超浅埋地铁站通道爆破暗挖地表振动传播特征

结合武汉市轨道交通2号线工程背景,采用现场监测和动力有限元数值模拟相结合的研究方法,对超浅埋通道下台阶爆破开挖地表振动传播规律进行研究。同时,为研究上台阶开挖空间对爆破地震波传播特征的影响,对通道全断面爆破开挖的地表振动传播规律进行数值模拟分析。研究结果表明:下台阶爆破开挖工况下,沿通道开挖导洞轴线方向,由于应力波的绕射,掌子面前方5 m处地表质点峰值振速达到最大值;垂直于通道开挖导洞轴线方向,掏槽孔孔底连心线中点正上方地表质点与爆源距离最小,但峰值振速并不是最大,且质点两侧2 m范围内,随着爆心距的增加,峰值振速不断增大。全断面爆破开挖工况下,沿通道开挖导洞轴线方向,掌子面前方2 m处地表质点峰值振速达到最大值;垂直于通道开挖导洞轴线方向,掏槽孔孔底连心线中点正上方地表质点峰值振速最大,且随着爆心距的增加,峰值振速不断减小。对比通道下台阶爆破开挖和全断面爆破开挖2种工况下地表质点振动特征,上台阶开挖空间的存在阻隔了应力波的传播,在一定空间范围内影响爆破地震波的传播特征,能够有效降低地表质点峰值振速。     

软硬互层隧道稳定性分析及初期支护优化

采用ANSYS非线性接触分析方法,考虑层理效应并应用于重庆四面山隧道V级砂泥互层段进行围岩稳定性分析及初期支护优化.研究表明:隧道开挖后拱顶下沉值为水平收敛值1.5~2.0倍,拱肩处锚杆受力较拱顶处大,拱腰及拱脚处锚杆几乎不受力;根据水平软硬互层隧道开挖后围岩变形及支护受力特点,优化锚杆支护,得出砂泥互层施工段可将与岩层夹角小于35°范围的锚杆取消.在原有方案及优化方案施工段进行现场测试,结果显示模拟及优化数值与测试值基本符合.研究成果可在类似隧道施工中推广应用.     

高地应力软岩隧道大变形监测及支护优化

针对高地应力软岩隧道大变形问题,对中国西北地区某高速公路隧道围岩变形监测、钢拱架应力、围岩压力等项目进行现场监测,探讨不同施工阶段围岩的变形规律和受力特点,并通过数值模拟对不同钢架间距的围岩变形控制效果进行对比分析。结果表明:上台阶开挖阶段是围岩变形增长迅速的阶段,上台阶和中台阶开挖导致的围岩变形量占总变形量的70%;初期钢架主要以受压为主,上台阶及中台阶应力均大于下台阶应力,上台阶及中台阶的初期支护承担了更大的荷载,上台阶和中台阶应"快速通过,及时支护";施工时可采用"先让后抗"的方法,适当加大预留变形量以缓解初支压力,当围岩变形速率减缓时,可提前施做二衬;数值模拟表明当初期支护参数采用I22b工字钢,间距0. 75 m,加4 m长锁脚锚杆,可以经济有效地控制围岩变形。研究成果可为类似隧道工程的设计、施工等提供借鉴和参考。     

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。     

浅埋大跨度双连拱隧道施工数值模拟研究

以苏州凤凰山大跨度双连拱隧道工程为例,采用有限元软件对多工序开挖条件下双连拱隧道围岩应力场、位移场的变化及初期支护的受力情况进行了详细的分析.通过分析得出,中隔墙顶部及拱腰处围岩存在应力集中的现象;中隔墙中间部位应力最大.竖向位移在主洞拱顶和拱底较大.通过现场实测,测得拱顶沉降随开挖工序的变化趋势,将理论分析结果与实测结果进行对比分析,结果表明,数值模拟得出的拱顶沉降与实测结果基本是一致,由此证明,数值模拟结果能真实反应现场隧道围岩的应力应变状态随开挖步骤的变化趋势.     

新建隧洞下穿爆破对公路隧道结构的影响： 以温州市瓯江引水工程为例

为了探寻爆源逐步接近既有隧道情况下衬砌受爆破振动的响应规律、爆破荷载作用下的应力分布状态,结合温州市瓯海区西山隧洞工程,根据施工现场爆破监测数据和数值模拟结果对新建隧道爆破施工时相交隧道的安全性进行研究,研究结果表明振速主要受到爆心距和装药量的影响：爆心距越小装药量越大,振速峰值越高;爆心距决定隧道衬砌合速度峰值发生位置;衬砌合速度峰值位置同时是最大拉应力点;随爆心距的缩进,危险点从拱腰位置移动到拱脚。     

充填黏土型岩溶隧道大变形换拱衬砌受力研究

为了研究溶腔充填黏土的岩溶隧道大变形换拱后衬砌的受力特性,根据三江至柳州高速公路大塘隧道施工过程中左线(JK139+489～JK139+555)段围岩大变形换拱处置方案,采用现场测试与数值模拟的研究手段,分析了该类隧道围岩大变形情况下注浆换拱前后隧道初期支护及二衬的受力情况。结果表明：该类隧道发生大变形时拱顶部位变形最大,受力最大,拱脚处次之且局部受拉,拱腰最小,换拱后拱顶部位依然是受力最大点,拱脚受力减小;发生大变形后围岩注浆与支护时机是换拱处置方案有效性的主要影响因素,该类隧道处置应着重考虑提升围岩自身稳定性;注浆换拱后系统锚杆可起到加固围岩作用,同时隧道二衬作为主要受力结构与初期支护共同作用可减少支护结构约66%的变形,是保证隧道长久稳定的主要因素。     

回填土大跨超浅埋地铁隧道开挖稳定性研究

贵阳市地铁1号线望新区间隧道地质环境复杂,位于回填区,地下水丰富,埋深浅。针对此类环境,首次将三台阶七步开挖法引进到地铁区间隧道施工中,通过影响隧道开挖稳定性的关键因素分析及施工方法的数值模拟,结合现场实测,研究了回填土大跨超浅埋地铁隧道开挖稳定性。研究结果表明：超浅埋开挖,回填土地层承载拱难以形成;开挖过程中拱顶、拱脚及仰拱部位产生拉应力,拱腰部位出现应力集中,为压应力区;地表及拱顶沉降变形主要受上台阶导洞开挖的影响,中、下台阶导洞的影响次之,核心土开挖影响较小;核心土及仰拱开挖对拱底围岩变形产生较大影响;因此在开挖过程中要对上述位置进行重点监测,可为今后类似工程提供借鉴。     

海底新建隧道爆破对既有隧道的振动影响研究

以青岛地铁1号线海底隧道和胶州湾海底公路隧道为工程背景,应用ANSYS/LS-DYNA建立数值模型进行研究,分析爆破作用下既有隧道的振动响应特征,建立4个模型分析海水深度对爆破振动的影响。结果表明:既有隧道中,最大爆破振速出现在对应掌子面迎爆侧上方,迎爆侧振动速度大于背爆侧,前者为后者的1.6～2.7倍;在既有隧道横断面上,三向振速及其衰减速率均表现为径向振速切向振速垂向振速,表明既有隧道空间对垂向振速的削减作用最小。在既有隧道轴向上,合振速关系表现为迎爆侧拱腰迎爆侧拱脚拱顶,对应掌子面前方振速大于后方,前者为后者的1.07倍。在隧道拱顶与海平面距离相同的条件下,既有隧道中各向振速随海水深度的增加而增大,但海水深度对爆破振速衰减速率的影响并不明显。     

钢拱架槽钢纵连+三台阶锁脚锚杆炭质软岩隧道施工数值计算与现场试验

针对某高速公路炭质软岩隧道施工病害问题,提出一种钢拱架槽钢纵连+三台阶锁脚锚杆加强支护方案,采用有限元数值计算及现场试验测试方法,探究了开挖施工步影响下初期支护结构受力及变形规律.研究结果表明：采用加强支护方案后,结构最大应力位于初期支护结构拱顶部位,数值计算与现场试验值分别为1.591、1.587 MPa,拱顶沉降的数值计算与测试值分别为9.575、13.670 mm,数值计算与现场试验结果基本吻合,满足结构安全要求;钢拱架槽钢纵连结构整体稳定性较好且内力分布均匀,提高了初期支护结构纵向稳定性,降低了围岩及初期支护结构的不均匀沉降值;三台阶锁脚锚杆由于受到初期支护结构的下沉剪力作用,根部形成弯折,通过横向抗力将荷载传递到围岩中,加强了初期支护结构环向承载力,抑制了初期支护结构的变形与沉降.研究成果可为类似工程提供借鉴参考.     

基于Goodman单元的顺层边坡爆破动力响应数值模拟

为了研究爆炸荷载作用下顺层边坡岩体的动力响应,采用数值模拟的方法对边坡坡面及岩体内部质点振速、应力场的分布规律进行分析,采用Goodman单元模拟岩体内部软弱结构面.结果表明：边坡台阶处坡形的变化会导致质点振速和应力值波动明显,台阶突出部位"鞭梢效应"显著,但质点振速与应力并非在边坡坡面的同一位置达到峰值,因此将质点峰值振速或应力值作为评价边坡稳定性的单一指标并不合理;岩体内部质点的动力响应规律主要与介质阻尼、结构面以及边坡形状等因素有关,结构面的存在会造成爆炸应力波的反射叠加,质点振速和应力值在结构面之前也有一定程度的放大;边坡自由面对应力波的反射叠加效应不应忽视.     

等效荷载法在超大断面公路隧道爆破数值计算中的适用性

为了探究选取最优的计算方法研究超大断面公路隧道爆破施工对先后行隧道的影响,分别采用流固耦合法、初始体积分数法和等效荷载法建立单孔爆破有限元模型模拟单孔耦合装药情况下的爆破过程,从岩体破碎效果、计算效率等方面对比选定等效荷载法为最优的计算方法,并建立隧道数值模型应用等效荷载法计算研究后行隧道爆破对先后行隧道结构的影响,结果表明：（1）后行隧道爆破施工时先行隧道综合振速显著区域出现在隧道掘进方向上,逆隧道掘进方向隧道衬砌动力响应程度较小;（2）先行隧道受影响最大位置为迎爆侧右边墙,影响最小位置出现在背爆侧左拱脚;（3）后行隧道监测断面振速最大值出现在左拱腰位置,施工时要重点监测。     

高填方路堤土中爆破数值模拟

 由于进行多次、大规模爆破成腔试验研究存在一定难度,本研究采用爆炸流体动力学数值分析方法,模拟土中爆腔形成和周围土体挤密效果。对现场爆破试验采集到的爆炸波波速进行分析,推导出土壤的相关参数,然后采用基于ANSYS/LS-DYNA中多物质ALE 算法,对土中爆破成腔进行分析,得到爆腔大小与土体压实度关系以及爆腔周围土体密度随爆心距变化关系,爆破成腔数值模拟结果与现场爆破试验结果具有较好的一致性。     

不同间距邻近爆破载荷下隧道破坏规律及动态响应研究

试验研究和数值分析是研究不同间距邻近爆破载荷下隧道动态破坏问题的有效手段。通过试验研究发现,当间距较小时,迎爆侧呈三角形破坏,背爆侧表现为起拱点和底角的裂纹扩展,且随间距增加,破坏程度逐渐减弱。通过LS-DYNA数值模拟研究发现,当炸药量一定时,随间距的增加,起拱点位置振速峰值呈指数型衰减,当间距小于3D时,衰减较快,且振速峰值大于安全振速,位于危险间距内;当大于3D时,衰减缓慢,位于安全间距内。迎爆侧振速峰值最大区域分布在直墙中部至起拱点位置,直墙中下部和拱形部位次之。      

不同水平充填纵向采空区群的爆破动力响应衰减规律

以爆破荷载下不同水平充填的纵向采空区群动力响应为研究对象,考虑充填体与围岩的摩擦阻力作用,按充填采空区群的层数不同分为3种工况建立动力响应模型,分析各层中围岩、顶板和充填体的位移、速度响应衰减规律。计算结果表明:在爆炸应力波作用下,充填采空区群内各部位的振动具有一定滞后性;同一工况下,与位于同一层的围岩和顶板相比,充填体的振动频率衰减最快;各工况下,速度和位移的初始响应频率和幅值相近,但层数越多的充填采空区群的动力响应衰减速率越快,恢复至平衡状态所需时间也越短。将动力模型计算结果与数值模拟结果和现场监测数据进行对比,三者速度响应的幅值、频率接近,并具有相似的衰减规律,验证了动力响应模型的可靠性。     

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。     

层状岩体中近邻双线隧道爆破的振动响应研究

近邻双线隧道爆破开挖时，为了避免新建隧道爆破施工产生的地震波危夏既有隧道的安全和稳定。基于数值模拟和现场试验，分析了层状岩体中采用钻爆法修建近距离双绒隧道的爆破振动响应．结果分析表明，对于既有隧道，迎爆面侧墙处的振动速度和反射拉应力最大，而且振动速度具有很强的方向效应，隧道径向振动速度大于切向振动速度，其规律与现场爆破试验结果有较好的一致性．将爆破对新建隧道本身围岩的振动损伤度和对相邻隧道的振动影响结合起来综合考虑，提出了层状岩体隧道爆破施工中减轻振动的几种措施。并对隧道爆破参数进行了优化．图7，表4，参8．     

Blasting Technology Research in Construction of Fenghuoshan Tunnel in Permafrost

1Introduction TheFenghuoshanTunnelliesinthehinderland ofQinghai TibetPlateau,betweenKunlun MountainandTanggulaMountain,withatotal lengthof1338m.Thealtitudeofthemountainpeakis5075m,whilethetracksurfaceis4905m abovethesealevel.Beingthehighestpermafrost tunnelintheworld,tobeconstructedinaregion ofarcticalpineandextremeoxygendeficiency,FenghuoshanTunneldoesnothaveanyexisting experience,eitherfromChinaorabroad,to follow.Greatlydifferentformothertunnelson loweraltitudes,theconstructionofthispro…     

巷道岩爆孕育过程的数值模拟

针对岩石类动力学灾害如地震、岩爆、冲击地压、煤矿开采中的三突问题,其形成机制都可归结为岩石损伤演化诱致结构灾变的模式。工程结构灾变区的形成和发展可以通过数值模拟确定。根据微损伤不可逆演化原理,利用格形有限元模型,模拟巷道断面在自适应位移加载条件下,从点状微损伤斑图到宏观贯通断裂的不可逆的跨尺度生长过程。数值程序是在ANSYS平台上开发。