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水工隧洞爆破土木工程施工振动对邻近边坡的影响研究

论文编号:lw201704072137322782 所属栏目:土木工程论文 发布日期:2018年02月25日 论文作者:无忧论文网
第一章   绪论 

1.1  问题的提出及研究意义 
随着西部大开发战略的实施,我国的水利水电工程得到了迅速发展,在水利水电工程大力开发的过程中,在我国许多地区尤其是西部地区修建了大量的水利工程。由于水利工程的特殊性,大多数水资源丰富的地区处于在高山峡谷地区,因此在修建水利工程基础设施中会产生大量的高边坡,同时还需要大量的地下洞室施工,例如水工隧洞、地下厂房等。 作为水利枢纽中重要的组成部分,水工隧洞是输水建筑物的主要类型之一,可分为导流隧洞、排沙隧洞、泄洪隧洞、尾水隧洞、发电引水隧洞、输水和灌溉渠道隧洞等多种类型。在水工隧洞开挖过程中,钻孔爆破法运用最为广泛,该施工方法对地质条件适应性强、开挖成本低,而且特别适用于坚硬岩石隧洞、破碎岩石隧洞及短隧洞的施工。由于爆破过程作用机理复杂,炸药在岩土介质中爆炸时除了对介质做功消耗能量外,还有一部分能量形成爆破振动波,爆破振动对隧洞本身以及其它相关的建筑物均会造成一定的影响。爆破开挖作为地下工程的第一步工序,它的成败与好坏将直接影响到整个工程。 在水工隧洞的爆破施工中,有几类安全问题需要设计和工程人员的足够重视,一是隧洞的爆破对围岩应力场重分布造成的影响;二是隧洞爆破开挖产生振动对邻近隧洞造成的破坏问题;三是隧洞爆破开挖产生的振动效应对邻近岩质边坡造成的破坏问题。水利水电行业要求爆破施工对基岩的保护、对邻近建筑物的控制较其它行业更为严格,这使得科学合理地控制水工隧洞爆破的振动影响变得十分重要。 对于隧洞爆破开挖对周边建筑物及构筑物的影响而言,国内外学者已做了大量的研究,且大多是针对隧洞爆破对既有隧洞的影响的研究,关于爆破对边坡的影响,大多也是针对边坡爆破开挖条件下对边坡本身或对周边建(构)筑物的影响。对于隧洞(道)掘进爆破开挖产生的振动对邻近边坡的影响研究较少,对于水工傍山隧洞,隧洞距边坡坡面较近,而坡面往往又是工程上需要加以保护的防振区。因此,探讨水工隧洞爆破对邻近边坡的影响,研究隧洞爆破对边坡坡面的振动效应,对于爆破振动的预测和防护具有一定的实际价值。
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1.2  国内外研究现状

爆破过程中岩体在冲击波、应力波与爆破气体共同作用下发生损伤、破裂、破坏[1]-[2]。岩体最先受到冲击波的作用并将岩石压碎,随后爆炸产生的环向拉应力使岩石破裂,最终爆破产生的气体的膨胀使岩体裂缝扩展。爆破中根据爆破的发生的进程,爆破区域划可分为爆破近区(压碎区)、爆破中区(破裂区)、爆破远区(振动区)[3]。在爆破施工过程中,破裂区是影响岩体破坏的关键性部分,虽然破裂区部分的岩体并未完全破碎,但受到爆破作用的岩体出现的大量裂缝导致岩体的承载力大幅度下降,已经无法满足相关工程承载要求。振动区位于破裂区的外围,相比破裂区并未出现宏观裂缝,但岩体出现损伤劣化,承载能力及稳定性都会相应降低。 近几十年来,岩体的爆破机理研究逐渐趋于成熟,但还有很多尚未查明。目前岩体爆破机理的研究主要包括以下几种观点: (1)  岩石的破坏的主要原因是爆炸后产生的爆轰气体向外膨胀的压力造成的。 (2)  岩石的破坏的主要原因是自由面上应力波反射转化为拉伸波造成的。 (3)  岩石的破坏的主要原因是应力波和爆轰气体共同作用造成的。 (4)  岩石的破坏的主要是岩体中潜在的损伤缺陷逐渐劣化,最终导致破裂。  

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第二章   爆破振动传播特性及安全判据分析 

2.1  爆破振动波传播机制
爆破振动波是一种复杂的随机复合波,根据地震波传播路径的差异,分为体波和面波两种形式的波,体波传播于岩体的内部,它又分为纵波(P 波)和横波(S 波),在 P 波传播过程中,介质中质点的运动形式为压缩-拉伸变形,质点运动轨迹方向与其传播方向相同;而在 S 波传播过程中,介质中质点的运动形式为剪切变形,运动方向与波传播方向垂直,其中,SV 波为质点振动发生在与波的传播面相垂直的面内的波,SH 波为质点振动发生在与波的传播面相平行的面内的波。面波则分为 Rayleigh 波和 Love 波,沿着介质内外表面向远处传播,其中,Rayleigh 波是由于 P 波在介质中经过多次折射进而在表层形成的,质点在与波的传播方向平行的垂直面往复运动,而 Love 波存在于半无限体内低速表层的情况下,质点运动方向呈水平方向,与波传播方向垂直。在均匀的介质中传播时,波的传播方向和振动方向都是相同的。由于岩体并不是均质体,在应力波在传播至两种介质的交界面发生相互作用时,波的传播方向不但要发生改变,而且波的部分能量通过在交界面处的反射回到原介质中,余下的部分能量则通过折射或透射进入到不同的介质中,进而形成了波的反射和透射现象。在此过程中,纵波 P 波保持原来的特性,但横波 S 波却不同。为了使得研究变得更加简便,将横波 S 波分为两种类型的波,SH 和 SV 波,因此在任意应力波播至没有相对滑移的交界面时,会产生四种波,其中两种为折射波,另外两种为反射波,在此过程中波的类型会发生转换。  
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2.2  爆破应力波对岩石的动态破坏作用 
爆破时,炸药产生的冲击波直接作用于药包四周的岩体,并朝外传播,随着传播距离不断增加,波阵面逐渐扩大,此时冲击波迅速衰减为压应力波,当岩体的抗压强度时高于压应力波的强度时,则岩体不会发生直接的破坏。不过外层的岩体(虚线弧)将会受到径向压应力 σr的作用,进而使得外层岩体发生径向位移(实线弧),导致该层岩体发生径向扩张,在切向衍生出拉伸应力 στ,当岩体的抗拉强度低于拉应力时,单元体会被拉断,在岩体中产生径向裂隙。该裂隙以相对于应力波 0.15~0.4 倍的速度沿着径向传播延伸,一直到切向拉应力衰减至低于岩体的抗压强度时,此时裂隙则停止发育。由于压应力波传播至外层岩体对其有一个压的过程,因此岩体积累了部分弹性变形能量,在压应力波传播之后,稀疏波又传播至岩体,使得这部分弹性变形能得到释放,使得岩石质点的向心运动,因此产生径向拉应力 σr,如果此时径向拉应力 σr大于岩体的抗拉强度,那么岩体当中将会出现环向裂缝。 
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第三章  爆破荷载输入方式对比分析 .... 18 
3.1  概述 ............. 18 
3.2  爆破施加方法介绍 ......... 18 
3.2.1  流固耦合算法 ...... 18 
3.2.2  炮孔壁上施加半经验半理论的爆破荷载 ............ 18
3.2.3  基于圣维南原理的等效爆破荷载 .... 19 
3.3  不同爆破荷载施加方法的对比分析 ........... 19 
3.3.1  有炮孔模型和无炮孔模型受力情况分析 ............ 19 
3.3.2  数值计算模型 ...... 20 
3.4  结果对比分析 ....... 22 
3.5  本章小结 ..... 25 
第四章  傍山水工隧洞爆破振动数值模拟 ...... 26 
4.1 GTS NX 软件简介 ........... 26 
4.2  动力时程分析原理 ......... 26
4.3  数值分析步骤 ....... 27 
4.4  计算结果 ..... 31
4.5  本章小结 ..... 41 
第五章  傍山隧洞爆破对边坡的振动效应 ...... 42 
5.1  傍山隧洞爆破对均质边坡的振动效应 ....... 42
5.2 傍山隧洞爆破对结构面边坡的振动效应 .... 54 
5.3 本章小结 ...... 62 

第五章   傍山隧洞爆破对边坡的振动效应 

5.1  傍山隧洞爆破对均质边坡的振动效应 

对于爆破对边坡的振动效应,国内外学者已做了大量的相关研究,不过大部分研究了边坡爆破开挖对边坡的振动响应研究,爆破荷载作于边坡的坡脚处,然而对于隧洞(道)掘进爆破开挖产生的振动对边坡的影响研究较少,隧洞(道)往往距坡面有一段距离,而坡面往往又是工程上需要加以保护的防振区。探讨坡面对爆破振动作用的影响规律,对于爆破振动的预测和防护具有实际价值。 质点的爆破振动速度(PPV)是目前国内外表征爆破振动效应的一个主要参数,传播过程中其受到爆源因素以及传播介质等因素的影响。在研究爆破振动速度传播规律时,需全面考虑这些因素的影响,但在实际工程很难实验,因此,采用数值模拟的方式进行模拟预测是一个有效的办法。 为研究傍山隧洞爆破对边坡的振动效应,考虑隧洞位置、围岩级别、隧洞断面尺寸、隧洞断面形状以及隧洞周壁爆破荷载等不同影响,对邻近边坡的振动效应进行敏感性分析。采用第四章的边坡简化模型,在不改变边坡的尺寸的情况下,仅改变隧洞的水平和竖直方向的位置,其余参数不变,边坡示意图见图 5.1。其中 L 为洞心到边坡坡脚点的水平距离,H 为洞心到边坡坡顶的垂直距离,X 即为洞心到坡面的垂直距离。 

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总结 

针对水工隧洞爆破施工对邻近边坡的影响问题,采用有限元数值模拟的方法,研究了水工隧洞爆破时邻近边坡的振动效应,查明了金佛山导流隧洞爆破对左岸高边坡的影响,