 等:负高差地形影响下隧道爆破振动响应及其传播规律/()使()成为最大值 的无量纲常数而 为爆炸脉冲的开始时间为、的函数即:(/)()().爆破振动仿真结果分析为更全面研究负高差地形对爆破振动速度传播影响规律基于负高差地形下双子山隧道出口爆破施工的现场采集数据基于数值模拟的结果对爆破振动速度在合速度方向水平横向、水平纵向 及垂直方向 上的振动速度传播规律进行分析提取爆破后.及.时刻下的各个方向爆破振动速度云图如图、图 所示图 .不同方向振动速度云图图 .不同方向的振动速度云图从图 可知在.时各方向爆破振动速度均向四周呈圆弧状发散整体上符合爆破振动传播规律由于其各自的特性不同方向的振动均沿各自坐标轴方向进行传播由图、图 可知由于 方向是存在高差地形所在方向因此其振动速度传播规律同合速度近似在爆破振动速度向周围传播初期振动向坡顶的传播范围更大而向山脚方向传播的范围较小这是由于爆破振动在向山脚方向传播时存在负高差地形加剧了爆破振动速度的衰减由此可知爆破振动速度传播在初期阶段受地形的影响较大且在负高差位置振动速度衰减较快 由图、图 可知由于、方向不是存在高差地形所在方向因此爆破振动速度传播受地形的影响较小其云图也呈现出大致对称的传播规律即由爆源中心逐渐向各自坐标轴方向传播并不断衰减铁道建筑技术 ()王双 等:负高差地形影响下隧道爆破振动响应及其传播规律从图 可知在爆破振动传播至.时各方向爆破振动速度继续向四周传播且各方向的爆破振动速度峰值均有不同程度的下降 这是由于随着时间增长爆破过程已经结束由爆源处传出的振动不断被消耗传播振动影响范围不断扩大而峰值逐渐减小观察图 可以看出合速度方向爆破振动速度沿负高差方向减小速率较快尤其在第一级负高差地形之后距爆源距离相等的位置振动速度值差距明显负高差地形位置振动速度明显较低 从图 可以看出水平横向振动速度传播同样沿正高差方向传播至边界后开始向负高差方向传播由于双子山多级负高差地形影响导致振动速度会出现局部放大但是整体减小的规律且水平横向速度的放大效应明显 观察图 方向上的振动速度减小较快振动速度传递方向呈现发散状态不再有弧形传播规律 由图 可以看出相比于其他方向的振动速度传播垂直方向上传播最快且范围更广综合上述分析负高差地形对爆破振动合速度及三向振速均有不同程度的影响其中对合速度及负高差地形所在方向的振速传播影响最为明显对其他方向的振速传播影响较小 结论依托双子山隧道工程采用现场实测和数值模拟方法对负高差地形条件下山岭隧道爆破振动传播规律进行研究得到如下结论:()现场监测结果表明多级负高差地形对爆破振动速度传播具有瞬时减小与再增大的波动作用 当爆破振动速度传播至第一级负高差地形时只有瞬时减小的作用由于距离较短未体现出再增大作用当振动传播至第二、三级负高差位置均呈现出振荡现象即振速先瞬时减小后增大()多级负高差地形对爆破振动速度的瞬时减小效应随负高差级数增加逐渐减弱而对于每一级负高差上的再增大作用逐渐增强()由 地理信息系统软件与 有限元软件相结合建立的三维有限元数值模型可以较为准确地应用于存在高差地形的爆破振动预测负高差地形对合速度及负高差地形所在方向的振速传播影响最为明显对其他方向的振速传播影响较小参考文献 .:.():.():.吴礼军 徐文彬.邻近高陡边坡采矿爆破振动规律及边坡稳定性分析.工程爆破 ():.():.:.():.包松 郭连军 莫宏毅 等.高程影响下爆破振动速度衰减模型优选研究.有色金属工程 ():.包松 郭连军 莫宏毅 等.考虑高程与能量的爆破振动持时分析.金属矿山():.张鹏 刘宇 周永利 等.露天矿背波台阶边坡受爆破振动的影响.湖南科技大学学报(自然科学版)():.张鹏 刘宇 周永利 等.露天煤矿台阶边坡爆破振速的高程放大效应研究.煤炭科学技术 ():.雷振 李卓 雷兴海 等.爆破振动作用下高层建筑振速变化规律研究.工程爆破 ():.():.唐海 马谕杰 夏祥 等.负高差地形爆破振动规律研究.工程爆破 ():.唐海 李海波 蒋鹏灿 等.地形地貌对爆破振动波传播的影响实验研究.岩石力学与工程学报():.崔文镇.小净距隧道全断面扩挖爆破振动影响分析.铁道建筑技术():.(上接第 页)施志深杨笑天周健等.温州永强机场 航站楼钢屋盖结构设计.建筑钢结构进展():.李彬王湛范延静等.不同锚栓布置的外露式柱脚弱轴方向力学性能研究.建筑结构学报():.李健.外包式方钢管柱脚节点抗震性能研究.徐州:中国矿业大学.刘卫辉郭洁贺志坚等.钢结构柱脚设计要点综述.建筑结构():.中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑抗震试验规程:/.北京:中国建筑出版社.殷晓三.无明显屈服特征构件屈服点的确定与评价.地震工程与工程振动():.():.铁道建筑技术 ()