下穿機場跑道隧道爆破動力效應(yīng)及控制

1、下穿機場跑道隧道爆破動力效應(yīng)及控制目前,我國交通道路等基礎(chǔ)工程的大量建設(shè),不可避免產(chǎn)生數(shù)量眾多的交通線路立交工程,其中交通隧道下穿已有鐵路、公路等交通線路工程問題也將十分突出。從這樣的發(fā)展趨勢來看,目前尚屬罕見的下穿機場飛行區(qū)鉆爆法施工的隧道工程,也將會不斷增多。下穿機場飛行區(qū)的隧道爆破施工,爆破產(chǎn)生的動力效應(yīng)必然會對機場跑道的安全運營以及已建隧道的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響,客觀認識下穿隧道爆破地震波傳播規(guī)律及其動力作用特征,合理評價和控制爆破振動有害效應(yīng)是這類爆破施工中急需解決的關(guān)鍵科技問題。論文結(jié)合下穿恩施機場飛行區(qū)的許家坪隧道工程實際,采用現(xiàn)場測試、數(shù)值模擬、理論計算分析相結(jié)合的綜合研究方法,圍繞

2、“下穿機場跑道隧道爆破動力效應(yīng)及控制”這一主題,開展了隧道圍巖、支護結(jié)構(gòu)以及機場跑道結(jié)構(gòu)等力學參數(shù)反演,機場跑道爆破振動預(yù)測模型,隧道爆破動力特性,爆破作用下機場跑道以及臨近隧道圍巖爆破動力響應(yīng)特征,機場跑道爆破安全判據(jù)等內(nèi)容的一系列研究,論文主要研究內(nèi)容和成果如下:(1)隧道結(jié)構(gòu)與機場跑道力學參數(shù)反演研究。依據(jù)巖土勘察資料和現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù),綜合運用正交試驗法、有限差分法以及BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對隧道圍巖體、支護結(jié)構(gòu)以及機場跑道結(jié)構(gòu)的力學參數(shù)進行了反演分析,獲得了隧道圍巖、支護結(jié)構(gòu)以及機場跑道的力學參數(shù),為后續(xù)爆破動力數(shù)值模擬與理論計算提供了合理的參數(shù)依據(jù)。(2)機場跑道爆破振動測試分析。根據(jù)隧道開

3、挖爆破技術(shù)特點與周邊環(huán)境條件,并制定了隧道爆破開挖過程中的爆破振動測試方案,進行了現(xiàn)場爆破振動測試;依據(jù)測試結(jié)果,對爆破振動特征進行了分析,得出了隧道開挖爆破的頻率特征,建立了爆破振動速度預(yù)測模型。測試分析表明,隧道開挖爆破期間,最大振動速度為1.328cm/s,未超過預(yù)先規(guī)定的3cm/s的爆破振動速度控制值,施工過程中機場跑道的爆破振動得到了有效控制在X方向、Y方向以及Z方向3個方向上的爆破振動主震頻率分布不一致,其中X、Y方向最小振動頻率為35Hz左右,Z方向最小振動頻率為43Hz左右，這與隧道、機場跑道等建構(gòu)筑結(jié)構(gòu)的固有頻率相差較大,不會產(chǎn)生共振放大現(xiàn)象。(3)隧道開挖爆破動力荷載特性研

4、究。為獲得遠區(qū)爆破振動數(shù)值分析的等效爆炸荷載,根據(jù)現(xiàn)場爆破設(shè)計方案,基于動力有限元數(shù)值模擬方法和理論力學中的合力矩定理，計算分析了3cmi5cmi10cmi20cmi40cm50cm等不同邊長條形藥包以及隧道全斷面開挖爆破的動力荷載特性,對比分析了不同爆源條件下的爆破動應(yīng)力荷載特性及其傳播特征。研究結(jié)果表明:全斷面爆破與條形藥包爆破動應(yīng)力均具有隨爆心距增大而衰減，且近區(qū)衰減快、遠區(qū)衰減慢的變化特征。其中，邊長為10cm的條形裝藥爆破模型,其爆炸應(yīng)力波特性與全斷面爆破模型在中遠區(qū)的計算結(jié)果基本一致,具有等效性；在爆心距小于9m的范圍內(nèi)，裝藥結(jié)構(gòu)的不同使得等效前后的爆炸應(yīng)力波荷載大小存在一定的差異

5、性,但隨著爆心距的增加,二者的差異越來越小,且最小差值為0.037MPa;同時，質(zhì)點振動速度在采用爆破等效前后也存在一定的差異性隨著爆心距的增加,二者的差異也越來越小,最小差值為0.002cm/s。研究結(jié)果為隧道爆破遠區(qū)動力分析數(shù)值建模提供了依據(jù)。(4)隧道開挖爆破作用下機場跑道動力響應(yīng)特征研究?；谌珨嗝姹坪奢d等效模型,建立了不同循環(huán)進尺隧道爆破開挖的數(shù)值計算模型,分析了隧道循環(huán)爆破動載作用下的機場跑道動力響應(yīng)機理,評價了爆破應(yīng)力波傳播路徑上的臨近已建隧道以及機場跑道在爆破施工過程中的安全性,本著爆破施工安全高效目標,優(yōu)化了隧道爆破開挖的循環(huán)進尺。結(jié)果表明:現(xiàn)場采用的開挖循環(huán)進尺為1.5m

6、時,臨近隧道襯砌結(jié)構(gòu)和跑道的最大主應(yīng)力均未達到的它們的極限抗拉強度，隧道支護結(jié)構(gòu)和跑道均處于安全狀態(tài)；采用13m不同循環(huán)進尺開挖爆破時,隧道斷面上方機場跑道各監(jiān)測點的有效應(yīng)力、最大主應(yīng)力和合成振動速度沿爆源正上方呈對稱分布,三者最大值均出現(xiàn)在爆源正上方,且隨循環(huán)進尺的增加而增大;不同循環(huán)進尺情況下,有效應(yīng)力、最大主應(yīng)力和合成振動速度均隨循環(huán)進尺的增加，呈現(xiàn)出先快后慢的增加趨勢，循環(huán)進尺小于2m時，增加速率大、而后變小;由于爆破應(yīng)力波在成型洞體表面發(fā)生反射作用,爆破應(yīng)力波在地表發(fā)生多次疊加,成型洞體對地表振動在一定范圍內(nèi)具有相對放大作用。(5)臨近已建隧道圍巖爆破動力響應(yīng)特征分析。采用波函數(shù)展開

7、法和多極坐標法,將爆破地震波簡化為柱面波,分析推導了柱面P波作用下隧道圍巖的動應(yīng)力集中系數(shù)的表達式。結(jié)合許家坪隧道爆破工程實際,從理論上分析了入射波頻率和比例距離r*對動應(yīng)力集中系數(shù)的影響。結(jié)果表明:入射波頻率對圍巖動應(yīng)力集中系數(shù)的幅值產(chǎn)生的影響顯著,而對其分布形式影響較小;爆源距離隧道較近時,迎爆側(cè)和背爆側(cè)的動應(yīng)力集中系數(shù)均較大,這與平面波分析的結(jié)果存在較大差別,說明爆心距較小時將柱面波簡化為平面波,其結(jié)果會產(chǎn)生較大誤差,但隨著爆心距的增加,兩者動應(yīng)力集中系數(shù)誤差會逐漸減小、且趨于一致。研究結(jié)果表明，r*=15可定義為柱面P波與平面P波的分界線，這為隧道爆破對鄰近隧道的影響分析及控制提供了依

8、據(jù)。(6)機場跑道爆破振動安全判據(jù)與振動效應(yīng)控制技術(shù)研究。根據(jù)機場跑道的結(jié)構(gòu)特點,基于應(yīng)力波傳播理論,對爆炸應(yīng)力波的傳播過程進行了理論分析,建立了爆破振動速度判據(jù)理論計算模型,并結(jié)合材料極限抗拉強度準則和下穿機場跑道隧道爆破工程實際,分析并提出了基于理論分析方法的機場跑道爆破振動速度安全判據(jù);根據(jù)機場跑道爆破動力響應(yīng)特征研究成果,研究并建立了機場跑道所受拉應(yīng)力峰值和振動速度峰值的關(guān)系模型,結(jié)合極限抗拉強度準則,計算分析了基于數(shù)值模擬方法的機場跑道爆破振動速度安全判據(jù);綜合對比理論分析求解結(jié)果與數(shù)值計算結(jié)果,在參考爆破安全規(guī)程(GB6722-2014)基礎(chǔ)上,提出了適用于許家坪機場跑道的爆破振動速度安全判據(jù)為8.0cm/s。為控制施工過程中的爆破振動,采用數(shù)值計算方法對1.0m-3.0m不同循環(huán)進尺與不同爆破藥量條件下的隧道爆破震動效應(yīng)進行了計算分析。研究表明,當采用不同循環(huán)進尺時,由于相同藥量時采用的裝藥集