基于ALE算法的隧道开挖爆破振动特性数值分析

基于ANSYS/LS-DYNA软件,分析隧道开挖过程中爆破振动对围岩及初期支护的影响.为了使数值模拟能够真正反映实际情况,采用更精确合理的爆炸数值计算方法:利用软件内置炸药模块和状态方程模拟爆破荷载的作用,并采用ALE算法模拟炸药与岩石之间的接触关系.在ALE算法中,为防止爆炸过程中网格的过分畸变给结果带来不利影响,将炸药定义成流体.分析结果表明:应力、速度均在爆炸发生的极短时间内达到峰值,而后迅速衰减,10ms后达到稳定状态.上台阶爆破在围岩拱顶处产生的水平振速峰值为下台阶爆破的6倍左右,在拱脚位置约为0.88倍;上台阶爆破在围岩拱顶处产生的竖直振速峰值为下台阶爆破的8倍左右.下台阶爆破在围岩拱顶处产生的应力峰值是上台阶爆破的1/5,在拱脚处相差不大;同一位置,初期支护结构质点振速峰值与单元应力峰值均比围岩大.     

隧道掘进爆破时掌子面前方开挖段的地表振速预测

将掏槽孔的爆破简化为一系列球形药包的爆破.通过复变函数中的保角变换,将爆破点与隧道挖空段的拱顶映射到复平面的同一侧,即可将隧道挖空段的地表振动问题转化为半空间中的地表振动问题,最终得出隧道挖空段地表振速的计算方法.最后,通过实际工程,对比理论计算和实际监测的隧道轴线地表质点的振速峰值分布情况.结果表明:验证理论计算的可行性.     

隧道近接施工中的爆破方法与数值研究

当前国内常使用近接施工方法开展隧道施工，但由于一些施工环境较为复杂，如果不对爆破方案进行优化，会增加施工人员伤亡和发生经济损失的风险。因此此次研究以国内某采用近接施工方法施工，且靠近一个已知隧道的隧道施工工程为案例，为其设置具有一定通用性的爆破方案并布置爆破振速数据收集系统。收集数据的分析结果显示，使用单一函数拟合峰值振速的效果并不够好。迎爆侧的振动效应明显大于背爆侧，同时背爆侧的峰值振速较小、分布更为集中。对于新建隧道，使用钻爆+机械的混合开挖方式较掌子面掏槽爆破施工方式能降低爆破带来的振动不良影响。     

隧道爆破作用下建筑物振动响应分析——以青岛地铁四线大断面隧道为例

依托青岛地铁1号线四线大断面隧道工程,使用8台TC-4850测振仪对隧道下穿的一栋7层砖混结构建筑物进行了长期监测。通过分析数据,结合Hilbert-Huang变换(HHT)方法研究了建筑物的振动响应规律。结果表明：振速随楼层升高先减小后略微增大,在顶层表现出放大效应。垂直向峰值振速无法反映建筑物高层的受震情况。距掌子面3~10 m范围内空洞效应最显著,已开挖区的地表振速大于未开挖区。振速最大值出现在距掌子面3～10 m范围内,表现出极振效应。垂直向爆破振动信号的Hilbert谱呈现明显的多峰值结构,频率分布在20~250 Hz,已开挖区的频带范围比未开挖区有所降低。研究成果对隧道爆破振动控制及建筑物保护具有参考价值     

减震孔在小间距隧道爆破开挖中的降振效应

为降低小间距隧道爆破开挖中爆破振动对既有隧道产生的影响,确保其正常运营,设置减震孔是一种有效的控爆措施。利用ANSYS/LS DYNA软件对减震孔在不同布置位置和形式的掏槽爆破进行数值模拟计算,发现:在传播方向上,随着减震孔与爆源距离L的增大,质点水平方向峰值振动速度和质点峰值振动速度先减小后增大,而质点垂直方向峰值振动速度相反。当距离L为1 m时,布置双排梅花形减震孔效果最好,减振效率为10%～20%,其中垂直方向减振效率最高达到45%,并将小间距既有隧道中墙体迎爆侧破坏作为安全评价基准。通过理论计算得出减震孔在隧道爆破中的衰减规律,为爆破振动强度的预测提供依据。     

关林子隧道下穿既有道路爆破振动影响

在下穿既有道路的新建隧道爆破施工中,爆破振动极易引起上部路面结构的损伤和破坏.以宝汉高速新建下穿316国道的关林子隧道为例,采用有限元法模拟路面关键点峰值振速、路面应力以及路面位移,并结合现场爆破振动与振速监测结果,对比分析爆破振动对既有道路的影响.主要研究结论如下:10个关键点爆破峰值振速均发生在掏槽眼爆破时,既有道路的应力以及路面位移均较小,不足以引起既有道路的破坏;根据数值模拟和现场测试结果,下穿段地表质点振速的合速度峰值不超过0.035 m/s时可保证既有道路安全.     

岩溶隧道掘进爆破震动效应分析

针对岩溶地区隧道爆破开挖对溶洞围岩和施工安全的直接影响,对广东清(远)连(州)高速公路白须公隧道救援通道爆破震动进行了监测。通过对溶洞壁的质点振动速度峰值统计分析,总结了爆破地震波在溶洞壁上的衰减规律,得出了隧道爆破对于临近溶洞的安全质点振动速度峰值。监测结果表明:隧道爆破震动中,相邻的溶洞壁径向的振动速度较小,垂直切向和纵向的振速相当;随着比例药量的减小,垂直切向和径向的振速逐渐接近。     

隧洞爆破开挖对岩质高边坡产生的振动效应研究

针对金佛山水利工程中水工隧洞爆破对左岸岩质高边坡的不利影响,采用有限元数值模拟手段,研究了隧洞爆破对边坡的振动效应,探讨了振动波的传播及分布规律,查明了边坡内部裂隙对振动波传播的影响,根据应力和振速之间的相关性,提出了该边坡的爆破振速的参考安全阀值。结果表明：金佛山水工隧洞爆破开挖对左岸岩质高边坡的振动影响较小,振速峰值未超过规范所规定阀值;由于隧洞爆破和边坡开挖爆破对边坡的坡面振动效应以及传播方向不同,导致爆破振动波通过边坡内部裂隙的传播规律也不同;根据边坡平台内外侧质点的速度分布,借鉴小湾水电站边坡工程,选取平台内侧岩体作为监测部位,根据应力和振速之间的统计规律,得到了左岸岩质高边坡的爆破振速参考安全阀值。     

高速公路扩建工程中小净距隧道爆破震动观测与分析

基于泉厦高速公路扩建工程中的苏厝小净距隧道的爆破震动安全监测,首先介绍了测线与测点布置原则,并阐述了爆破震动观测及其结果,得出了相应的质点振动速度峰值衰减经验公式及υ-ρ关系曲线。结果表明,上下台阶和全断面爆破这两种不同隧道施工开挖方式所得出的不同的观测结果,质点振动速度峰值最大值通常出现在同一断面的腰部、径向方向和爆...     

白莲河抽水蓄能电站地下厂房爆破振动传播规律研究

在地下厂房导洞、排水灌浆廊道开挖过程中进行爆破振动检测试验研究,回归出现场基岩爆破质点振动速度衰减规律．以试验得出的爆破振动传播规律确定地下厂房开挖爆破参数,通过监测、控制保护对象安全质点振动速度,保证白莲河地下厂房开挖施工满足设计要求．     

隧道近距下穿管线的爆破振动特征及安全标准

采用ANSYS/LS-DYNA软件中的ALE算法建立隧道-地层-管线三维数值模型,在地面测试爆破振动,验证数值模型可靠性;研究隧道爆破振动下地下管线横向和纵向的峰值振速和应力响应特征,探究管线和周边围岩的振动响应差异;分析净距、掏槽起爆药量和周边岩土性质对管线振动的影响。研究结果表明:数值模型中,地面测点的振速峰值与现场实测振速峰值相对误差均不超过5.0%;隧道爆破地震波引起管线横断面底部的峰值振速最大,中部次之,顶部最小,而管线中部的峰值拉应力最大,底部次之,顶部最小;沿管线纵向各点的振速峰值和拉应力峰值均出现在距离爆源0～4 m处,并随着与爆源距离的增大而逐渐减小;接触面处管线各单元的峰值振速和振动频率均明显比相应位置处土层单元的大;地下管线的峰值振速和拉应力均随着净距减小、掏槽装药量增大而不断增大,且管线上部的峰值振速和拉应力增量要比底部和中部的小;当地下管线周边为含卵石砂层时,管线的峰值振速和峰值拉应力最大,地下管线周边为回填黏土和夯实砂土时则较小。根据最大拉应力强度理论,建议管线的最大振速控制在4.68 cm/s以下。     

隧道爆破振动对古建筑影响的试验研究

结合南京地铁四号线鼓楼站区间隧道爆破开挖工程,通过现场试验的方法,得到了适用于现场地质条件下的三个方向上的萨道夫斯基预测公式,为爆破开挖设计提供参考。结果表明:地表质点垂直方向振动速度峰值距离爆源近时,比两个水平方向振动速度峰值大,远处时则最小;且在30 m内迅速衰减。鼓楼城阙垂直方向的振动速度峰值最大,碑楼水平方向的振动速度峰值最大,振动速度峰值随着药量增加总体上呈现增加,采取微差爆破可有效减小振动速度峰值。     

隧洞爆破对邻近含裂隙岩质高边坡的振动效应——以金佛山水工隧洞为例

针对水工隧洞爆破对左岸岩质高边坡的不利影响,采用有限元数值模拟手段,研究了隧洞爆破对边坡的振动效应,探讨了边坡振速的分布规律,查明了边坡内部裂隙对振动波传播的影响。结果表明:隧洞爆破开挖对左岸岩质高边坡的振动影响较小,振速峰值未超过规范所规定阀值;对于边坡开挖爆破情况,振动波通过裂隙后振速得到衰减,而在隧洞爆破条件下,振动波通过裂隙后振速得到增强;对裂隙进行充填处理后,虽不能降低边坡坡面的振速峰值的最大值,但能降低局部振速峰值。     

相邻隧道围岩爆破振动影响规律研究

爆破施工会引发相邻隧道围岩振动,而振动强弱与隧道净距和联络通道相关,因此有必要对这两方面因素的影响规律开展研究。通过数值模拟软件ANSYS/LS-DYNA建立有联络通道和无联络通道相邻隧道爆破振动分析模型,分析无联络通道模型中隧道净距对先行隧道x轴爆破振动速度的影响;同时分析有联络通道模型中联络通道对先行隧道x轴爆破振动速度的影响。研究结果表明,迎爆面拱腰处质点为先行隧道最危险质点;后行隧道掌子面爆破的振动影响范围为2.5倍隧道洞径;联络通道对相邻隧道的爆破振动影响范围为5倍隧道洞径;平行于爆破平面的联络通道对相邻隧道围岩的爆破振动影响最大。     

城市地铁浅埋隧道掘进爆破地表振动试验研究

针对北京地铁某区段的浅埋复杂隧道掘进爆破振动进行现场试验研究,通过爆破振速的全程跟踪实测及数据分析,研究了掘进掌子面前后等距离处的地表振动特性。结果表明:已开挖的隧道形成的孔洞具有散射放大效应,致使掌子面后方地表处的最大波峰振速矢量总和是其前方等距离处的1.22~2.04倍;用ANSYS/LSDYNA软件进行数值模拟研究,模拟结果与实测的变化规律和特性吻合;在不改变炸药单耗及其他材料参数,仅改变隧道埋深及断面尺寸的状况下,通过数值计算分析得出,放大效应对埋深及断面尺寸的变化比较敏感,埋深越浅、断面尺寸越大,放大效应越显著。     

隧道上台阶分区爆破振动规律

以两条立体交叉隧道,垂直距离最小3m为背景,通过现场监测爆破振动数据,并进行回归分析,得出近距离隧道上台阶分区(掏槽区、辅助区)爆破振动响应规律。研究表明:爆破振动速度呈现震荡变化规律,基准点3m范围内,掌子面后方振速普遍大于前方,出现"空洞效应",掏槽区放大系数1.1~1.6,辅助2区放大系数1.2~1.8;相比掌子面前方爆破,后方爆破产生的振动速度衰减快,K、α值表现增大;相比主振频率,质心频率与水平距关系曲线相关性更高,呈现先增大后减小的规律。     

城市浅埋小净距隧道爆破振动响应及现场监测分析

以福州轨道交通2号线洋里站南端区间隧道为工程背景,当右线隧道开挖至50m,左线隧道开挖至25m时,通过有限元分析软件Ls-dyna建立三维隧道计算模型,分析左线隧道爆破开挖对右线隧道的影响,并结合现场监测数据进行验证。结果表明:当最大齐发药量为2kg,左线隧道爆破开挖对右线隧道产生的最大拉应力为1.28MPa,最大压应力为2.73MPa,最大压应力滞后于最大拉应力产生;右线迎爆侧拱腰部位处的最大振速值为33.0cm/s,对右线隧道造成的影响较大;现场爆破振动监测结果与模拟结果比较接近,距离爆源最近的振动监测点各方向振速最大,监测点振速随掌子面距离逐渐减小。     

岩体爆破地震波衰减规律的现场试验与分析

通过6次现场岩体爆破试验,测量出与爆源不等距离处的36组地震波形。通过统计与频域分析发现：爆破地震波 在爆源近区的衰减比中、远区要大得多;用萨道夫 斯基经验公式估算出的爆源近区质点振速远大于实际值;爆破地震波的传播具有不可逆性,岩石质点振动主频率与药量、距离成反变关系;地震波作用时间与爆破药量成正变关系,而与距离成反变关系。     

地铁隧道施工中钻爆强度对公路路基沉降的影响

以青岛地铁君峰路-西流庄区间隧道为依托工程,运用有限差分软件FLAC~(3D)建立隧道开挖模型,研究地铁隧道开挖时爆破强度过程中路基的位移变化,并分析其沉降槽参数的变化规律。以弥补钻爆法地铁隧道施工对路基的影响目前研究较少的不足。研究结果表明:随着振速峰值在1.0～2.2 cm/s增加,路基沉降不断增长;振速峰值达到2.0 cm/s后,初始开挖面处的路基竖向位移出现上浮;随着振速峰值的增大,路基竖向位移斜率不断增大,且斜率的增长速度加快;钻爆法地铁隧道开挖过程中,路基沉降曲线符合Peck公式。通过研究得到振速峰值在1.0～2.2 cm/s时,路基沉降值最大值S_(max)计算公式。随着振速的变化,沉降槽宽度i的变化规律并不明显。     

爆破对中夹岩柱稳定性的影响

为研究精细化延时控制爆破对中夹岩柱稳定性的影响,采用分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)试验、现场振速及声速监测,研究其振速、累计损伤的变化规律。研究表明:随着冲击次数的增加,灰岩的峰值应力逐渐降低,相反,峰值应变随之逐渐增大;灰岩产生裂纹的试验损伤阈值为0.202～0.531,理论损伤阈值为0.486～0.673;灰岩失去承载力的试验损伤阈值大于0.531,理论损伤阈值大于0.673;与掌子面距离最近测点最大振速为7.193 cm/s,距离掌子面9 m处监测断面累积损伤最大为0.078,第1次损伤增量最大为0.038 4,损伤增量随着爆破次数的增加越来越小,第4次爆破引起的损伤增量仅为0.001 2,损伤增量与振速具有良好的幂函数相关性,说明爆破对9 m及以外中夹岩柱影响较小。