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原文传递浅埋连拱隧道开挖爆破动力响应特征及减振技术研究

论文题名：	浅埋连拱隧道开挖爆破动力响应特征及减振技术研究
关键词：	连拱隧道;开挖施工;减振爆破;振动响应
摘要：	隧道岩体开挖爆破振动危害一直是地下工程和爆破工程界关注的焦点问题。尤其在连拱隧道、小净距隧道等新型浅埋隧道工程中，受工程及爆破环境条件限制，隧道开挖爆破振动危害问题更为突出，有时不得不采用非爆破方法进行隧道开挖以避免爆破振动危害的出现，导致隧道施工效率极大降低。因此，就新型隧道开挖爆破动力响应特征和减振爆破技术进行深入研究，对防止隧道开挖爆破振动危害、提高隧道施工效率具有重要的理论意义和工程实用价值。　　以乌鲁木齐快速路雅山连拱隧道工程为背景，统计分析现场爆破振动测试数据发现，各类炮孔爆破自由面和抵抗线对爆破振动强度有着重要的影响，根据这一结论，基于量纲分析原理推导建立了隧道开挖爆破振动速度计算模型，并将其运用于浅埋连拱隧道开挖爆破振动强度衰减规律的研究。研究结果表明:掏槽孔爆破时抵抗线较大而自由面面积相对较小，使其爆破产生振动强度最大，约为其他类型炮孔爆破产生振动强度的1.6倍以上;爆破振动速度峰值与自由面面积呈反相关，但却与抵抗线长度呈正相关;隧道开挖爆破振动速度计算模型比萨道夫斯基等传统振动速度计算模型能更加准确的描述隧道开挖爆破时的振动强度衰减规律，能较好地体现主要爆源条件对爆破振动强度的影响。　　提出SVD-EMD方法以抑制噪声对实测爆破振动信号EMD分解效率及准确性的负面影响，将其与FFT、HHT变换等结合对现场实测爆破振动信号时频、能量等进行研究。研究结果表明:利用有效奇异差分谱值和差分谱曲线间交点可实现SVD奇异值阶次的有效选择，确保SVD-EMD方法能有效提高爆破振动信号HHT变换结果在时间域、频率域上的分辨率;实测爆破振动信号能量主要集中在25～165Hz频带范围，且存在43Hz、103Hz和119Hz三个优势频率;掏槽孔爆破振动瞬时能量峰值最大，约为其它类型炮孔爆破振动瞬时能量峰值的1.53～4.38倍。此外，结合线性子波叠加模型探讨了段间延时时间对叠加爆破振动信号振速峰值、主频，瞬时和总能量等特征的影响，得到当段间延时在15～35ms和40～60ms范围时叠加信号的振动速度峰值、瞬时能量峰值和总能量峰值将处于较稳定低值范围，而主频却相对较高。　　探讨了掏槽爆破等效荷载计算模型中的荷载作用边界和荷载施加方式等，并将其运用于连拱隧道开挖爆破时既有小净距隧道、中隔墙等结构动力响应的快速计算。数值模拟结果显示:既有小净距隧道衬砌外侧与内侧质点振动速度峰值之比为1.15～1.34，隧道围岩与衬砌内侧质点振动速度峰值之比为1.54～2.09;既有小净距隧道衬砌动态拉应力峰值约为自重压力荷载作用下静态拉应力峰值的1.50～6.48倍，而中隔墙上动态拉应力峰值则约为自重压力作用下静态拉应力峰值的11.90～15.38倍，可见，距爆源愈近受爆破动力作用的影响愈加明显。此外，结合最大拉应力准则、裂缝扩展应力准则及Mohr-Coulomb准则分析得到既有小净距隧道衬砌和中隔墙/围岩结合面分别较易因裂缝扩展和拉裂而发生破坏;依据原爆破方案，既有小净距隧道衬砌抗拉裂安全系数仅为1.08，安全储备较低，发生裂缝扩展破坏的危险性较高。　　结合背景工程现场实际情况，提出了楔形分段掏槽爆破减振技术，并依据微差爆破理论、Mohr-Coulomb准则、最大拉应力准则等讨论了的其岩体破碎、槽腔形成和减振机制，给出了掏槽孔水平倾角、外层和内层掏槽深度、外层和内层装药段药量、各装药段底部水平距离及段间起爆时差等参数的确定方法。利用LS-DYNA3D软件进行了楔形分段掏槽爆破与常规掏槽爆破过程仿真，通过比较两种掏槽方式岩体破碎范围和振动速度峰值结果，得到楔形分段掏槽爆破技术既能有效降振又能确保得到良好的掏槽效果。　　在确定性有限元方法中，往往仅可根据单因素分析法（相关分析、方差分析等）来确定各主要因素对爆破效果的影响。其要求进行大量的仿真模拟工作以获得足够多的数据，但分析结果却不能给出各主要因素对爆破效果的影响程度及主次关系。为此，本文将掏槽爆破过程视为一随机过程加以研究，基于RSM随机动力有限元分析方法确定各主要爆破参数对楔形分段掏槽爆破效果的影响程度和相互关系。计算与分析结果表明:在文中取值范围内掏槽孔底水平距离为影响掏槽区域岩体破碎面积及振动强度的重要参数，掏槽孔水平倾角则为次要参数，而外层和内层装药段间起爆时差分别为影响岩体破碎面积及振动强度的次要因素和可忽略参数。　　最后，将本文的研究方法和成果综合应用于指导开展雅山连拱隧道现场减振爆破试验，并对各次试验爆破时的单次进尺和振动速度峰值进行了统计和分析。统计分析结果表明:利用楔形分段掏槽爆破技术可使既有隧道衬砌的竖向、纵向和径向分别减小43.2％、30.7％和68.6％，减振效果明显，且在不增加施工难度的前提下，隧道掘进施工效率提高约8.29％。上述研究结果对类似工程实施减振爆破开挖具有积极的指导意义。
作者：	邹新宽
专业：	岩土工程
导师：	张继春
授予学位：	博士
授予学位单位：	西南交通大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文