爆破载荷下隧道围岩动力响应与爆破振速测试研究.pdf

文章编号:()收稿日期:基金项目:中铁十九局集团有限公司科技研究开发项目()作者简介:张业权()男山西孝义人高级工程师主要从事桥梁、隧道施工管理方面的工作:.引文格式:张业权孙杰.爆破载荷下隧道围岩动力响应与爆破振速测试研究.铁道建筑技术():.爆破载荷下隧道围岩动力响应与爆破振速测试研究张业权 孙 杰(.中铁十九局集团第三工程有限公司 辽宁沈阳.沈阳工业大学建筑与土木工程学院 辽宁沈阳)摘 要:依托沈白高铁新宾隧道工程采用有限元数值模拟软件建立施工隧道模型模拟实际当量炸药爆炸以围岩动力响应为主要分析依据分析钻爆法施工围岩在地震波作用下的动力响应特征及振动衰减规律并对现场同一截面 个监测点进行定点监测以验证模拟可行性 研究表明:在不同爆心距下质点振动速度随爆心距的增大呈指数型减小趋势爆破源近端振速衰减速度明显大于远端与地震波传播规律相符合(迎爆方向)方向峰值振速一般大于其他两个方向 现场监测结果与模拟结果较为吻合实际工程中应重点对 方向峰值振速进行监测以确保施工安全性关键词:隧道爆破 围岩 动态响应 数值分析 现场监测中图分类号:.文献标识码:./.(.):.().:引言隧道掘进施工钻爆法凭借其操作简单、适用范围广等优点被广泛应用 但钻爆法施工产生的爆破振动会对围岩造成较大危害 由于已开挖洞室的围岩位置不同其应对爆破荷载振动响应也各不相同国内外众多专家学者 对爆破振动效应及爆破地震波的传播规律进行了研究 徐全军等对单孔爆破过程进行分析并建立样本函数及振动波形预测模型分析随机脉冲下岩石的动态响应特性 等利用 种状态方程对爆破荷载进行模拟研究爆破荷载下应力波的传播作用与岩石开裂过程 蔚立元等以实际工程为背景利用数值模拟分析爆破对洞室围岩的振动影响提出在爆破开挖过程中洞室拱顶位置爆破峰值振速远大于其他位置 肖文芳利用/有限元模拟软件建立隧道模型模拟掏槽孔在多铁道建筑技术 ()张业权 等:爆破载荷下隧道围岩动力响应与爆破振速测试研究段微差爆破下的动态碎裂过程 黄志强依托实际隧道爆破工程分析计算边坡动态安全系数、炸药量与隧道进深之间的相互关系发现隧道边坡动态安全系数与振动强度、振动持续时间等多种因素相关 吉凌等对爆破现场振动进行监测并以此分析爆破荷载作用下隧道围岩动力响应特性并探讨爆破荷载作用下不同位置围岩沿开挖轴线方向损伤范围分布提出围岩爆破振动速度控制值 陈祥等在施工现场开展爆破监测试验并将其与数值模拟结合综合分析爆破荷载作用下隧道围岩地震波衰减规律及动态响应特性 赵文清等采用数值仿真和理论分析对比 与 分解方法在爆破振动降噪处理方面的优劣势并得出结论:振动频率越低则能量越高对地面建筑物安全威胁愈大 工程概况与爆破方案新宾隧道全长.隧道围岩为、以及级围岩其中主要以、级围岩为主 级围岩段采用两台阶法施工施工中根据现场试爆参数及围岩等级变化适当调整爆破参数以获得更好的爆破效果结合实际工程概况并综合考虑爆破施工地区的周边地质环境条件与施工所需相关设备隧道整体采用光面爆破技术 数据采集段为级围岩段使用台阶法进行爆破施工 由于爆破过程中上台阶使用炸药量远大于下台阶振速也大于下台阶因此主要监测上台阶爆破产生的振速以保证施工安全表 为爆破施工具体爆破设计参数 图 为爆破孔位设计图表 爆破设计参数炮孔名称 眼数/个 药卷直径/眼深/单眼装药量/总药量/掏槽眼.扩槽眼.辅助眼.周边眼.底板眼.合计.图 爆破孔位设计(单位:)现场监测与结果分析.监测方案监测采用爆破振动监测系统如图 所示 振动监测系统整体由数据采集装置与数据分析软件组成 其中数据采集装置由三矢量传感器与 测振仪构成 二者连接后三矢量传感器将振动数据传输至测振仪待数据采集完毕后将数据导入电脑相关软件进行数据分析图 振动监测系统()调整传感器方向:方向为垂直洞室轴线方向 方向为竖直方向 为迎爆方向 将石膏粉加水稀释后涂抹至岩壁上使岩壁平整将传感器与测点岩壁之间采用石膏初步粘连固定将传感器用固定架和膨胀螺栓固定于岩壁上确保传感器与岩壁贴合且不会脱落()将仪器配套的数据采集线与三分量速度传感器相连接将信号传输线的另一端插入仪器“信号输入”插口()开启仪器选择“数据采集”等待触发()爆破工作结束后将 测振仪数据接口连接至电脑 接口启动爆破测振仪分析软件将数据导出选取爆心距为 的断面在监测断面布置 个监测点分别布置在隧道拱顶左、右两侧拱肩与左、右两侧拱底 断面监测点布置如图 所示图 断面监测点布置.爆破测试结果图 为现场监测到的拱肩右侧爆破振速时程曲线具体振速如表 所示铁道建筑技术 ()张业权 等:爆破载荷下隧道围岩动力响应与爆破振速测试研究图 爆破振速时程曲线表 爆破振动监测结果爆心距/炸药量/监测点位置振速/(/)拱顶.右拱肩.左拱肩.右拱脚.左拱脚.由表 可知在同一监测点位的三方向上 方向(迎爆方向)峰值振速一般情况下大于其他两个方向而在单次爆破中拱顶峰值振速明显大于其他 个监测点位因此在考虑爆破振动对隧道安全的影响时优先考虑拱顶迎爆方向振速以确保施工安全性 本文监测峰值振速远小于爆破安全规程()规定的振速保证了施工的安全性 隧道爆破开挖数值模拟.岩石与炸药材料模型在数值模拟中采用 中的 材料模型来模拟岩石岩石参数见表 表 岩石材料参数密度/(/)弹性模量/泊松比抗压强度/抗拉强度/剪切模量/体积模量/.炸药类型选用乳化炸药在 中采用 材料模型来模拟炸药材料 爆轰产物压力:()式中:为单位质量体积 为爆轰产物的初始内能密度、为炸药相关参数分别取.、.、.、.空气材料模型采用流固耦合进行数值建模为模拟实际情况建立空气、岩石与炸药重叠的流固耦合域 在 中采用 材料模型来模拟空气材料其状态方程为:()()式中:为空气的单位初始体积内能取./为空气相关参数与 取.其余取 /式中:为空气当前密度 为空气初始密度取 /.隧道三维模型建立利用 进行建模使用 程序进行求解最后采用 进行后处理 数值模拟使用 单位制 隧道整体模型如图 所示 模型整体尺寸为 隧道围岩尺寸取值需大于 倍洞径以消除边界效应对其计算结果的 图 三维隧道数值模型影响 根据现场实际情况模型由岩体、空气和炸药三种材料组成设置为无反射边界条件在模型 个外边界均施加法向位移约束以此消除地震波传播至模型边界所产生的反射波对模型整体的动力响应影响.数值模拟结果分析根据现场监测振动速度分析可知拱顶处峰值振速一般大于同监测断面其他位置因此在数值模型内对隧道内爆心距为、的拱顶峰值振动数据进行监测输出具体数据如表 所示 拱顶不同方向峰值振动速度曲线如图 所示表 拱顶峰值振速测试点位爆心距/(/)/(/)/(/).铁道建筑技术 ()张业权 等:爆破载荷下隧道围岩动力响应与爆破振速测试研究图 拱顶不同方向峰值振动速度曲线在不同爆心距下随着爆心距增大质点有呈指数型减小的总体趋势振速随爆心距的增加而降低 选取拱顶 方向振速进行分析爆心距从 增加至 振速由./衰减至./即测点处的爆破振动速度与距离成负相关 爆心距由 增至 时振速由./衰减至./衰减率为.而爆心距从 增加至 时振速由./衰减至./衰减率为.可见爆破远端远小于爆源近端衰减率与地震波传播规律相符合在距离爆破面 围岩处数值模拟最大峰值振动速度为./约比实测振速大.倍 由此可知数值模拟测得的振速值大于现场监测值造成这种现象可能的原因是数值模拟采用的围岩材料为单一化且各向同性的理想材料没有考虑围岩裂隙节理等综合因素而实际工程中工况复杂、围岩性质复杂因此造成一定误差 结论依托沈白高铁新宾隧道工程以实际施工背景与爆破方案为依托利用有限元软件/建立隧道模型模拟现场爆破情况以此分析隧道围岩在爆破地震波影响下的动态响应及振动衰减规律并在现场设点监测以验证模拟方案的可行性得出以下结论:()钻爆法施工过程中不同爆心距下质点振动速度随爆心距的增大呈指数型减小趋势且爆破源近端振速衰减速度明显大于远端与地震波传播规律相符合()在同一监测点位的三方向上(迎爆方向)方向峰值振速一般大于其他两个方向且现场监测与模拟结果基本吻合 因此在实际工程中应重点关注 方向峰值振速以确保施工安全性()数值模拟计算出的振速值大于施工现场监测值造成这种现象可能的原因是数值模拟采用的围岩材料为单一化且各向同性的理想材料没有考虑到围岩中裂隙节理等综合因素:而实际工程中工况复杂且围岩性质多变因此造成了一定误差参考文献 谢烽韩亮刘殿书等.基于叠加原理的隧道爆破近区振动规律研究.振动与冲击():.李兴华龙源纪冲等.爆破地震波作用下隧道围岩动应力集中系数分析.岩土工程学报():.():.():.郭东明刘康杨仁树等.爆炸冲击荷载下相邻巷道裂隙扩展机理模拟试验.振动与冲击():.徐全军毛志远张庆等.深孔微差爆破振动预报浅析.爆炸与冲击():.():.蔚立元李术才徐帮树.青岛小净距海底隧道爆破振动响应研究.土木工程学报():.肖文芳.地铁隧道掘进爆破振动测试与数值模拟研究.武汉:武汉理工大学.黄志强.爆破振动作用下隧道洞口段结构的动力响应研究.武汉:中国地质大学.吉凌周传波张波等.大断面隧道爆破作用下围岩动力响应特性与损伤效应研究.铁道学报():.陈祥刘明学祁小博.爆破振动作用下大型地下洞室群围岩动力响应及合理间距分析.振动与冲击():.赵文清苏晖李嘉庚等.大断面隧道爆破方案分区设计及其振动规律研究.铁道建筑技术():.铁道建筑技术 ()