CN107066753A - 浅埋隧道***施工地表质点峰值振速的预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及浅埋隧道***施工地表质点峰值振速的预测方法，首先基于“多孔等效单孔”得出多孔起爆条件下质点峰值振速理论公式并修正，然后对测点地表质点峰值振速进行线性回归分析，拟合参数与地形地质相关的系数和***振动衰减指数，带入多孔起爆条件下质点峰值振速理论公式，最后根据现场参数，带入到多孔起爆条件下质点峰值振速理论公式中，推算出地表质点的峰值振速。本发明在现有的单孔***的理论公式的基础上，对其进行修正得到多孔起爆条件下质点峰值振速理论公式，不仅能够反映诸如***性质、岩石性能、装药参数对质点峰值振速的影响，同时还能根据实际的***参数和地质情况，计算出地表固定点的***振动峰值振速。
Description
技术领域
本发明涉及隧道***施工安全技术领域，具体涉及一种浅埋隧道***施工地表质点峰值振速的预测方法。
背景技术
浅埋大断面隧道施工安全和下穿既有构筑物一直是隧道施工技术难点，广大科技工作者致力于研究隧道在浅埋、下穿既有构筑物地表质点峰值振速，并取得了很多成果。关于***施工对地表构筑物的影响，质点峰值振速是最重要的判别指标。然而，目前采用的预测地表质点峰值振速的方法存在着很多的缺陷和不足。
目前最常用的办法是采用传统的萨道夫公式或改进的萨道夫公式，通过试验获得相关数据来拟合参数k和a，得到符合工程实际的质点峰值振速衰减公式，进而预测下一次***中质点峰值振速。传统的萨道夫斯基公式仅仅只能反映装药量这一单一因素对质点峰值振速的影响，而并不能考虑***性质、岩石性能等对质点峰值振速的影响。
发明内容
本发明的目的是提供一种浅埋隧道***施工地表质点峰值振速的预测方法，考虑因素更为全面、预测结果更为精确。
本发明所采用的技术方案为：
浅埋隧道***施工地表质点峰值振速的预测方法，其特征在于：
包括以下步骤：
步骤一：根据现有的单孔***质点振动峰值的计算公式，引入多孔***等效为单孔***的原理，得出多孔起爆条件下质点峰值振速理论公式，然后根据实际施工时的***参数和工程地质情况修正等效弹性边界质点峰值振速和等效半径；
步骤二：根据现场***振动监测，采集测点地表质点峰值振速，然后将采集到的数据采用统计分析软件进行线性回归分析，拟合参数与地形地质相关的系数和***振动衰减指数，带入多孔起爆条件下质点峰值振速理论公式；
步骤三：根据现场已知炮孔半径、***密度、装药直径、地表质点与爆源之间的距离，带入到多孔起爆条件下质点峰值振速理论公式中，推算出地表质点的峰值振速。
步骤一中，多孔***等效为单孔***的过程为：
将多个炮孔***形成的整个非弹性区等效为爆源考虑，多个集中炮孔同时***使用单个炮孔***代替，并将等效***荷载施加到等效弹性边界上；忽略多个炮孔***时的相互作用，则每个掏槽孔***均相当于在半无限介质中起爆，所以多个掏槽孔起爆时等效弹性边界可近似认为为各孔破碎区的包络线。
步骤一的具体步骤为：
(1.1)在完全弹性体内，实际单个炮孔引爆后会在岩体中激发沿径向外传的柱面波，传播的过程中的质点峰值振速v满足：
式中rb为炮孔半径；R为爆心距；p0为******炮孔壁受到的压力峰值；ρ0为岩石密度；CL为弹性纵波波速；
(1.2)通过下式证明式(01)的有效性：
式中k为与地形地质相关的系数，a为***振动衰减指数；v0炮孔壁上即rb＝R时质点峰值振速；C0为岩石纵波波速；
(1.2)多孔起爆时，多孔起爆条件下质点峰值振速式为：
v＝k'kv0(rb/R)α (03)
式中k'为多孔同段位起爆下的修正系数；
对式(03)进行修正：
式中ve为等效弹性边界质点峰值振速；re等效半径；pe等效峰值压力；
(1.3)单个炮孔周围岩体中传播的应力波式以指数的形式衰减，此时等效掏槽孔孔壁上受到等效峰值压力pe按下式计算：
式中pe为多炮孔等效炮孔壁上等效峰值压力；p0为单炮孔***炮孔壁峰值压力；η为多孔起爆时荷载影响系数；rb为炮孔半径；r1和r2为粉碎区、破碎区半径，柱状常规******时，粉碎区半径为装药半径的3-5倍，破碎区半径为装药半径的10-15倍；μ为岩石动泊松比；
(1.4)下单炮孔的炮孔壁峰值压力p0采用下式计算：
式中ρe为***密度；D为***爆轰速度；γ为等熵指数，取3；dc为装药直径；db为炮孔直径；
(1.5)多孔起爆荷载影响系数η采用下式计算：
式中n为掏槽孔个数；rb为破碎区半径；re为掏槽孔等效弹性边界半径；
多孔起爆条件下质点峰值振速理论公式修正为：
本发明具有以下优点：
本发明在现有的单孔***的理论公式的基础上，对其进行修正得到多孔起爆条件下质点峰值振速理论公式，运用该公式不仅能够反映诸如***性质、岩石性能、装药参数对质点峰值振速的影响，同时还能根据实际的***参数和地质情况，计算出地表固定点的***振动峰值振速。
附图说明
图1为实测数据回归拟合曲线。
图2为掏槽孔等效弹性边界示意图。
图3为本发明实施例路面质点峰值振速监测布点示意图。
图4为ZK159+733左上关键点Z向质点峰值振速(关键点3Z向质点峰值振速0.89cm/s)。
图5为ZK159+733左上关键点Z向质点峰值振速(关键点1Z向质点峰值振速1.32cm/s)。
图6为ZK159+733左上关键点Z向质点峰值振速(关键点0Z向质点峰值振速0.71cm/s)。
图7为ZK159+733左上关键点Z向质点峰值振速(关键点2Z向质点振速0.52cm/s)。
图8为ZK159+733左上关键点Z向质点峰值振速(关键点4Z向质点振速0.36cm/s)。
图9为ZK159+733右上关键点Z向质点峰值振速(关键点3Z向质点峰值振速0.55cm/s)。
图10为ZK159+733右上关键点Z向质点峰值振速(关键点1Z向质点峰值振速0.85cm/s)。
图11为ZK159+733右上关键点Z向质点峰值振速(关键点0Z向质点峰值振速1.17cm/s)。
图12为ZK159+733右上关键点Z向质点峰值振速(关键点2Z向质点峰值振速1.24cm/s)。
图13为ZK159+733右上关键点Z向质点峰值振速(关键点4Z向质点峰值振速0.73cm/s)。
图14为为本发明实施例采用SPSS软件线性拟合输出结果文件。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。
本发明涉及的浅埋隧道***施工地表质点峰值振速的预测方法，是能够综合考虑***性能、岩石性质等因素的隧道***质点峰值振速预测方法，包括以下步骤：
步骤一：根据现有的单孔***质点振动峰值的计算公式，引入多孔***等效为单孔***的原理，得出多孔起爆条件下质点峰值振速理论公式，然后根据实际施工时的***参数和工程地质情况修正等效弹性边界质点峰值振速和等效半径；
步骤二：根据现场***振动监测，采集测点地表质点峰值振速，然后将采集到的数据采用统计分析软件进行线性回归分析，拟合参数与地形地质相关的系数和***振动衰减指数，带入多孔起爆条件下质点峰值振速理论公式；
步骤三：根据现场已知炮孔半径、***密度、装药直径、地表质点与爆源之间的距离，带入到多孔起爆条件下质点峰值振速理论公式中，推算出地表质点的峰值振速。
上述步骤的具体计算过程如下：
1.在完全弹性体内，实际单个炮孔引爆后会在岩体中激发沿径向外传的柱面波，传播的过程中的质点峰值振速v满足：
式中rb为炮孔半径；R为爆心距；p0为******炮孔壁受到的压力峰值；ρ0为岩石密度。但是式(01)仅仅是理论计算的结果，运用到实际***振动质点峰值振速的计算中，需要对式(01)依据实际情况进行修正。
2.考虑应力波在实际岩体中的传播特征，并结合球面波及长柱状药子波理论和Heelan短柱状药包激发的应力波场解析解，前人提出在单孔***理论公式，并通过室内外资料和数值模拟结果初步证明了该式的有效性，具体为：
式中k为与地形地质相关的系数，α为***振动衰减指数，k和α一般通过现场试验来确定；v0炮孔壁上即rb＝R时质点峰值振速；C0为岩石纵波波速。
同时，对多孔起爆时，质点峰值振速进行了研究，如下式所示：
v＝k'kv0(rb/R)α (03)
式中k'为多孔同段位起爆下的修正系数，与同段炮孔起爆数目，计算点与炮孔连线的位置等因素有关。
3.在实际***过程中，运用式(03)计算***质点峰值振速比较困难，主要存在以下主要问题：
(1)实际隧道***过程中，往往是多孔多段起爆，炮孔直径有时也不完全相同；装药不耦合系数也有差异，导致炮孔壁上压力峰值也不相同，并且是多段***起爆，因此难以确定rb和p0。
(2)从目前文献来看，关于多孔同时起爆条件下的修正系数并没有明确的计算公式或取值。有学者提出当爆心距大于400倍的炮孔半径时，多孔影响系数可近似取炮孔数目，但并未给出具体推理过程和原因，因此多孔影响系数k’难以确定。
4.鉴于上述原因，对式(03)进行修正，具体思路如下：
(1)针对rb和p0难以确定的情况，仅考虑首段即掏槽眼***产生的影响。根据工程经验和相关文献，一般情况下掏槽眼***时产生的振动最大，这是因为掏槽眼***时仅有一个临空面，岩石夹制作用很大并且***量集中，导致围岩振动很大；辅助眼***时，较掏槽多了一个临空面，装药总量虽多但位置分散，导致产生的***振动效应较少；周边眼往往采用不耦合不连续装药，且装药量一般为辅助孔的1/3～1/2，产生的***振动较少。同时隧道***段位选择一般跳段选用，掏槽眼与后续炮眼起爆时间相差40～50ms，相关研究表明在隧道***过程中，二次临空面的形成约为40ms，故可近似忽略后续***的影响，仅考虑掏槽眼***的影响。对于浅埋隧道围岩一般较差，掏槽眼斜插角度一般为70°～75°，角度正弦值为0.94～0.97，故可忽略外插角度的影响。因此，对于rb和p0应该仅考虑对***振动影响最大掏槽眼的影响。
(2)针对k'难以确定的情况，可将多个炮孔***形成的整个非弹性区等效成单个爆源考虑。在强烈的***作用下，爆源近区进行着复杂的变化过程，炮孔周边的岩体根据其破坏的程度可以分为粉碎区、破碎区和弹性振动区，将多个炮孔***形成的整个非弹性区等效为爆源考虑，多个集中炮孔同时***使用单个炮孔***代替，并将等效***荷载施加到等效弹性边界上。忽略多个炮孔***时的相互作用，则每个掏槽孔***均相当于在半无限介质中起爆，所以多个掏槽孔起爆时等效弹性边界可近似认为为各孔破碎区的包络线。因此，多孔起爆影响系数k'可以等效的方法来考虑。
基于此，多孔起爆条件下质点峰值振速式(03)可修正为：
式中ve为等效弹性边界质点峰值振速；re等效半径；pe等效峰值压力。
5.单个炮孔周围岩体中传播的应力波式以指数的形式衰减，此时等效掏槽孔孔壁上受到等效峰值压力pe按下式计算：
式中pe为多炮孔等效炮孔壁上等效峰值压力；p0为单炮孔***炮孔壁峰值压力；η为多孔起爆时荷载影响系数，与掏槽孔的个数和炮孔布置有关；rb炮孔半径；r1和r2为粉碎区、破碎区半径，柱状常规******时，粉碎区半径为装药半径的3～5倍，破碎区半径为装药半径的10～15倍；μ为岩石动泊松比。
6.隧道***时常采用不耦合装药结构，根据凝聚态***爆轰Chapman-Jouguet理论，不耦合装药条件下单炮孔的炮孔壁峰值压力p0一般采用下式计算：
式中ρe为***密度；D为***爆轰速度；γ为等熵指数，一般取3；dc为装药直径；db为炮孔直径。
7.多孔起爆荷载影响系数η可采用下式计算：
式中n为掏槽孔个数；rb为破碎区半径；re为掏槽孔等效弹性边界半径。
综上所述，对于多孔起爆条件下质点峰值振速理论公式可修正为：
式中各参数的选取如前文所述。
8.在***振动断面上方进行***振动监测，根据实际***场地地形地质条件计算修正公式03中的ve和re。
9.获得***振动监测数据后采用统计分析软件进行线性回归拟合参数k、α，进而获得符合工程实际地形地质状况的完整公式。
10.根据下一次***的实际装药情况，可采用本公式预测下次***临近建筑物***振动质点峰值振速。
实施例
浅埋大断面隧道施工时，以CRD施工方法居多，故本发明以CRD施工方法为例。在CRD施工过程中，整个开挖***分为四个部分。隧道在左上导坑、右上导坑部分***时，对既有构筑物的影响较第左下导坑、右下导坑部分大得多，所以以监测左上导坑、右上导坑部分为主；具体实施步骤如下：
(1)根据试***，设定***振动测试的上下限参数。本实施例在测试之前，通过现场试***得到隧道***最大振速为8cm/s。为了保证有效采集到信号，并避免干扰信号致使仪器误触发，将触发电平值设为振动幅度的20％，即0.4cm/s。由于每次***时间都在1s左右，故***振动仪周期设置为2s；延时设置为-100ms。
(2)***振动仪的现场安装。本实施例在测试前，配制水灰比为1：3.5的石膏浆，将传感器固定在测点上，并使传感器X轴平行于***面，Y轴指向***面方向，Z轴垂直于水平面布设。
(3)数据采集。安装好仪器之后，点击数据采集，然后到安全区域等待仪器触发。ZK159+733断面***振动测试结果如表01所示。
表01第一组***试验关键点振动速度幅值及相关参数
(4)采用本文提出的修正公式进行计算。选用提出的公式(08)进行回归计算；粉碎区、破碎区半径取较大值，装药参数依照实际掏槽孔装药情况选取；***密度、爆速依据《***手册》选取，V级围岩岩石密度依照规范《公路隧道设计规范(JTG D70-2014)》选用和纵波波速依照规范《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范(GB50086-2015)》，计算参数如表02所示。
表02计算参数选取
采用SPSS软件进行线性回归计算，回归公式类型为幂函数y＝axb(a＞0)，首先需将幂函数直线化：y*＝a*+bx*；其中y*＝In y，a*＝In a，x*＝In x。
进行回归计算可得实测数据回归拟合曲线(图1)。
计算结果输出结果如下表03：
表03线性回归输出结果
| 模型 | R | R方 | 调整R方 | 标准估计误差 | 常量a | 常量b |
| 1 | 0.870 | 0.757 | 0.727 | 0.21874 | 7.227 | 2.616 |
根据现场测试的10个测试点振动速度测试结果，拟合曲线为：v＝1399.14(re/R)2.62；同时对测试结果进行分析，相关系数r＝0.87，决定系数r2＝0.73表示回拟合曲线v＝1339.14(re/R)2.62能反应路面质点峰值振速分布情况。
(5)为了验证公式的可靠性，在新建隧道右洞YK159+801断面左上导坑和左下导坑***进行第二组试验***，将实际监测结果与修正公式计算结果进行对比分析如下表04所示。
表04第二组***试验的质点峰值振速及修正公式预测值
由实测结果和公式计算结果对比分析可知，公式计算结果和实测结果都表明左上导坑***时，关键点1处质点振速峰值最大，计算值与实际值相差0.43cm/s；右上导坑***时，关键点03质点峰值振速最大，计算值与实际值相差0.25cm/s。左上导坑***时，计算值与实测值相对误差最小为4.6％，平均相对误差为17.30％；右上导坑***时，计算值与实测值相对误差最小为1.02％，平均相对误差为16.15％；10个地表质点峰值实测值与计算值平均相对误差为16.72％。计算值与实测值误差较少，证明该式在一定程度上能够反应***振动对既有道路的影响。
本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。
Claims (3)
1.浅埋隧道***施工地表质点峰值振速的预测方法，其特征在于：
包括以下步骤：
步骤一：根据现有的单孔***质点振动峰值的计算公式，引入多孔***等效为单孔***的原理，得出多孔起爆条件下质点峰值振速理论公式，然后根据实际施工时的***参数和工程地质情况修正等效弹性边界质点峰值振速和等效半径；
步骤二：根据现场***振动监测，采集测点地表质点峰值振速，然后将采集到的数据采用统计分析软件进行线性回归分析，拟合参数与地形地质相关的系数和***振动衰减指数，带入多孔起爆条件下质点峰值振速理论公式；
步骤三：根据现场已知炮孔半径、***密度、装药直径、地表质点与爆源之间的距离，带入到多孔起爆条件下质点峰值振速理论公式中，推算出地表质点的峰值振速。
2.根据权利要求1所述的浅埋隧道***施工地表质点峰值振速的预测方法，其特征在于：
步骤一中，多孔***等效为单孔***的过程为：
将多个炮孔***形成的整个非弹性区等效为爆源考虑，多个集中炮孔同时***使用单个炮孔***代替，并将等效***荷载施加到等效弹性边界上；忽略多个炮孔***时的相互作用，则每个掏槽孔***均相当于在半无限介质中起爆，所以多个掏槽孔起爆时等效弹性边界可近似认为为各孔破碎区的包络线。
3.根据权利要求2所述的浅埋隧道***施工地表质点峰值振速的预测方法，其特征在于：
步骤一的具体步骤为：
(1.1)在完全弹性体内，实际单个炮孔引爆后会在岩体中激发沿径向外传的柱面波，传播的过程中的质点峰值振速v满足：
<mrow>
<mi>v</mi>
<mo>=</mo>
<msqrt>
<mfrac>
<msub>
<mi>r</mi>
<mi>b</mi>
</msub>
<mi>R</mi>
</mfrac>
</msqrt>
<mfrac>
<msub>
<mi>p</mi>
<mn>0</mn>
</msub>
<mrow>
<msub>
<mi>&rho;</mi>
<mn>0</mn>
</msub>
<msub>
<mi>C</mi>
<mi>L</mi>
</msub>
</mrow>
</mfrac>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>01</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
式中rb为炮孔半径；R为爆心距；p0为******炮孔壁受到的压力峰值；ρ0为岩石密度；CL为弹性纵波波速；
(1.2)通过下式证明式(01)的有效性：
<mrow>
<mfenced open = "{" close = "">
<mtable>
<mtr>
<mtd>
<mrow>
<mi>v</mi>
<mo>=</mo>
<msub>
<mi>kv</mi>
<mn>0</mn>
</msub>
<msup>
<mrow>
<mo>(</mo>
<msub>
<mi>r</mi>
<mi>b</mi>
</msub>
<mo>/</mo>
<mi>R</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mi>&alpha;</mi>
</msup>
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</mtd>
</mtr>
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<mi>v</mi>
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</mfenced>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>02</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
式中k为与地形地质相关的系数，α为***振动衰减指数；v0炮孔壁上即rb＝R时质点峰值振速；C0为岩石纵波波速；
(1.2)多孔起爆时，多孔起爆条件下质点峰值振速式为：
v＝k'kv0(rb/R)α (03)
式中k'为多孔同段位起爆下的修正系数；
对式(03)进行修正：
<mrow>
<mfenced open = "{" close = "">
<mtable>
<mtr>
<mtd>
<mrow>
<mi>v</mi>
<mo>=</mo>
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<mn>0</mn>
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</mfenced>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>04</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
式中ve为等效弹性边界质点峰值振速；re等效半径；pe等效峰值压力；
(1.3)单个炮孔周围岩体中传播的应力波式以指数的形式衰减，此时等效掏槽孔孔壁上受到等效峰值压力pe按下式计算：
<mrow>
<msub>
<mi>p</mi>
<mi>e</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
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<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
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<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>05</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
式中pe为多炮孔等效炮孔壁上等效峰值压力；p0为单炮孔***炮孔壁峰值压力；η为多孔起爆时荷载影响系数；rb为炮孔半径；r1和r2为粉碎区、破碎区半径，柱状常规******时，粉碎区半径为装药半径的3-5倍，破碎区半径为装药半径的10-15倍；μ为岩石动泊松比；
(1.4)下单炮孔的炮孔壁峰值压力p0采用下式计算：
<mrow>
<msub>
<mi>p</mi>
<mn>0</mn>
</msub>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
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<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>06</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
式中ρe为***密度；D为***爆轰速度；γ为等熵指数，取3；dc为装药直径；db为炮孔直径；
(1.5)多孔起爆荷载影响系数η采用下式计算：
<mrow>
<mi>&eta;</mi>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<msubsup>
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<mn>2</mn>
<mn>2</mn>
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</msup>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
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<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>07</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
式中n为掏槽孔个数；rb为破碎区半径；re为掏槽孔等效弹性边界半径；
多孔起爆条件下质点峰值振速理论公式修正为：
<mrow>
<mfenced open = "{" close = "">
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<mrow>
<mi>v</mi>
<mo>=</mo>
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2
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| Luo et al. | Numerical analysis about blasting effect of digital detonator and millisecond detonator in upper and lower cross tunnels | |
| Deák et al. | Excavation damage zone behaviour under dynamic loading | |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20170818 |