详情

原文传递浅埋隧道爆破的地表震动效应研究

论文题名：	浅埋隧道爆破的地表震动效应研究
关键词：	浅埋隧道;爆破震动效应;现场试验;数值模拟;空洞效应
摘要：	随着我国交通事业的蓬勃发展，穿越闹市区的浅埋隧道工程将会越来越多。由于工程条件的限制，这些隧道有很大一部分需要采用爆破方法进行开挖，爆破产生的震动效应有可能危及到周围建筑物的安全。为此，如何预测和控制爆破震动效应以保障建筑物的安全，已成为当前隧道工程和爆破工程界亟待解决的一项重要课题。以渝怀铁路人和场浅埋隧道工程为背景，进行掘进爆破的地表震动效应试验。通过测量地表不同位置处的振速波形，研究了地表震动特性及其变化规律。试验结果表明：受自由面条件的影响，不同类型炮孔爆破引起的震动效应差异较大，其中掏槽孔爆破的震动效应最强烈，其地表振速幅值是其他各类炮孔爆破的2倍以上；辅助孔、崩落孔和周边孔爆破引起的地表振速并不总是随着单段装药量的增加而增大；浅埋隧道开挖区将造成掘进爆破产生的地表震动出现“空洞效应”现象，即：已开挖区形成的空洞导致其上部地表振速大于未开挖部分的振动速度，成形洞体对爆破震动强度有放大作用，放大倍数在1.3～2.3之间。用萨道夫斯基公式对地表振速数据进行拟合发现，隧道掘进前方的爆破地震强度可用该公式预测，而掘进后方的爆破震动强度不符合该公式给出的衰减规律。结合人和场浅埋隧道的爆破震动监测结果，用有限元法模拟了不同荷载波形输入的地表震动效应，探讨了获得可靠的地表震动参数的爆破动荷载加载方式、计算模型、计算条件和计算方法。在模拟隧道爆破震动效应时，将爆破动荷载直接施加于爆区开挖边界，这样可以撇开爆破近区、中区的强非线性问题，有利于问题的研究。比较不同荷载波形输入的模拟结果，发现动荷载波形的输入形式可影响模拟计算的震动波形特征。采用隧道周壁处实测的震动波形作为动荷载输入，得到的地表震动模拟波形与实测波形相似，其振动速度随时间和距离的衰减规律与实测结果接近，振速幅值和主频模拟结果可满足工程应用。而按三角形脉冲波输入计算得到的模拟震动波形与实测波形有较大差异，主要表现在模拟波形的波峰和波谷数比实际波形的少，计算获得的主频误差超过了爆破安全规程划分的频带范围差，难于在工程中应用。针对隧道爆破震动空洞效应现象，提出了定量描述空洞效应的指标：振速放大系数和振速差值，并且研究了空洞效应沿隧道纵向的变化规律。沿隧道纵向，随着距爆源水平距离的增大，空洞效应先有一个增大过程，其后有一个减小的过程。通过对空洞效应影响因素及其影响规律进行研究，发现空洞效应随隧道埋深的增加而减小，随隧道断面和隧道周壁爆破振动荷载的增大而增大。当未开挖区的地表震动强度小于控制标准，而成洞区地表震动强度大于控制标准时，空洞效应将影响到掘进过程中爆破方案的选择。用结构动力学理论分析了爆破地震作用下框架结构的响应，从理论上论证了结构的爆破振动响应是各爆破谐波作用下的响应的叠加，推导了结构爆破振动响应的数学表达式，其是结构的自振频率、阻尼比、爆破地震幅值、频率和时间的复合函数。在此基础上，重点研究了频率对结构爆破振动响应的影响，发现结构在爆破地震作用下的响应与频比系数有直接关联，得出了爆破地震频率和结构自振频率对结构响应的耦合作用是通过由于频比系数值的改变引起振幅系数值的变化而实现的结论，并提出了含有频比系数评判指标的爆破振动安全判据。采用数值分析结合现场实测的研究模式，研究了浅埋隧道爆破引起的建筑物的振动响应及其变化特征。通过对实测结果的分析，指出结构振动敏感谐波的随机性决定了爆破地震作用下的结构振动响应参数也具有随机性的特点，要想更为清楚的了解结构的振动响应特征，现场测试分析工作是必不可少的。从浅埋隧道穿越建筑物的施工过程中的爆破震动跟踪监测还发现，隧道的空间形态的变化会对结构振动响应的衰减规律产生影响，使得振动响应并不完全遵照随着离爆源距离的增大而变小的规律变化。提出了根据爆破震动效应的现场试验和数值模拟结果来制定浅埋隧道下穿地表建筑物的掘进爆破方案的观点，并将本文的研究成果综合应用于人和场隧道下穿地表高层住宅楼和立交桥的施工中，取得了较好的工程效益和社会效益，为类似隧道工程的爆破施工提供了一个可资借鉴的实例。
作者：	曹孝君
专业：	岩土工程
导师：	吕和林
授予学位：	博士
授予学位单位：	西南交通大学
学位年度：	2006
正文语种：	中文