近接隧道爆破振动控制及围岩响应规律研究

来源 :中国矿业大学(北京) | 被引量 : 0次 | 上传用户:liongliong445
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新建京张铁路八达岭长城站是国内首座采用矿山法施工的地下高铁车站,车站洞室众多,结构断面和结构形式复杂,车站洞室同时包含相邻和上下交叉两种隧道近接方式。由于采用钻爆法开挖,爆破施工为人们带来便利的同时,不可避免的会对邻近洞室产生有害的爆破振动效应。然而,由于爆破本身的瞬时性和复杂性,加之爆破地震波介质的多变性,使得爆破地震波在传播过程中的随机性较大,因此,深入研究爆破地震波的传播规律及振动响应特性尤为重要。对于相邻及上下交叉这类特殊近接方式的隧道,正确分析施工过程中隧道间产生的相互影响,研究相邻及上下交叉隧道的爆破振动响应规律,进而采取合理的控制措施来降低爆破振动带来的有害效应具有重要的理论和现实意义。论文以新建京张铁路八达岭隧道/长城站爆破工程为背景,综合运用现场监控量测、理论分析和数值计算相结合的研究方法,对近接隧道爆破振动响应规律进行了系统深入的研究。主要研究结论如下:(1)结合八达岭长城站进出站层主通道及设备洞室的工程概况和施工特点,综合考虑相邻隧道和上下交叉隧道间的相互影响、爆破振动安全允许标准、最大单响药量、掏槽方式和循环进尺等因素,针对不同的隧道近接方式,设计了不同的爆破控制方案。基于微差爆破的作用机理,确定了导爆管雷管爆破方案采用隔段设计,分部开挖方式;电子雷管爆破方案采用逐孔起爆技术,全断面开挖方式,并提出了电子雷管爆破方案的合理孔间和排间延期时间。(2)针对EMD分解方法存在的端点效应、模态混叠和虚假分量等问题,将VMD算法引入到爆破信号分析中,并研究VMD算法中主要参数的确定方法。分别利用CEEMDAN、MEEMD、VMD算法分解实测爆破信号,通过计算三种信号分解方法的完备性指标、正交性指标和计算总时长,综合评价三种算法的分解效果,确定VMD算法的整体性能较好。提出利用VMD-WT联合处理方法分解含有噪声的爆破信号,通过计算VMD和VMD-WT联合处理方法的降噪误差比,来对比这两种分解方法的分解效果,得出VMD-WT联合处理方法分解效果更佳。利用目标函数同时考虑重构信号的相似性和光滑程度,通过计算各个重构信号的均方误差MSE和光滑度SN值,构建了基于VMD-WT联合处理方法的最优去噪光滑模型。(3)对比分析导爆管雷管和电子雷管两种爆破方案下相邻隧道爆破开挖不同监测部位的现场实测数据,结果表明:两种雷管爆破方案下,径向振速峰值明显高于其他两个方向振速,且迎爆侧拱腰处的振速峰值最大,这一点表现出规律的一致性。两种雷管的三分量数据中,除导爆管雷管切向和垂向的个别数据外,其余各监测点的迎爆侧振速峰值均大于背爆侧。与导爆管雷管相比,电子雷管迎爆侧与背爆侧的振速峰值相差较大,且电子雷管振速峰值衰减较快。两种雷管爆破方案下,振速峰值所占比例最大的炮孔均为掏槽孔。(4)对比相邻隧道导爆管雷管和电子雷管两种爆破方案的能量频带分布范围,结果表明:两种爆破方案的不同频带能量占比的分布较为相似,两者的能量占比趋势均呈“倒V”字形,能量主要集中在41~100Hz范围内,与迎爆侧监测点相比,背爆侧监测点的能量衰减速度更快。1~40Hz范围内,除导爆管雷管拱顶处监测点外,其他各部位监测点的能量占比均接近于零。101~140Hz范围内,两种雷管背爆侧监测点的能量占比几乎为零。141~250Hz范围内,除电子雷管背爆侧拱腰处的监测点外,其余测点能量占比几乎为零。(5)对比上下交叉隧道和相邻隧道不同监测部位的现场实测数据,结果表明:两种近接方式隧道的导爆管雷管爆破施工时,径向振速峰值明显高于切向和垂向,这一点表现出规律的一致性。上下交叉隧道振速峰值出现位置随纵向距离的变化而发生改变,在开挖断面接近和远离监测面过程中,拱顶振速起伏较大,越接近监测面,振速峰值越大,呈先增大后减小的趋势;在远离监测面的两侧,振速峰值通常出现在迎爆侧拱肩处。而对于相邻隧道而言,在整个监测范围内,振速峰值通常出现在迎爆侧拱腰处。两种近接方式下,振速峰值所占比例最大的炮孔均为掏槽孔。(6)运用量纲分析方法,推导出考虑高差和水平距离影响因子的爆破振动衰减公式,并与已有高差衰减公式作对比。通过计算三个公式的预测值与实测值的相对误差,得出考虑高差和水平距离影响因子的爆破振动衰减公式的预测精度最高,表明上下交叉隧道爆破施工时可利用该公式进行爆破振动预测。(7)对比上下交叉隧道和相邻隧道的能量频带分布范围,结果表明:两种近接方式隧道在40Hz以下及140Hz以上的能量占比相差较大,上下交叉隧道信号能量频带范围较宽,在低频区域和140Hz以上的高频区域均有一定的能量占比;而相邻隧道信号能量频带范围较窄,能量主要集中在41~100Hz范围内。上下交叉隧道拱顶径向振动信号能量分布频带范围随爆心距的增加越来越窄,信号能量随爆心距和最大段药量增加,逐渐向低频区域发展,中低频区域的能量占比越来越大。(8)利用数值模拟方法分析爆炸载荷作用下相邻隧道和上下交叉隧道的振动响应规律及应力演化过程,结果表明:数值计算得到的相邻隧道和上下交叉隧道振动衰减规律与现场实测数据衰减规律大体相同,且数值计算结果与现场实测值的相对误差范围可以被工程应用所接受,说明采用数值计算的方法分析各监测部位的振动响应规律可行。提取的相邻隧道和上下交叉隧道各监测点等效应力值均小于岩体动态抗拉强度,隧道岩体未发生破坏。基于数值计算结果建立了振速峰值与等效应力峰值间的统计关系,综合考虑最大拉应力准则及现有安全振动标准,确定了本工程中相邻隧道和上下交叉隧道爆破施工的安全阈值。
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