基于能量原理的隧道下穿既有水电站爆破振动响应研究.pdf

文章编号:()收稿日期:基金项目:中国铁建股份有限公司科技研究开发计划项目()作者简介:高峰()男江苏邳州人高级工程师主要从事土木工程施工技术方面的研究:.引文格式:高峰.基于能量原理的隧道下穿既有水电站爆破振动响应研究.铁道建筑技术():.基于能量原理的隧道下穿既有水电站爆破振动响应研究高 峰(中铁十四局集团西北工程有限公司 陕西西安)摘 要:本文依托东南地区炉坪隧道下穿山连水电站工程基于能量原理对爆破施工能量转换过程进行深入研究以推导水电站爆破振动安全判据 根据工程实际及相关规范要求确定爆破振速安全阈值为./小于理论计算爆破最大振速 根据安全振速及萨氏公式计算隧道爆破最大装药量对下穿段进行爆破参数优化设计并建立三维数值计算模型对水电站爆破动力响应开展研究 结果表明:采用优化后的爆破参数进行爆破对山连水电站总体上振动影响较小爆破振速基本满足规范要求但对水电站靠近隧道进口侧顶部及边墙影响较大需采取应对措施水电站变形沉降较小基本可忽略不计关键词:隧道爆破施工 水电站 近接下穿 能量原理 方案优化 数值计算中图分类号:.文献标识码:./.():./.:.:引言受到线路选线的影响新建铁路隧道经常出现近接既有建(构)筑物的情况 如果隧道埋深浅、工程地质条件差在隧道爆破开挖过程中容易对既有建(构)筑物产生影响甚至造成开裂或破坏如九道拐铁路隧道、西康线响水隧道均因邻近工程的爆破施工而出现衬砌开裂现象 爆破振速对建筑结构影响较大因此将质点的峰值振速作为爆破振动安全评价指标既准确又相对简单对于隧道施工近接既有建(构)筑物的爆破振动影响研究较为复杂迎爆侧是爆破过程中最容易发生破坏铁道建筑技术 ()高峰:基于能量原理的隧道下穿既有水电站爆破振动响应研究的位置 叶培旭等通过研究发现:当振源与测点距离小于 时影响因素为距离和装药量 郑明新认为当净距小于三倍隧道洞径时最大装药量为主要影响因素 孟栋通过数值计算提出岩体越坚硬完整爆破振动波传播衰减越慢爆破地震波在传到既有隧道之前出现峰值回升 朱正国等提出既有隧道受到新建隧道爆破的影响随净距的增加和围岩级别的降低而减小 曹明星通过数值模拟方法对比分析了新建隧道采用两台阶法与三台阶法对下方既有隧道的爆破动力响应发现爆破振动使下方既有隧道衬砌的拱顶应力增大贾磊等对不同开挖进尺、不同间距、不同埋深下新建隧道爆破施工对既有隧道的动力响应展开研究发现新建隧道施工开挖进尺越大邻近既有隧道衬砌振速越大本文依托炉坪隧道下穿山连水电站工程对隧道爆破对山连水电站的振动影响展开研究最终确定合理的爆破参数保障水电站结构安全以及隧道的顺利贯通 工程概况炉坪隧道位于福建省境内紧靠三明市尤溪县山连水电站隧道全长 隧址区地层主要为全风化流纹斑岩、全风化花岗岩、强风化花岗岩、弱风化花岗岩岩芯呈碎块状工程地质条件较差隧道下穿山连水电站前池部位交叉处隧道覆盖层厚度约 山连水电站主要为 混凝土结构存在较高的施工风险平面如图 所示图 炉坪隧道下穿山连水电站平面 炉坪隧道爆破安全判据.炉坪隧道爆破振速安全判据在爆破荷载作用下建筑物的破坏及损伤主要是由于外界能量的转化 假设不考虑热交换根据能量守恒原理爆破产生的总能量将会转换为建筑物的耗散能以及弹性应变能如式()所示 建筑物中的耗散能将会造成其破裂及损伤其中可释放弹性应变能由式()表征 ()()/()式中:为输入总能量为耗散能为弹性应变能谢和平通过研究给出了单元受拉、受压两种情况下的破坏准则:()受压情况(压应力为正)()()将岩体可释放的弹性应变能代入可得岩体单元受压情况下的破坏准则:()()()()受拉情况()()()()式中:、为岩体单元应变能最大时对应的 个主应力 为岩石弹性模量 为泊松比通常在爆破荷载作用下既有建(构)筑物的破坏以受拉破坏为主因此符合上述受拉破坏准则 在爆破过程中爆破应力波传播至建(构)筑物时爆破地震波的动能转化为质点处的弹性应变能和耗散能因耗散能无法具体量化且出于保守考虑假设振动过程中动能全部转化为质点的弹性应变能 因此当爆破地震波所携带的动能小于建(构)筑物材料的可释放弹性应变能时建(构)筑物不会发生破坏即:()基于本工程背景水电站为 混凝土结构混凝土的可释放弹性应变能可根据应力 应变曲线面积所得 在爆破荷载作用下建(构)筑物的破坏形式由受拉控制因此基于能量原理可得水电站的爆破振动安全判据公式:()()根据爆破安全规程本工程考虑水电站的现实状况及隧道施工环境的特殊性水电站设施的安全系数较普通结构要高结合当地类似工程的判据取值现将水电站的安全振动速度定为./根据本文提出的基于能量原理的爆破振动安全判据将 混凝土抗拉极限强度代入公式可得最大振速为./本文确定的安全振速远小于理论计算铁道建筑技术 ()高峰:基于能量原理的隧道下穿既有水电站爆破振动响应研究的最大振速.炉坪隧道爆破设计根据萨道夫斯基公式对起爆药量进行反算得到隧道最大起爆药量为.()式中:为振动速度/为与介质和爆破条件因素有关的系数取 为场地地质参数取.为水电站距隧道距离取 为最大起爆药量根据计算结果对炉坪隧道进行爆破参数优化设计采用复式楔形掏槽爆破参数如图 及表 所示图 炉坪隧道爆破布置及掏槽孔布置(单位:)表 炉坪隧道爆破设计参数序号 炮眼分类炮眼数/个雷管段数/段炮眼长度/炮眼装药量装药量/(/孔)合计药量/掏槽眼.辅助眼.周边眼.底板眼.合计.数值计算.模型建立建立三维数值模型长度为 宽度为 深度为 如图 所示图 计算模型.计算参数及边界条件.围岩参数假设围岩为理想弹塑性材料采用 屈服准则初期支护为弹性材料 模型均采用实体单元模拟 模型参数如表 所示初期支护中钢架按等效刚度原则进行折减折减到混凝土的弹性模量中表 计算参数材料黏聚力/内摩擦角/()弹性模量/泊松比 容重/(/)初支.全风化花岗岩.强风化花岗岩.弱风化花岗岩.爆破荷载新建隧道开挖爆破荷载采用等效荷载施加方式掏槽孔所产生的爆破振动影响最大将掏槽孔等效荷载施加至隧道开挖轮廓线上等效爆破荷载采用三角形荷载模型爆破荷载升压时间 取 正压作用时间 取 爆破荷载峰值应力:.()式中:为比例距离 /为炮孔至荷载作用面距离 为炮孔装药量.监测点布置沿水电站周围布置 个测点监测水电站的爆破振速如图 所示图 水电站监测点布置铁道建筑技术 ()高峰:基于能量原理的隧道下穿既有水电站爆破振动响应研究.结果分析.水电站爆破振速分析监测点的振速时程曲线如图 所示 个监测点达到峰值振速的时刻相差不大基本在 之间达到峰值之后逐渐衰减衰减周期较长 监测点 的峰值振速最大达到./个监测点的峰值振速均未超过./图 监测点振速时程曲线不同时刻水电站振速云图如图 所示 水电站在 振速逐渐增大 之间振速逐渐衰减 时水电站整体振速较小基本上可忽略不计水电站振速最大部位并不在水电站底部而是在水电站的顶部及边墙在 时水电站靠近隧道进口方向顶部振速较大最大振速约为./较监测点监测到的振速稍大图 不同时刻水电站振速云图隧道爆破过程中在隧道掌子面前方的地震波向前方岩土体中传播并逐渐衰减而向隧道后方传播的地震波在新建隧道衬砌结构处发生反射反射回来的地震波继续向上传播所以对靠近隧道进口侧的水电站影响较大甚至造成地震波的叠加导致振速增大因此在施工中不仅要监测水电站底部振速同时需要在水电站顶部及边墙设置监测点以保障水电站结构安全.水电站爆破位移分析监测点的位移时程曲线如图 所示 个监测点的峰值位移均较小最大位移不到 级基本上可以忽略不计图 监测点位移时程曲线不同时刻水电站位移云图如图 所示 与振速云图相对应受到反射爆破地震波的影响靠近隧道进口方向水电站的顶部及边墙变形较大在隧道爆破过程中该部位易产生裂缝从而影响水电站结构安全图 不同时刻水电站位移云图 结论()考虑工程实际情况并参考规范确定爆破过程中的最大安全振速该振速远小于理论计算的最大振速采用萨氏公式计算最大起爆药量优化爆破设计通过计算可知最大振速在水电站靠近隧道进口侧的顶部及边墙部位最大值为./变形基本上可以忽略不计()由于爆破地震波在传播过程中受到新建隧道衬砌结构的影响会产生发射现象从而对水电站产生二次影响造成振速叠加对靠近隧道进口侧水电站的顶部及边墙影响较大施工中需重点关注()采用优化后的爆破参数炉坪隧道已顺利贯通 通过对水电站水池水位及水量监控未出现水头流(下转第 页)铁道建筑技术 ()张春瑜:某供水隧洞进口仰坡稳定性研究 由图 可以看出:()坡面总位移在坡体中部最大与图 总位移云图一致()对同一节点施工步对其位移变化影响不大()隧洞上部节点位移随着施工步的增加呈逐渐增大的趋势隧洞下部节点位移在第 施工步达到最大后随着施工步的增加有逐渐减小的趋势但变化幅度不大由表 可以看出隧洞开挖前有限元强度折减法计算得到的仰坡安全系数为.不考虑隧洞支护时的安全系数为.仅从隧洞开挖来讲降低了坡体的安全系数 由于隧洞断面较小(直径 .)隧洞支护反而增加了坡体的稳定性第、第 施工步的安全系数分别达到.和.与图 位移变化曲线和坡面现场位移监测结果较为一致图 隧洞仰坡坡体塑性状态变化云图也验证了这一结论 结论供水隧洞进口段仰坡处于稳定状态极限平衡法得到的二维坡体安全系数为.有限元强度折减法得到的三维坡体安全系数为.反映了三维坡体稳定性的空间约束作用 不考虑隧洞支护时隧洞开挖前后的仰坡安全系数为.和.隧洞开挖降低了仰坡的稳定性 由于隧洞断面小隧洞开挖对坡体安全系数影响较小隧洞支护提高了仰坡坡体的稳定性参考文献 蔡佳豪.隧道穿越条件下的滑坡稳定性研究.成都:西南交通大学.骆晓依.隧道开挖对古滑坡稳定性的影响分析.长沙:湖南大学.巩悦晏长根于澎涛等.隧道正交穿过滑坡体的相互作用影响研究.公路():.张治国毛敏东.等.隧道 滑坡相互作用影响及控制防护技术研究现状与展望.岩土力学 ():.谢磊.隧道洞口碎石土堆积边坡稳定性研究.铁道建筑技术():.周文皎.滑坡 隧道相互作用分析及控制对策.北京:中国铁道科学研究院.王剑非刘昆珏周文皎等.香丽高速公路昌格洛滑坡 隧道工程病害三维数值分析.地质科技通报():.高岩韦洪李博等.降雨 滑坡 隧道系统灾害演进机制研究:以重庆奉溪高速公路杨家湾隧道为例.隧道建设(中英文)():.张军.隧道开挖对滑坡影响的分析.工程技术研究():.毛坚强周德培.滑坡 隧道相互作用受力变形规律的研究.西南交通大学学报 ():.朱苦竹朱合华.滑坡与隧道相互作用机理实例分析.地下空间与工程学报 ():.叶浩张科.正交体系下滑坡与滑体以下隧道相互作用研究.公路 ():.(上接第 页)失同时隧道施工过程中和施工完成后均未出现渗漏水情况参考文献 刘德军仲飞胡群芳等.隧道下穿对引水隧洞的振动和开裂影响与控制.铁道工程学报():.张玉.运营铁路隧道引水洞爆破振速控制关键技术研究.铁道建筑技术():.毕继红 钟建辉.邻近隧道爆破震动对既有隧道影响的研究.工程爆破():.郭云龙.爆破振动对既有铁路隧道结构影响的数值模拟研究.北京:中国铁道科学研究院.罗忆卢文波陈明等.爆破振动安全判据研究综述.爆破():.乔宪队 黄仁东.邻近隧洞爆破的 ()模拟.采矿技术():.李云鹏 艾传志 韩常领 等.小间距隧道爆破开挖动力效应数值模拟研究.爆炸与冲击():.叶培旭 杨新安 凌保林 等.近距离交叉隧洞爆破对既有隧道的振动影响.岩土力学 ():.郑明新 舒明峰 夏一鸣 等.爆破振动对既有高速铁路隧道衬砌动力响应的影响.铁道建筑():.孟栋 刘强 彭立敏 等.铁路立体交叉隧道施工爆破震动响应研究.合肥工业大学学报(自然科学版)():.朱正国 杨利海 王道远 等.立体交叉隧道爆破动力响应和安全范围研究.铁道工程学报 ():.曹明星 刘子阳 张东 等.立体交叉隧道爆破振动响应分析.工程爆破 ():.贾磊 解咏平 李慎奎.爆破振动对邻近隧道衬砌安全的数值模拟分析.振动与冲击 ():.谢和平 鞠杨 黎立云.基于能量耗散与释放原理的岩石强度与整体破坏准则.岩石力学与工程学报():.石洪超.小净距隧道掘进爆破振动效应的研究及应用.成都:西南交通大学.铁道建筑技术 ()