复杂环境下隧道楔形掏槽合理延期时间优化研究.pdf
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1、第 卷 第 期 年 月 中 国 安 全 生 产 科 学 技 术 收稿日期:基金项目:国家自然科学基金项目();云南省重大科技项目()作者简介:刘浩杉,博士研究生,主要研究方向为爆破与冲击动力学。通信作者:黄永辉,博士,讲师,主要研究方向为爆炸力学与数值仿真。:复杂环境下隧道楔形掏槽合理延期时间优化研究刘浩杉,侯江,张智宇,黄永辉,赵文(昆明理工大学 国土资源工程学院,云南 昆明 ;云南省铁路集团有限公司?云南 昆明 ;昆明理工大学 电力工程学院,云南 昆明 ;贵州开源爆破工程有限公司?贵州 贵阳 )摘要:为探究楔形掏槽不同延期起爆时间对地表振动影响规律,采用基于 的流固耦合算法对楔形掏槽爆破参
2、数进行优化,分析掏槽孔微差爆破对掏槽区域破碎效果的影响与地表振速响应规律。研究结果表明:掏槽区域岩石爆破效果受延期时间影响较大且存在 个阈值,延期时间超过 后自由面方向的掏槽区域内岩石破碎程度未贯通。同时,相较于同时起爆,隧道地表监测点在不同微差时间下降振率变化范围为 ,变化速率呈先快后慢的趋势。而边墙与底板测点降振率受微差时间影响较小。在满足爆破效果的基础上,选择产生最小振动峰值的延期时间 进行现场试验,现场实测峰值与数值模拟得出结果误差在 ,说明利用数值模拟的方法研究爆破振动是合理可行的。研究结果可为相关隧道掏槽孔爆破延期时间选择提供依据和参考。关键词:隧道掘进;掏槽爆破;延期时间;数值模
3、拟中图分类号:文献标志码:文章编号:(),(,;,;,;,):,:;引言在掘进隧道类型中,城市轨道交通隧道占相当一部分比例 。钻爆法作为隧道掘进的主要手段保持着积极的增长趋势,城市中浅埋隧道施工产生的爆破振动对地表建构筑物的安全问题亟待解决 。为提高工程质量,保证周围环境的安全,急需优化隧道爆破施工中的振动效果。傅洪贤等 在经过大量电子雷管降振试验后指出,掏槽眼间隔时间对于降振效果和掏槽区破碎效果至关重要,并建议在级围岩的情况下掏槽孔延期时间为 。龚敏等 基于大量现场实测爆破振动数据以及理论分析,发现掏槽区域是爆破全程峰值所在区且有必要讨论间隔时间对其爆破振动规律的影响。龚敏等 指出隧道爆破合
4、速度大小取决于装药量、微差时间与规定振速值三者的量化关系,即微差间隔时间并非越大越好。等 进行一系列不同延时间隔的爆破试验,合理的延期时间能够有效减振的同时有助于形成完整的爆坑。李清等 也通过理论计算的方式得出 种不同进尺情况下掏槽孔的合理延期时间,并将理论计算延期时间用于现场后获得良好的效果。李洪伟等 使用高精度电子雷管进行不同延期时间下掏槽孔与辅助孔之间的破碎效果研究,发现延期时间约在 时炸药能量利用率较好。可以看出,掏槽孔延期时间与掌子面破碎效果和振动速度的关系密不可分。数值模拟作为研究爆破振动的有效手段,目前已被广泛使用。王栋等 利用数值模拟手段,研究钻爆法对埋地管道的振动效应。其模拟
5、结果与实测结果基本一致。董合费等 利用 软件建立联络通道开挖的三维有限元模型,以此分析地表振动的空洞效应,并得出成洞区域上方地表振速明显大于未开挖区域。但由于建模及网格划分方面的原因,大多模拟研究采用多个掏槽孔简化为 个炮孔的方式进行研究 ,意味着无法考虑掏槽孔微差间隔起爆对地表和建构筑物的振动影响。本文依托于白岩坡隧道,利用 有限元软件建立三维隧道楔形掏槽模型。着重研究全断面爆破中,掏槽孔起爆时序对爆破效果和对地表产生的振动速度大小。研究结果对实际隧道施工中掏槽孔延期时间选择具有一定指导意义。工程概况白岩坡隧道位于贵阳市花溪区石板镇,起点位于贵安大道附近,距离贵安大道 ,横穿小高寨且距离小高
6、寨民房 ,终点位于天河潭大道附近,距离天河潭大道 ,隧道顶板最近处距地表垂直距离约 。附近设有变压器、仓库、厂房、民房等建构筑物,距最近仓库距离为 ,隧道周围环境如图 所示。隧道采用上下台阶分部开挖的方法,开挖区域属于溶蚀中低山丘陵地貌,上覆第四系全新统人工填筑土,下伏基岩为三叠系大冶组灰岩偶夹泥岩。图 隧道周围环境示意 数值模拟研究 有限元模型与算法根据现场实际情况,使用 有限元软件建立整体模型,如图 所示。模型计算使用 流固耦合算法,其由 部分组成,即固体域岩石和流体域空气、炸药、堵塞物 种材料。使用 单元类型,整体模型使用映射网格划分,同时对炮孔周围网格进行加密处理。为了研究掏槽孔间不同
7、延期时间引起的振动速度,将各孔延期时间设置为 ,间隔起爆一共 组试验。材料模型与参数)岩石材料。数 值 模 拟 中 的 岩 石 材 料 模 型 采 用 本构模型,详细参数见表 。此模型包含状态方程、屈服面方程以及损伤演化方程 部分。状态方程表示岩石材料由弹性到过渡阶段再到塑性变形阶段的过程,用三次多项式表示如式()所示:()第 期 中 国 安 全 生 产 科 学 技 术图 几何模型与流体结构 式中:,分别为常数,;为修正体积应变。屈服面的方程如式()所示:()()()式中:为标准化等效应力,;为损伤系数;为标准化静水压力,;为无量纲应变率;,分别表示标准化黏性强度、标准化压力硬化系数、应变率系
8、数、压力硬化系数。损伤因子 值大小位于 之间,数值越大即代表岩石破坏越严重。值计算如式()所示:()式中:,分别表示等效塑性应变增量和塑性应变体积增量;表示常温下等效塑性应变;表示常温下塑性体积应变。表 模型参数 (),注:为岩石密度,;为剪切模量,;为单轴抗压强度,;为强度参数;为抗拉强度,;为压碎体积压力,;为压碎体积应变。)炸药材料。炸药选择 模型。同时采用关键字 来描述炸药爆轰过程中压力、体积和能量之间的关系。如式()所示:()()()式中:为爆轰产物压力,;,分别为 状态方程参数;为初始内能,;为相对体积。)空气 材 料。空 气 网 格 部 分 使 用 关 键 字 材料模型,该模型剪
9、切刚度为 ,故需要适当控制沙漏效应,否则会导致极大的能量损失,本模型中沙漏系数为 。并使用 来描述空气的状态方程,如式()所示:()()式中:为各多项式系数;为体积比;为内能与初始体积比。数值模拟结果分析 应力波传播过程隧道断面应力波传播如图 所示。炸药引爆后,爆炸能量在很短的时间内沿圆柱形炸药的径向往外扩散。时爆炸应力波的半径不断变大并向外扩张,时爆炸应力波相遇产生叠加应力场。时,掌子面方向掏槽区域内的岩石已有不同程度损伤。图 隧道断面应力波传播示意 掏槽孔损伤演化隧道上台阶隧道断面不同位置切片如图 所示,中 国 安 全 生 产 科 学 技 术第 卷个切片的位置分别是孔底(),掌子面()。以
10、此研究不同延期时间下整个掏槽区域内的损伤情况。图 隧道断面不同位置切片示意 限于文章篇幅,仅给出隧道断面在 ,种不同延期时间下的不同位置切片损伤云图。如图 所示,隧道掏槽区域在同时起爆的情况下,掏槽孔装药底部()的切片云图损伤范围,孔间内的掏槽区域可视为完全破坏贯通,掏槽区域外的岩石损伤范围在炮孔半径 倍之间。在靠近掌子面方向()的切片位置,掏槽区域内损伤程度 位于 之间。图 时不同位置切片损伤示意 由图 可知,在延期时间为 的情况下,可以看出,掏槽孔底部装药位置其炮孔中心连线相互贯通,但炮孔之间的区域损伤程度与同时起爆相比损伤程度较低,同时,在掌子面位置()切片损伤云图可以看出,炮孔中心区域
11、的损伤程度 介于 之间。根据文献 ,时可视为岩石发生破坏,故在延期时间为 的情况下,能保证掏槽区域良好的破碎效果。由图 可知,在 时,可以看出底部装药位置的切片损伤云图,其损伤范围较前几种方案大大降低,几乎只有炮孔半径的 倍距离范围内发生破坏,这图 时不同位置切片损伤示意 是由于单个炮孔延期时间过长,孔间的能量利用未能够很好叠加。同时,在隧道掌子面位置的切片损伤云图几乎未发生破坏,即会造成掏槽区域岩石未充分破坏而影响整个断面的破碎效果。图 时不同位置切片损伤示意 掏槽区有效应力提取隧道掌子面炮孔中心连线上测点的应力时程曲线如图 所示。由图 可知,同时起爆方式下,应力瞬间到达 左右,之后迅速下降
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- 复杂 环境 隧道 楔形 掏槽 合理 延期 时间 优化 研究
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