深部隧道爆破开挖诱发围岩损伤与扰动效应数值分析

现阶段,不同地应力条件下深部岩体受爆破作用的损伤破坏分析尚显不足。为了研究深部隧道围岩爆破开挖损伤破坏规律,基于有限元软件ANSYS/LS-DYNA,采用Riedel-Hiermaier-Thoma本构模型,对不同地应力环境下隧道爆破效果影响因素、围岩扰动范围等问题进行数值分析。结果表明：双向等压隧道的断面损伤程度与地应力水平呈负相关;随着地应力上升,地应力对隧道底板的损伤抑制作用渐为明显;隧道腰部围岩受爆破扰动较为突出,其应力和振动速度均随侧压力系数增大而大幅升高,且振动速度增幅超过40%,明显高于顶部围岩;在垂直应力20 MPa条件下,腰部测点应力、振动速度幅值随侧压力系数增加而增大的趋势较缓;当垂直应力升高至60 MPa时,侧压力系数对围岩扰动的影响较大。相关结论对实际工程施工具有重要指导意义,同时对隧道围岩稳定性监测与支护参数优化具有一定参考价值。     

不同开挖方法偏压大跨隧道围岩稳定性对比分析

偏压地形对大跨隧道的围岩变形和支护结构受力有较大的负面影响,科学选择开挖方法是确保隧道施工安全的重要前提。Hoek-Brown强度准则综合考虑岩体结构面特征、岩块强度和施工扰动对岩体劣化效应的影响,能更好地反映隧道开挖过程中围岩的变形情况。据此,本文以贵阳市环城路七冲村二号隧道为工程依托,通过现场调查及经验查表的方法确定了Hoek-Brown强度参数,采用FLAC3D对三台阶法和双侧壁导洞法的开挖过程进行了模拟计算,结合现场围岩变形和钢拱架轴力监测数据,对两种开挖方法的围岩稳定性进行了对比分析,得出结论:相比于三台阶法,双侧壁导洞法能更有效地控制围岩塑性区发展和围岩变形,可以有效地减少偏压荷载对隧道围岩造成的不利影响,但钢拱架受力不均匀,可能对支护结构稳定产生不利影响;综合考虑施工安全和施工进度,围岩较破碎的隧道出口段和入口段应采用双侧壁导洞法施工,围岩较完整的其他区间段可采用三台阶法施工,以节省工期。     

曲率半径对临时支护及核心土的受力影响分析

双侧壁导坑方法开挖面积小,能够将大断面隧道简化为几个小跨度的导洞隧道,增加了隧道的整体稳定性,是特大断面大跨度公路隧道推荐采用的开挖方法之一。但目前并没有统一标准的双侧壁导坑断面的设计方法,核心土临时支护曲率半径形式的设计具有较大的主观性。而实践表明,临时支护的曲率形式对于核心土和导洞的稳定性影响至关重要。以广州龙头山双洞8车道公路隧道为依托,在相同的边界条件下,通过数值计算、实测数据和现场实例,深入分析核心土临时支护的合理曲率形式。其结果旨在为大断面大跨度公路隧道设计的优化提供借鉴和参考。     

考虑累积损伤效应的围岩变形特性研究

隧道爆破开挖诱发的动力扰动作用范围往往远大于其开挖进尺,同一部位围岩受到循环爆破开挖的多次扰动普遍存在累积损伤。对乌东德水电站左岸导流洞爆破开挖过程中的爆破振动和围岩变形监测进行了监测和数值分析,基于累积损伤理论,通过引入损伤判据及损伤变量,考虑计算中产生的不同程度的损伤区域的岩体参数劣化,并将劣化后的参数引入相应损伤单元进行后续开挖爆破数值模拟计算,从而对岩体爆破开挖累积损伤效应进行模拟。通过比较乌东德水电站导流洞的实测数据以及数值模拟计算结果发现,考虑累积损伤的计算结果无论是爆破振动速度还是围岩变形均更接近于实测值。对爆破开挖的分析模拟中应考虑围岩的多次循环爆破累积损伤效应。     

软岩浅埋隧道施工工法比选

目前在高速公路软岩浅埋隧道施工中均不同程度地出现了围岩坍塌、地表产生大面积沉降等问题。广福隧道某浅埋段,地质条件复杂,断面大、岩性差,受构造影响比较严重,而且顶板厚度比较薄,易发生坍塌、冒顶现象。为确保浅埋段隧道的施工安全,尽量减少隧道开挖引起的地层沉降和围岩变形,采用FLAC3D对4种施工工法全断面法、短台阶法、单侧壁导坑法和双侧壁导坑法进行模拟,分析了4种工法下地表沉降、隧道围岩周边位移和塑性区的变化特点,选出一种技术可行、经济合理的施工工法,得出一些有意义的结论。     

近距离交叉隧洞爆破对既有隧道的振动影响

结合南山下隧洞下穿温福客运专线钱仓山隧道工程,实时监测近距离交叉隧洞爆破施工对既有隧道的振动影响。实测结果表明,（1）迎爆面位置影响既有隧道断面的爆破振动速度分布;震源距离测点大于30 m时,距离是爆破振动的主要影响因素;震源距离测点小于30 m时,主要影响因素则为装药量与距离。（2）岩体越坚硬完整,爆破振动波传播衰减越慢。采用导洞先行预留光面爆破、导洞爆破掏槽眼和周边眼及底板眼分开起爆、控制最大段装药量等措施,可有效地降低爆破振动影响,控制其对钱仓山隧道的影响,对类似工程有借鉴作用。     

节理岩体中双向八车道小净距隧道施工方案优化分析

结合福州国际机场高速公路2期工程魁岐2号双洞八车道特大断面小净距隧道工程,建立了离散元数值模拟分析模型,针对节理岩体中特大断面小净距隧道施工方案进行了优化分析。分别研究了双侧壁导坑法、CRD法和CD法3种施工方案下隧道拱顶下沉、中间岩柱水平位移、围岩水平位移和围岩塑性区的变化规律。基于研究成果,并结合魁岐2号特大断面小净距隧道现场实际情况,在该隧道进口Ⅴ级围岩段,将双侧壁导坑法变更为CRD法,顺利完成了施工,此施工方案的变更对降低施工成本、加快施工进度、缩短施工工期均起到了较好的作用。研究结果可为类似条件下特大断面小净距隧道的设计、施工提供借鉴与参考。     

黄土隧道施工方案的数值分析

黄土隧道围岩不同开挖与支护施工方案的数值分析,对了解黄土隧洞变形破坏机理以及黄土隧洞设计施工理论具有重要意义。对黄土隧道围岩采用中壁法和双侧壁导坑法开挖各3种不同支护顺序分别进行了模拟计算,考察了各个施工工序地表最大沉降量、隧洞拱顶最大下沉量、围岩塑性区分布、衬砌单元弯矩以及岩体总应变能变化。计算结果表明,从开挖方法来说,双侧壁导坑法要优于中壁法;从支护顺序来说,滞后支护要优于及时支护。此结果可为黄土隧道工程设计施工提供参考。     

鹤上大断面小净距隧道施工方案优化分析

结合福州国际机场高速公路鹤上大断面小净距隧道工程实际,建立了大断面小净距隧道施工动态有限元分析程序,对隧道施工方案的优化进行了数值模拟分析。分析中模拟了双侧壁导坑法、中隔壁法和上下台阶法3种施工方案,对拱顶下沉、地表沉降、中间岩柱应力、围岩稳定性等进行了对比分析,并结合鹤上隧道围岩实际情况,在隧道出口Ⅴ级围岩段,改双侧壁导坑法为中隔壁法,顺利完成了施工,对降低施工成本、加快施工进度均起到了较好的作用,研究结果可为类似条件下大断面小净距隧道的设计、施工提供借鉴与参考。     

双向八车道连拱隧道围岩力学参数反演分析

在采用双侧壁导坑法施工的双向八车道特大断面连拱隧道中,施工步繁多,临时支护设置的时间长,隧道全断面的变形量测只能在临时支护拆除后进行。由于全断面变形数据获取得较晚,故较难将其用于围岩力学参数的反演。将有限元计算和BP神经网络技术相结合,并在有限元计算过程中考虑实际的施工步,建立起所有临时支护拆除之前这一施工状态下导坑的变形量与围岩力学参数之间的非线性映射关系,并通过对应状态下实测的导坑变形值反演了围岩的力学参数。将反演的结果用于正分析验算,验证了该方法是可行的。     

上下交叉隧道爆破振动控制技术研究

钻爆法是隧道开挖中一种主要的施工方法,爆破开挖不可避免会对围岩产生扰动。以新建走马岗隧道上穿东深供水走马岗引水隧洞工程为背景,开展上下交叉隧道爆破振动控制技术研究。选取与交叉段岩性一致的爆破施工开挖区域进行爆破振动监测,得到了现场爆破施工方案条件下走马岗隧道爆破振动规律。对实测数据进行回归分析,计算得出走马岗地区爆破质点峰值振动速度（PPV）的Sadovsk公式,反演得到控制爆破振动的最大掏槽药量及安全距离,制定出交叉段施工的安全控制范围以及相应的爆破方案。通过数值模拟进行了验证并付于交叉段现场施工。现场监测数据表明,提出的振速控制标准及爆破方案符合安全要求,保证了在建隧道的顺利开挖以及既有隧道的安全运行。研究成果可为类似工程爆破开挖及振动控制提供参考。     

超小净距隧道爆破振动现场监测及动力响应分析研究

以南京地铁超小净距隧道为工程背景,结合国内外现有研究成果和规范,研究确保小净距先行隧道安全稳定的后行隧道爆破施工控制技术。以现代信息化施工理论为依据,充分运用现场监控量测,对先行隧道爆破质点振动速度进行监测分析和施工中爆破采用减振和隔振两方面控制技术;最终现场监测结果表明,优化后的循环进尺、段最大装药量与分段爆破差等爆破参数设计合理,该爆破设计在施工中未对先行隧道安全产生较大影响;同时,通过三维数值模拟计算,得到先行隧道壁面的质点振动速度随时间的变化规律,所得最大振速符合规范要求,也再次验证了优化后的爆破设计是合理的。通过数据分析得出隧道边墙的切向和径向振速比拱脚相应振速大,爆破面前方先行洞衬砌受爆破振动的影响稍大于后方衬砌,临近爆破点的左线隧道衬砌表面振动大于远离爆破点的衬砌表面振动。该研究成果为本工程施工提供了科学依据与技术指导,也可为类似隧道工程的爆破掘进工程在理论和施工方法上提供参考借鉴。     

隧道开挖施工的爆破振动监测与控制技术

以万松岭隧道工程开挖为研究对象,对隧道工程开挖施工爆破地震波的振动监测方法及控制技术进行了研究。通过对爆破振动监测结果的回归分析,建立了隧道工程开挖爆破振动传播的数学模型;确立了其传播衰减规律。结合工程实际,提出了修正后的爆破地震波衰减经验数学公式;经对比分析,所得爆破地震波衰减规律公式预测的质点振动速度具有较高的精度。同时,结合该隧道工程开挖爆破施工,从选择合理爆破时差、最大装药量、微差起爆、掘进进尺、预裂爆破等5个方面提出了爆破振动控制技术措施使该隧道开挖施工爆破中的地面振动速度值控制在了安全范围以内,从而确保了施工段地面建筑群的安全和该隧道工程开挖爆破作业的安全。其研究对指导隧道工程开挖爆破施工和保证地面建筑物安全起到了重要作用。     

既有隧道扩建爆破振动数值模拟研究

基于原有隧道改扩建拱顶塌腔段扩建开挖,系统研究了多临空面条件下岩体爆破振动规律。采用完全重启动数值方法和拉格朗日算法分析岩体爆破振动规律,模拟爆破振动对隧道塌腔加固区和既有隧道围岩的影响,并获得了特征点的振动速度和衰减规律。数值模拟的最大振速符合爆破振动安全允许标准的要求,从而验证了爆破设计的可行性,并指导了爆破施工。同时,对隧道塌腔段开挖进行爆破振动监测。通过对比分析现场振动监测数据,数值模拟与现场监测结果吻合。结果表明,采用拉格朗日算法和完全重启动数值模拟方法可以描述隧道多孔毫秒延期爆破破岩和质点振动传播规律。该研究结论对隧道多孔毫秒延时控制爆破工程具有参考和指导意义。     

玉环干江栈头公路隧道的爆破开挖技术

根据栈头公路隧道的工程特点及隧道施工的复杂性,阐述了隧道开挖的减振爆破控制技术和隧道开挖的方法,以及施工量测和振速监测技术在隧道开挖过程中的应用。     

复杂城市环境下边坡预裂爆破应用与效果检验

城市名胜风景区内某建筑工程基坑开挖遇山体石方,需进行岩石边坡爆破施工。为了降低爆破振动危害和保护边坡开挖轮廓面的预期效果,采用了预裂爆破技术。经过合理设计,提出了预裂爆破方案,并按照方案精心施工,同时对周边重点建（构）筑物的爆破振速进行监测。结果表明：各监测点振动速度远小于安全允许范围,宏观爆破效果良好,为后期开挖爆破提供了良好的开挖条件,该预裂爆破技术对类似工程具有一定指导意义和参照价值。     

浅埋大跨隧道施工爆破监测与减震技术

以沪-蓉线庙垭分岔隧道工程为背景,研究了其浅埋大跨段掘进爆破的地表震动效应及大断面开挖减震控制技术,并结合爆破监测数据的回归分析,确立了地震波垂向衰减规律的数学模型。综合分析地表及洞内地震波的震动特性发现,地表质点振动主振频率主要集中在低频段;由于表土的滤波作用,主振频率随距离的增加而减小的趋势并不明显;洞内混凝土衬砌减弱了爆破对围岩的冲击,高频地震波衰减极快;开挖区上部的地表振速通常大于未开挖区的振速,浅埋大跨隧道爆破安全控制应以已开挖区顶部的地表振速为准。     

复杂条件下隧道开挖循环进尺优化方法研究

复杂条件下如何选择合理的开挖进尺一直是隧道施工的难题之一。在已有的研究成果基础上,提出了圆形或近圆形隧道开挖过程的时空关系表达式,并给出基于现场位移监测数据的参数计算方法。结合关角隧道9#工区二郎洞断层破碎带现场施工情况及监测资料,建立了该断层破碎带开挖过程的时空效应关系式,结果表明,该关系式能够反映开挖过程中洞周位移的时空的变化。在此基础上提出了断层破碎带软岩开挖过程的时空效应分析及进尺优化的方法,对关角隧道9#工区几条较大断层破碎带隧道开挖的进尺进行了优化,优化后的开挖进尺是可行的,也解释了断层破碎带围岩隧道开挖“短进尺”的合理性。同时文中也分析了该方法的优点及适用范围。     

并设小净距隧道爆破振动响应分析及控爆措施研究

通过大量二维、三维数值模拟计算,分析了围岩、净距、埋深等条件对小净距隧道爆破振动特性的影响,研究了先行隧道不同支护体系、不同中岩墙加固措施及后行隧道不同施工方案等情况下,小净距隧道中后行隧道爆破开挖对先行隧道的影响。根据研究结果,提出了中岩墙加固宜采用注浆加固、先行隧道初期支护宜及时跟进并封闭、掏槽眼宜远离中岩墙以及开挖进尺不宜大于净距的1/3等小净距隧道爆破施工的控爆措施,以供小净距隧道爆破开挖设计、施工借鉴。     

直墙半圆拱巷道爆破震动数值分析

为利于判断巷道围岩在爆破荷载作用下的稳定性及巷道内壁混凝土衬砌的安全,采用ANSYS/LS-DYNA分析了巷道钻爆法掘进爆破荷载作用下震动区岩体的动力响应。结果表明,近区岩体内部爆破压力、单元有效应力、质点振动速度随爆心距的衰减规律基本符合萨道夫斯基经验公式,单元有效应力与质点振动速度的衰减规律具有很强的相关性;巷道围岩临空面上的质点振动速度以沿巷道方向的振动速度为主,巷道横截面内垂直临空面方向次之,横截面内沿临空面方向为最小。巷道同一横截面处各质点的振动波形基本相同,拱顶的振动速度峰值比帮部的要大10%左右,拱与帮的连接处振动速度峰值较小。巷道围岩沿巷道方向临空面上质点振动速度衰减规律也基本符合萨道夫斯基公式,以上分析结果对采用钻爆法进行岩巷施工时,控制近区震动区爆破荷载对结构的影响具有一定的指导作用。