下穿機(jī)場(chǎng)跑道隧道爆破動(dòng)力效應(yīng)及控制

1、下穿機(jī)場(chǎng)跑道隧道爆破動(dòng)力效應(yīng)及控制目前,我國(guó)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(wèn)題也將十分突出。從這樣的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看,目前尚屬罕見的下穿機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)鉆爆法施工的隧道工程,也將會(huì)不斷增多。下穿機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)的隧道爆破施工,爆破產(chǎn)生的動(dòng)力效應(yīng)必然會(huì)對(duì)機(jī)場(chǎng)跑道的安全運(yùn)營(yíng)以及已建隧道的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響,客觀認(rèn)識(shí)下穿隧道爆破地震波傳播規(guī)律及其動(dòng)力作用特征,合理評(píng)價(jià)和控制爆破振動(dòng)有害效應(yīng)是這類爆破施工中急需解決的關(guān)鍵科技問(wèn)題。論文結(jié)合下穿恩施機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)的許家坪隧道工程實(shí)際,采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、數(shù)值模擬、理論計(jì)算分析相結(jié)合的綜合研究方法,圍繞

2、“下穿機(jī)場(chǎng)跑道隧道爆破動(dòng)力效應(yīng)及控制”這一主題,開展了隧道圍巖、支護(hù)結(jié)構(gòu)以及機(jī)場(chǎng)跑道結(jié)構(gòu)等力學(xué)參數(shù)反演,機(jī)場(chǎng)跑道爆破振動(dòng)預(yù)測(cè)模型,隧道爆破動(dòng)力特性,爆破作用下機(jī)場(chǎng)跑道以及臨近隧道圍巖爆破動(dòng)力響應(yīng)特征,機(jī)場(chǎng)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?jī)?nèi)容和成果如下:(1)隧道結(jié)構(gòu)與機(jī)場(chǎng)跑道力學(xué)參數(shù)反演研究。依據(jù)巖土勘察資料和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),綜合運(yùn)用正交試驗(yàn)法、有限差分法以及BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對(duì)隧道圍巖體、支護(hù)結(jié)構(gòu)以及機(jī)場(chǎng)跑道結(jié)構(gòu)的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了反演分析,獲得了隧道圍巖、支護(hù)結(jié)構(gòu)以及機(jī)場(chǎng)跑道的力學(xué)參數(shù),為后續(xù)爆破動(dòng)力數(shù)值模擬與理論計(jì)算提供了合理的參數(shù)依據(jù)。(2)機(jī)場(chǎng)跑道爆破振動(dòng)測(cè)試分析。根據(jù)隧道開

3、挖爆破技術(shù)特點(diǎn)與周邊環(huán)境條件,并制定了隧道爆破開挖過(guò)程中的爆破振動(dòng)測(cè)試方案,進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)爆破振動(dòng)測(cè)試;依據(jù)測(cè)試結(jié)果,對(duì)爆破振動(dòng)特征進(jìn)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(dòng)速度預(yù)測(cè)模型。測(cè)試分析表明,隧道開挖爆破期間,最大振動(dòng)速度為1.328cm/s,未超過(guò)預(yù)先規(guī)定的3cm/s的爆破振動(dòng)速度控制值,施工過(guò)程中機(jī)場(chǎng)跑道的爆破振動(dòng)得到了有效控制在X方向、Y方向以及Z方向3個(gè)方向上的爆破振動(dòng)主震頻率分布不一致,其中X、Y方向最小振動(dòng)頻率為35Hz左右,Z方向最小振動(dòng)頻率為43Hz左右，這與隧道、機(jī)場(chǎng)跑道等建構(gòu)筑結(jié)構(gòu)的固有頻率相差較大,不會(huì)產(chǎn)生共振放大現(xiàn)象。(3)隧道開挖爆破動(dòng)力荷載特性研

4、究。為獲得遠(yuǎn)區(qū)爆破振動(dòng)數(shù)值分析的等效爆炸荷載,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)爆破設(shè)計(jì)方案,基于動(dòng)力有限元數(shù)值模擬方法和理論力學(xué)中的合力矩定理，計(jì)算分析了3cmi5cmi10cmi20cmi40cm50cm等不同邊長(zhǎng)條形藥包以及隧道全斷面開挖爆破的動(dòng)力荷載特性,對(duì)比分析了不同爆源條件下的爆破動(dòng)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(dòng)應(yīng)力均具有隨爆心距增大而衰減，且近區(qū)衰減快、遠(yuǎn)區(qū)衰減慢的變化特征。其中，邊長(zhǎng)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(yuǎn)區(qū)的計(jì)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(lái)越小,且最小差值為0.037MPa;同時(shí)，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)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(lái)越小,最小差值為0.002cm/s。研究結(jié)果為隧道爆破遠(yuǎn)區(qū)動(dòng)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(jī)場(chǎng)跑道動(dòng)力響應(yīng)特征研究。基于全斷面爆破荷載等效模型,建立了不同循環(huán)進(jìn)尺隧道爆破開挖的數(shù)值計(jì)算模型,分析了隧道循環(huán)爆破動(dòng)載作用下的機(jī)場(chǎng)跑道動(dòng)力響應(yīng)機(jī)理,評(píng)價(jià)了爆破應(yīng)力波傳播路徑上的臨近已建隧道以及機(jī)場(chǎng)跑道在爆破施工過(guò)程中的安全性,本著爆破施工安全高效目標(biāo),優(yōu)化了隧道爆破開挖的循環(huán)進(jìn)尺。結(jié)果表明:現(xiàn)場(chǎng)采用的開挖循環(huán)進(jìn)尺為1.5m

6、時(shí),臨近隧道襯砌結(jié)構(gòu)和跑道的最大主應(yīng)力均未達(dá)到的它們的極限抗拉強(qiáng)度，隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)和跑道均處于安全狀態(tài)；采用13m不同循環(huán)進(jìn)尺開挖爆破時(shí),隧道斷面上方機(jī)場(chǎng)跑道各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的有效應(yīng)力、最大主應(yīng)力和合成振動(dòng)速度沿爆源正上方呈對(duì)稱分布,三者最大值均出現(xiàn)在爆源正上方,且隨循環(huán)進(jìn)尺的增加而增大;不同循環(huán)進(jìn)尺情況下,有效應(yīng)力、最大主應(yīng)力和合成振動(dòng)速度均隨循環(huán)進(jìn)尺的增加，呈現(xiàn)出先快后慢的增加趨勢(shì)，循環(huán)進(jìn)尺小于2m時(shí)，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(duì)地表振動(dòng)在一定范圍內(nèi)具有相對(duì)放大作用。(5)臨近已建隧道圍巖爆破動(dòng)力響應(yīng)特征分析。采用波函數(shù)展開

7、法和多極坐標(biāo)法,將爆破地震波簡(jiǎn)化為柱面波,分析推導(dǎo)了柱面P波作用下隧道圍巖的動(dòng)應(yīng)力集中系數(shù)的表達(dá)式。結(jié)合許家坪隧道爆破工程實(shí)際,從理論上分析了入射波頻率和比例距離r*對(duì)動(dòng)應(yīng)力集中系數(shù)的影響。結(jié)果表明:入射波頻率對(duì)圍巖動(dòng)應(yīng)力集中系數(shù)的幅值產(chǎn)生的影響顯著,而對(duì)其分布形式影響較小;爆源距離隧道較近時(shí),迎爆側(cè)和背爆側(cè)的動(dòng)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(shuō)明爆心距較小時(shí)將柱面波簡(jiǎn)化為平面波,其結(jié)果會(huì)產(chǎn)生較大誤差,但隨著爆心距的增加,兩者動(dòng)應(yīng)力集中系數(shù)誤差會(huì)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(duì)鄰近隧道的影響分析及控制提供了依

8、據(jù)。(6)機(jī)場(chǎng)跑道爆破振動(dòng)安全判據(jù)與振動(dòng)效應(yīng)控制技術(shù)研究。根據(jù)機(jī)場(chǎng)跑道的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),基于應(yīng)力波傳播理論,對(duì)爆炸應(yīng)力波的傳播過(guò)程進(jìn)行了理論分析,建立了爆破振動(dòng)速度判據(jù)理論計(jì)算模型,并結(jié)合材料極限抗拉強(qiáng)度準(zhǔn)則和下穿機(jī)場(chǎng)跑道隧道爆破工程實(shí)際,分析并提出了基于理論分析方法的機(jī)場(chǎng)跑道爆破振動(dòng)速度安全判據(jù);根據(jù)機(jī)場(chǎng)跑道爆破動(dòng)力響應(yīng)特征研究成果,研究并建立了機(jī)場(chǎng)跑道所受拉應(yīng)力峰值和振動(dòng)速度峰值的關(guān)系模型,結(jié)合極限抗拉強(qiáng)度準(zhǔn)則,計(jì)算分析了基于數(shù)值模擬方法的機(jī)場(chǎng)跑道爆破振動(dòng)速度安全判據(jù);綜合對(duì)比理論分析求解結(jié)果與數(shù)值計(jì)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(jī)場(chǎng)跑道的爆破振動(dòng)速度安全判據(jù)為8.0cm/s。為控制施工過(guò)程中的爆破振動(dòng),采用數(shù)值計(jì)算方法對(duì)1.0m-3.0m不同循環(huán)進(jìn)尺與不同爆破藥量條件下的隧道爆破震動(dòng)效應(yīng)進(jìn)行了計(jì)算分析。研究表明,當(dāng)采用不同循環(huán)進(jìn)尺時(shí),由于相同藥量時(shí)采用的裝藥集