浅埋隧道爆破的地表震动效应研究

论文摘要

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

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 问题的提出及选题意义
• 1.2 工程爆破震动效应的研究现状
• 1.2.1 爆破地震波特征及传播规律研究
• 1.2.2 爆破震动强度的预测研究
• 1.2.3 爆破震动安全评估研究
• 1.2.4 结构在爆破地震作用下的动力响应研究
• 1.2.5 爆破震动强度的影响因素及降震措施研究
• 1.3 隧道爆破震动效应的研究现状
• 1.4 隧道爆破震动效应研究展望
• 1.5 本文主要研究内容与方法
• 第2章 浅埋隧道掘进爆破的地表震动效应试验研究
• 2.1 概述
• 2.2 渝怀铁路人和场隧道工程概况
• 2.2.1 工程简介
• 2.2.2 工程地质概况
• 2.3 人和场隧道掘进爆破的地表震动效应试验
• 2.3.1 试验条件
• 2.3.2 测量方法
• 2.3.3 试验方案
• 2.3.4 震动监测结果
• 2.4 人和场隧道掘进爆破引起的地表震动分析
• 2.4.1 地表震动特性分析
• 2.4.2 地表震动衰减规律分析
• 2.5 本章小结
• 第3章 浅埋隧道掘进爆破地表震动数值模拟研究
• 3.1 概述
• 3.2 采用有限元法模拟爆破震动的几个关键问题
• 3.2.1 爆破动荷载下的岩体本构模型
• 3.2.2 荷载的加载模型
• 3.2.3 岩体介质的阻尼效应
• 3.2.4 边界条件处理
• 3.3 浅埋隧道掘进爆破地表震动效应的数值模拟
• 3.3.1 模型建立与参数选取
• 3.3.2 计算结果与分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 隧道爆破的震动空洞效应及其规律研究
• 4.1 概述
• 4.2 爆破震动空洞效应及其变化规律
• 4.2.1 空洞效应的定量描述
• 4.2.2 空洞效应沿隧道纵向的变化规律分析
• 4.3 爆破震动空洞效应的影响因素及其影响规律分析
• 4.3.1 隧道埋深对空洞效应的影响
• 4.3.2 隧道断面尺寸对空洞效应的影响
• 4.3.3 隧道周壁爆破振动荷载对空洞效应的影响
• 4.4 隧道爆破震动空洞效应对爆破方案选择的影响分析
• 4.4.1 空洞效应对震动安全评判的影响
• 4.4.2 空洞效应对震动安全距离的影响
• 4.5 本章小结
• 第5章 爆破地震作用下结构的动力响应研究
• 5.1 概述
• 5.2 结构在爆破地震作用下的动力响应
• 5.3 爆破地震波特征参数对结构振动响应的影响分析
• 5.3.1 爆破地震波频率对结构振动响应的影响
• 5.3.2 爆破地震波持时对结构振动响应的影响
• 5.4 爆破地震波频率和结构固有频率对结构响应的耦合作用分析
• 5.4.1 频比系数及其对结构振动响应的影响
• 5.4.2 结构振动敏感谐波及其对结构振动响应的影响
• 5.5 将频比系数纳入评估指标的爆破振动安全判据
• 5.6 本章小结
• 第6章 浅埋隧道爆破引起的建筑物响应数值模拟与监测分析
• 6.1 概述
• 6.2 浅埋隧道爆破引起的地表结构响应数值计算
• 6.2.1 计算模型与计算参数
• 6.2.2 计算原理
• 6.2.3 计算结果及分析
• 6.3 隧道爆破时的地表高层建筑物振动响应监测与分析
• 6.3.1 现场爆破监测条件
• 6.3.2 测试系统和测点布置
• 6.3.3 楼层振动响应监测结果
• 6.3.4 楼层振动响应监测结果分析
• 6.4 本章小结
• 第7章 下穿建筑物的浅埋隧道爆破技术及应用
• 7.1 概述
• 7.2 人和场隧道全断面掘进爆破及地表震动监测
• 7.2.1 全断面掘进爆破技术
• 7.2.2 全断面掘进爆破的地表震动监测与分析
• 7.3 人和场隧道下穿建筑物的爆破技术研究
• 7.3.1 全断面掘进爆破引起的地表震动预测
• 7.3.2 半断面掘进爆破技术及其地表震动预测
• 7.3.3 半断面掘进爆破的地表震动效应试验
• 7.4 人和场隧道下穿建筑物的掘进爆破及震动控制效果
• 7.4.1 隧道下穿建筑物的掘进爆破
• 7.4.2 掘进爆破震动控制效果
• 7.5 本章小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文及科研成果