临近隧道爆破施工振动控制技术

前言

第1章  绪论

  1.1  引言

  1.2  国内外研究现状

    1.2.1  岩体动力学特性

    1.2.2  爆破作用分析和数值模拟

    1.2.3  隧道爆破振动测试

    1.2.4  隧道爆破开挖减震技术

  1.3  本书的内容与技术路线

    1.3.1  研究内容

    1.3.2  技术路线

  参考文献

第2章  工程概况

  2.1  自然概况及工程简介

  2.2  工程地质概要

    2.2.1  工程地质特征

    2.2.2  隧道围岩分布

  2.3  围岩物理力学参数测定

    2.3.1  围岩试样采集和现场调查

    2.3.2  围岩物理力学参数

    2.3.3  既有隧道衬砌表面回弹值和计算参数的确定

  2.4  小结

  参考文献

第3章  既有隧道爆破振动特性研究

  3.1  既有隧道迎爆侧衬砌动应变测试

    3.1.1  测试系统及断面布置

    3.1.2  测试结果及分析

  3.2  实测爆破速度分析

    3.2.1  进口端实测数据分析

    3.2.2  出口端实测数据分析

    3.2.3  不同围岩级别的爆破速度统计规律

    3.2.4  测试成果及分析

  3.3  爆破振动速度预测方法研究

    3.3.1  数据样本和计算方法

    3.3.2  计算结果及分析

    3.3.3  讨论

    3.3.4  小结

  参考文献

第4章  爆破振动弹塑性动力有限元动力分析

  4.1  分析理论和计算方法

  4.2  二维有限元数值模拟

    4.2.1  数值模型与计算参数

    4.2.2  有限元体系的振型分析

    4.2.3  新建隧道爆破振动荷载分析

    4.2.4  计算结果及分析

  4.3  Ⅲ级围岩爆破振动三维弹塑性有限元数值模拟分析

    4.3.1  模型的建立

    4.3.2  衬砌表面振动速度

    4.3.3  衬砌振动位移

    4.3.4  衬砌振动应力

    4.3.5  衬砌振动速度阈值

  4.4  小结

  参考文献

第5章  降低爆破振动的工程措施

  5.1  爆破振动速度阈值研究

    5.1.1  同类工程爆破振动速度阈值的确定

    5.1.2  关于爆破振动阈值速度的不同判别标准

    5.1.3  由爆破振动所产生的应力确定允许振动速度阈值

  5.2  影响爆破振动速度的因素和控制方法

    5.2.1  确定爆破振动速度的衰减方程

    5.2.2  围岩级别对爆破振动速度的影响

    5.2.3  既有隧道结构形式对爆破振动速度的影响

    5.2.4  相邻两隧道间净距对爆破振动速度的影响

    5.2.5  开挖爆破形式对爆破振动速度的影响

    5.2.6  影响既有隧道振动速度的关键性因素分析和控制方法

  5.3  降低爆破振动的工程措施

    5.3.1  楔形掏槽级数的确定

    5.3.2  掏槽孔布置

    5.3.3  工法小结

  参考文献

附录A  Ⅱ级围岩爆破振动有限元数值模拟结果

附录B  Ⅲ级围岩（有导洞）爆破振动有限元数值模拟结果

附录C  Ⅳ级围岩爆破振动有限元数值模拟结果

　　第1章绪论
　　1.1引言
　　随着我国国民经济的发展，越来越多的单线铁路增建为复线，由于受到地形地质条件、环境保护和节约土地等方面的制约或限制，往往不得不将新建隧道与既有隧道之间的距离设计得很小，因此，在新建隧道施工过程中，既有隧道结构时常遭到破坏，从而危及行车安全。对于我国大多数山岭隧道而言，钻爆法施工占有较大的比重。在新建隧道施工时，爆破施工对既有隧道结构安全的影响主要表现在两个方面，即爆破振动影响和开挖引起围岩应力重分布影响。而对于中硬岩以上围岩隧道，爆破振动影响较大，如日本的荻津公路隧道、磁浮试验线上初狩隧道以及意大利的LocooColio公路隧道；而国内的西康线响水沟隧道、湘黔铁路增建线坪口隧道、流潭隧道等，也因隧道间距较小，出现过既有隧道衬砌开裂、剥落等危及行车安全等现象。因而，有关邻近隧道爆破施工或小间距爆破隧道施工对既有隧道安全性影响的研究，成为具有重要理论和现实意义的课题，近年来取得了较为丰硕的研究成果。
　　目前国内在临近公路隧道爆破施工方面的理论研究和工程实践较多，而铁路隧道方面则较少，从目前相关文献报道来看，仅有少数几例，如株六铁路复线关寨1#隧道、湘渝二线蛇皮沟隧道等，并且爆破施工多采用分部开挖法，以减小单段或总药量，从而达到降低爆破速度的目的。对临近隧道采用全断面爆破方法进行施工的尚不多见。众所周知，铁路隧道的稳定性、重要性和安全性等级，相比于公路隧道要高出很多，并且铁路隧道一般都是整条线路的控制性工程，基本没有可调节或备用的辅助方式，某个隧道因施工或其他因素导致的停运或中断，意味着整条线路的中断，与公路隧道相比所带来的经济损失和社会影响要大得多。特别是本项研究中的库鲁塔格隧道，是南疆铁路的控制性工程，因其特殊的地理位置和在南疆经济社会发展中的重要作用，而具有更为举足轻重的意义。
　　在建的新疆吐库铁路复线的控制性工程之一——新库鲁塔格隧道，与既有线路隧道平行设置，两隧道的中心距为22m，两边墙直线距离为15m。既有线路隧道修建于20世纪70年代末，施工技术和水平有限，加之经过近30多年的运营，新线隧道爆破施工对旧隧道的强度和整体稳定性的影响如何？我国颁布的国家标准《爆破安全规程》（GB6722-2003）规定：“交通隧道安全振动速度控制标准为10~20cm／s”，而业主和设计单位要求，既有隧道衬砌表面的爆破振动速度上限为7cm/s，受此要求的限制，施工进度较为缓慢。那么，此界限值可否超越？能超越至多大，或者说是否还有振动速度的安全富余？在保证既有隧道安全的前提下，应如何优化施工参数和工艺等来加快新建隧道的施工进度，提高施工质量与安全性？这些问题不仅具有重要的理论意义，而且具有显著的经济效益和社会效益。
　　1.2国内外研究现状
　　新建隧道爆破开挖施工对既有隧道结构安全性的影响是涉及岩石动力学、爆炸力学、工程地质和隧道工程等方面的复杂课题，近年来进行了较多的研究。已有的研究成果可大致分为岩体动力学特性、爆破作用分析和数值模拟、隧道爆破振动测试，以及隧道爆破开挖减震技术等方面，已获得了许多有价值的结论和经验方法。
　　1.2.1岩体动力学特性
　　在爆炸或地震动力作用下，岩石的力学响应表现出比静力荷载作用时更为复杂的特性。国内外对岩石动力学特性的实验研究主要有两大类型：一种是以疲劳荷载为主，主要应用于地震荷载或机械疲劳振动，如席道瑛等对南京大理岩、葛修润院士等对砂岩等进行的循环荷载或疲劳荷载作用下的实验研究等；另一种则是针对爆炸荷载或冲击型荷载的，如利用Hopkinson杆对岩石动力变形或强度特性的研究、对花岗、软岩、岩体节理动力学特性的研究等。在实验研究的基础上，杨仁华等、李夕兵等、杨春和、东兆星等、戚承志等从理论上探讨了动力荷载作用下岩石力学特性的应变率效应及其机理。总的来说，关于岩体动力学特性的研究主要集中在动荷载的应变率效应对变形特性和强度特性的影响方面，具体而言就是动弹性模量、动泊松比、动抗拉强度、抗压强度及动抗剪切强度。
　　耿乃光应用高频脉冲法测量了弹性波在岩石样品中的传播速度，从而得到了岩石的动态杨氏模量Ed，用单轴压缩试验测出的岩石应力应变曲线及切线法得到岩石静态杨氏模量Es，10种岩石样品测量得到的Ed变化范围为35.2~127GPa，Es的变化范围为27.1~110GPa。对比结果表明：Ed/Es的变化范围为1.15~1.30；对于辉长岩、辉绿岩和玄武岩等硬岩，Ed/Es的变化范围为1.15~1.20；对于片麻岩、砂岩等软岩，Ed/Es的变化范围为1.15~1.30；花岗岩的值界于硬岩和软岩之间，为1.22。就岩体的动弹性模量（Ed）和静弹性模量（Es）之间的关系，按文献\[38\]实测的数据计算，有如下关系式：
　　JZ(Ed=0.5686E1.086s，R2=0.999（1.1）
　　式中，Ed为岩石的动态杨氏模量，GPa；Es为岩石的静态杨氏模量，GPa；
　　R为相关系数。
　　王思敬等根据我国若干工程20多组试验结果（地震法测得动弹性模量、千斤顶法测得静弹性模量），拟合出如下动弹性模量（Ed）和静弹性模量（Es）的经验关系：
　　式中，括号内为原文公式，符号意义同上。其中，式（1.2）适合于岩石或完整岩体；式（1.3）适合于大部分岩体和破碎岩体；而对松散、破碎而有充水的岩体，式（1.4）也适用。这要根据现场的具体情况而使用。
　　沈明荣等认为，岩体动弹性模量比静弹性模量高百分之几甚至10倍，一般岩体越完整，两者的差值越小，否则，两者的差值就越大。绝大多数（95%以上）岩体的动弹性模量Ed与静弹性模量Es的比值在1~20倍，而85%以上在1~10倍。从动弹性模量的数值来看，大多集中在15~50GPa。动弹性模量Ed与静弹性模量Es之间具有如下关系：
　　（1.5）
　　或
　　（1.6）
　　式中，j为折减系数，可按表1-1选取。
　　表1-1折减系数j与岩体完整性指数Kv的关系岩体完整性指数
　　对于岩体在动力荷载作用下的泊松比，文献认为“动泊松比与静泊松比很接近，故在一般计算中可直接取静泊松比代替动泊松比”。杨桂桐给出了表1-2所示的常见岩石的建议参数，其中的动态泊松比则比静态泊松比小。
　　表1-2部分岩石力学性质指标
　　式中，μd和μs分别为岩体的动泊松比和静泊松比。
　　就岩石动强度，一般认为，岩石的抗动荷载强度比抗静荷载强度高，一般高出5~10倍，其中坚硬岩石抗动荷载强度比抗静荷载强度高5倍以上，软岩可高出10倍。文献也认为，在冲击荷载作用下，岩石的强度也将提高5～10倍。动强度大于静强度的结论主要是在单轴压缩或拉伸试验资料的基础上得出的，而在有围压条件下强度的变化情况，限于试验条件的限制，成果较少。李海波等\[28\]采用岩石高压动三轴实验系统，对花岗岩在围压0~170MPa范围内进行试验，应变速率为10-4~100s-1范围内的试验研究结果表明：花岗岩在动态压缩下的破坏模式与静态压缩下基本相同，而强度的增量约为15%，但是弹性模量和泊松比随应变速率增加没有明显的变化，且结果比较发散。
　　由于实际中岩石性质具有典型的非均匀性和各向异性，岩体又是被各种结构面所切割，因此岩体中的各种节理和裂隙的产状、长度和充填特征等对爆炸应力波的传播具有重要影响，是影响爆破效果和爆炸地震波传播的重要因素。朱瑞庚等综合各种岩石的动强度试验资料，按如下方法给出了岩体的动强度与静强度的关系。
　　岩石的动强度计算公式为
　　（1.8）（1.9）
　　式中，σp和σc分别为岩石的动抗拉强度与抗压强度，0.1MPa；
　　σp0和σc0分别为岩石的静抗拉强度与抗压强度，0.1MPa；VH=(σHσ1SX)为加荷速率；σH为任意加荷速度（σH≥1），0.1MPa/s；σ1为加荷速度，取σ1=0.1MPa/s；KDTX-为岩石动强度提高系数。
　　考虑到爆炸地震波作用下岩石的加荷速度可达106MPa/s，一般情况下岩石隧道的加荷速度在101~103MPa/s，按上述公式计算，岩石的动抗拉强度提高系数为1.24~1.48；同时，考虑到地质构造上存在的裂隙、节理等不利因素，使岩体的动强度低于岩石的动强度，所以取岩石的强度降低系数为0.80~0.90，因此，岩体的动强度提高系数为
　　JZ(KD=(0.80~0.90)KDTX-=0.992~1.332JZ)JY（1.10）
　　式中，KD为岩体的动强度提高系数。
　　上述研究结果表明：岩石的加载频率效应对其动力变形特性和强度特性有重要影响，其表现就是在较高的加载频率下，其弹性模量和强度都有不同程度的提高;但是提高程度如何，是否应该考虑岩体动荷载作用时的应变率效应，现有的大多数计算分析中对参数的选取，并未给出详细说明，或者直接取静态参数进行计算。表1-3是国内部分文献对岩体计算参数的选取情况。
　　1.2.2爆破作用分析和数值模拟
　　1.爆破作用分析
　　炸药的爆炸反应是一个高温、高压和高速的过程，能量的转化、释放、传递和做功过程也极为短促，只有几十微秒到几十毫秒（ms）就完成了，岩石本身又具有各向异性和非均质性，装药爆炸后产生的高温、高压的爆生气体和强大的冲击波，是岩石在爆破过程中遭受破坏的外力根源。炸药爆炸的瞬间，在一个极短的时间内，炸药的能力以高温（3000℃）和高压（10~100GPa）的冲击波和气体形式释放出来。当爆轰波阵面到达炸药和岩石的分界面时，高强度的爆轰波就传播进入了岩石，传输给岩石的能量取决于炸药和岩石特性，岩石中波的传播类型是球面波还是柱面波则取决于炸药的形状和药卷的起爆方式。在传播过程中，岩体中的冲击波能量将随远离爆源而衰减，波形也将相应地发生变化，大体可分为如下三个作用区：
　　(1)冲击波作用区。以径向和切向应力形式的冲击波传播进入岩石后，在炮孔孔壁近区，只要冲击波强度超过岩石的动力压缩强度，大部分能量就消耗于粉碎岩石。在距离爆源很小范围内，大致为3~7倍的药包半径（集中装药），或可能达到2~4倍的炮孔半径范围（柱状装药）。该区域的冲击波强度很大，波峰压力大大超过岩石的抗压强度，使岩石产生熔化流动、塑性变形或粉碎，因而也称为粉碎区。

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