文摘

近年来,随着铁路扩建项目的增加,爆破损伤已经造成了极大的威胁现有的隧道结构的安全。然而,很少有研究的影响进行隧道爆破施工对现有小角度交叉隧道结构。在这项研究中,现有的隧道结构的动力响应在新建隧道爆破活动由数值模拟分析。从振动速度的比较,衬砌应力、位移和现有的隧道结构、爆破方法、围岩条件、交叉角和清晰的距离被证明是高度相关的因素的动态响应现有隧道爆破。然后,结合层次分析法,选择振动速度作为最优爆破活动指数来表示动态响应。

1。介绍

如今,铁路已成为一种重要的现代运输与国民经济和人民生活1,2]。大规模交通网络的建设,这是不可避免的出现越来越多的空间穿越铁路隧道和非常小的交叉角度,尤其是高速铁路的线路必须尽可能直(3,4),例如,在新的Guiyang-Guangzhou铁路、隧道Sizhai Ruipo下隧道,平面交叉角的22°和23.0的最小垂直净距5]。速铁路的新建可以停靠冠头岭隧道温敷高速公路的隧道下,平面交叉角的36°和2.91的最小垂直净距6]。在这种极端的空间条件,常用的施工方法将不可避免地影响周围的结构(7,8]。因此,有必要对评估的影响现有隧道爆破活动结构。

在几十年里,大量的研究已经开展研究的反应结构在隧道施工爆破活动,如现场测试、室内试验、数值模拟、人工智能(9- - - - - -17]。香港(18]研究了十字路口的横截面的动态影响爆破开挖现有隧道的衬砌,结果表明最大振动速度和最大拉应力衬里的每个部分都大大减少的范围±8 m截面,和衬砌结构更敏感±8米的范围内的爆破爆破源。刘等人。19)建立了一个有限元模型的上下交叉隧道和提取的速度-时间曲线和等效应力历史曲线每个监测点,结果表明各点的振动速度分布基本符合监测振动速度;结合等效应力判据,关键的质点的振动速度可以选择,以确保隧道结构的安全。歌等。20.)的动态响应规律研究围岩在开挖大断面隧道的便携式电火花震源的美德,发现后隧道的爆破过程有一个更大的对围岩稳定的影响,而围岩斜背的隧道开挖和爆破振动不敏感,受到长时间的爆破过程的影响。总之,cross-tunnel爆破的动态响应特征吸引了研究人员的关注,但大多数集中在振动速度,不考虑现有的铁路隧道的应力和位移。因此,为了确保现有的铁路隧道结构的安全,有必要全面分析其振动的规律的变化速度,位移,应力在不同影响因素下。

此外,分区方法也起到至关重要的作用在隧道爆破的影响的研究[21,22]。在即将到来的现有铁路隧道的建设指南和即将到来的公路隧道建设的指导方针,邻近建筑的问题系统地讨论,接近和影响分区的概念被明确提出。中国最新专著和规范还包含邻近建筑的相关研究内容不同的建筑类型。的代码设计的公路隧道澄清的内容并提出了小净距隧道设计和施工的一般过程和方法。Zhang et al。23)建立了隧道施工影响区域相邻的建筑根据围岩的应力状态的变化趋势;基于应力条件,现有建筑物附近新隧道的建设可以分为三种类型:强、弱,noninfluencing区。田et al。24)选择最终的剪切应变作为围岩不稳定的标准存在的问题的基础上不同的围岩条件不稳定,通过比较一个隧道的隧道和邻近系统与现有城市道路,和以安全系数的差异为阈值受影响的区域,不同的隧道的力学计算模型建立现有城市道路附近。然而,现有研究很少研究了分区方法的动态影响区域的铁路隧道。

在这项研究中,现有的隧道结构爆破活动的反应是数值模拟方法,研究了在不同条件下各种因素纳入模型,最后比较各种因素区分为现有隧道的动力响应优化指标。本文的框架安排如下:部分2主要描述了工程背景,部分3介绍了模拟方法在隧道开挖爆破,部分4分析仿真结果在不同的条件下,部分5重点的确定最优指标的动态响应爆破活动,和部分6总结了整个论文。

2。工程背景

扎西隧道位于龙泉城(浙江)Xianju-Qingyuan高速公路的重要组成部分。项目的起点线左侧扎西Yuankengling隧道的街道,与322国道。终点位于Fangye和Housha道路的十字路口,Jianchi街。新建隧道扎西是根据二级公路设计标准和设计时速60公里/小时。隧道的几何图形设计如下:长度是1825米,宽度是12米,净高是5米。更重要的是,扎西隧道位于下Yuankengling属于现有群铁路隧道。

考虑上述复杂的条件,新建隧道通过现有的隧道结构与交叉角小,现有隧道结构的安全严重影响新建隧道的开挖,和新隧道的爆破施工的影响在现有隧道结构在施工期间应该仔细评估。因此,为了有效的安全控制方法,有必要研究各种影响因素在现有隧道结构的动力响应和区分的最佳指标动态响应爆破活动。

3所示。数值模拟方法

3.1。模拟材料在爆炸

许多数值模拟方法、ANSYS / LS-DYNA在爆破模拟被广泛使用,因为它可以用来计算大变形动态响应的非线性结构材料(25,26]。其中,模拟三个材料的爆炸问题,炸药,空气,和岩石材料,尤其重要。

3.1.1。爆炸模型

JWL状态方程总是用来描述压强和体积之间的关系的高性能炸药的爆轰的产品,和具体的压力P_eos炸药的爆轰产品可以使用以下公式计算: 在哪里P_eos具体的压力,V是相对体积,E₀是特定的内部能量,一个,B,R₁,R₂,ω是常数取决于材料。上面使用的爆炸性参数表列出在当前的研究中1。

3.1.2。空气模型

空气模拟∗MAT_NULL模型,其压力可以通过线性多项式计算状态方程EOS_LINEAR_POLYNOMIAL,见以下方程: 在哪里的压力,E₁单位体积的内部能量,是初始相对体积, , , , , , ,和是真实的状态方程的常数。上述参数模拟空气表中列出2。

3.1.3。岩石模型

岩体采用∗MAT_PLASTIC_KINEMATIC各向同性跟踪塑料加强材料模式。与静态负载的条件相比,爆破荷载作用下岩体的力学性能也发生了变化,和应变率有了很大提高。基于Symonds-Cowper经验公式,模型介绍了应变率放大系数,定义了元素失败关键字∗MAT_ADD_EROSION,并定义了岩体强度准则未能实现岩体的损伤和失效。屈服应力可以计算岩体 在哪里是初始屈服应力,杨氏模量,加载应变率,C和P是常数取决于材料的应变率,是岩体的塑性硬化模量,切线模量,在各向同性硬化硬化参数的影响程度和运动硬化,岩体的有效塑性应变,t塑性应变的持续时间,是岩体的塑性应变分量偏差。以上参数如表所示3。

3.2。模型的几何图形

考虑到研究对象的简化计算过程,数值模型设计如下。根据隧道施工的影响,影响的大小面积总是视为隧道半径3到5倍。也就是说,现有的隧道影响面积是27.09米到45.15米。因此,选择40米的模拟。同样,新隧道的影响区域计算为38.82米到64.70米,和50米影响区被认为是在模型中计算。因此,仿真模型建立140.00米×200.00米×124.52米,如图1。图1(一)模型的空间结构图,图1(b)是构建三维元素模型。可以看到,新建隧道坐落在现有的隧道,这是符合实际工程的情况下,和距离D和交叉角α在仿真设置为变量,以区分空间关系的影响现有隧道的动力响应。

3.3。设计的测试条件

根据当前的研究目的研究,隧道的爆破方法,围岩条件和相对位置(空间交点)的清晰的距离和角度选择的主要影响因素对隧道爆破动力响应。因此,基于上述影响因素,试验条件设计如表所示4,ANSYS /用于执行ls - dyna爆破动态软件数值模拟分析各影响因素的敏感性,这将进一步提供参数指标的动态响应。应该注意的是,最大的价值收取每延迟每个爆破方法直接计算的爆破方案。仿真实现时,隧道开挖面坐落在现有的隧道。

4所示。结果和分析

上述研究模拟新隧道的爆破活动在不同条件下,如爆破方法,围岩条件下,清晰的距离,和交叉角。应该注意的是,采用数值方法的有效性已被证明在一些文献出版和仿真结果与实际工程监测结果相一致。那么响应的分析了现有隧道爆破振动速度、衬砌应力、位移和结构。

4.1。不同的爆破方法

全剖面法和板凳法是两种常用的山区隧道开挖施工方法。这样两种方法之间的主要区别是最大每延迟费用,也就是说,在短时间内释放的能量。

首先,现有的不同部位的振动速度-时间历史隧道结构从仿真结果中提取,如图2。现有隧道的振动速度的包络图如图3。它可以发现,现有的铁路隧道结构的最大振动速度为全剖面和长椅上方法都出现在隧道的左脚,8.08厘米/秒的值和5.30厘米/秒,分别。最小的振动速度等两种方法出现在正确的隧道拱腰,1.42厘米/秒的值和0.84厘米/秒。这是由于这一事实的左拱现有铁路隧道爆破的主要位于正面,而正确的拱腰主要位于爆破的背面。此外,与全剖面方法相比,一个明显的减少振动速度可以观察到在现有的铁路隧道结构构造与替补席上的方法。

之后,选择压力云图比较现有隧道不同的响应应用在新建隧道爆破方法,如图4。当全剖面法和板凳上法用于切割爆破,现有的铁路隧道衬砌结构的最大应力出现在左拱腰,分别是5.43 MPa和4.02 MPa。最低压力出现在底部的隧道衬砌结构,分别是0.25 MPa和0.31 MPa。这是重新分配后的土压力的影响爆破行动,和由于土压力拱效应的原理,拉应力在衬砌结构的拱腰是最大的,和底部的拉应力的隧道是最小的。的最大应力值的不同部分现有铁路隧道衬砌结构引起的板凳上方法切割爆破与全剖面方法相比减少了25.97%,这是位于左边和右边的隧道。它可以发现应力云图的结果与振动速度的响应规律一致。

最后,衬砌结构的位移云图在不同开挖方法相比,如图5和6。当全剖面法和板凳上法用于切割爆破,爆破效果造成的最大位移出现在Z方向,与5.92毫米和5.85毫米的价值,分别。的最大Y方向位移为3.14毫米和3.10毫米,最大X方向位移为0.73毫米和0.88毫米。它可以得出结论,隧道衬砌结构的垂直位移动态干扰更敏感,但开挖方法的影响不是那么明显。

4.2。不同围岩条件下

本节研究围岩条件对响应的影响现有的隧道爆破活动。开挖方法指定为板凳方法,明确新建和现有隧道之间的距离和交叉角度保持不变。表5列出了振动速度、压力和位移的衬砌结构在不同围岩条件下。类似的法律在当前的仿真结果可以发现,最大振动速度和最大应力出现在左拱脚,最低振动速度和压力出现在正确的拱腰,最大位移发生在Z方向。与IV-class围岩相比,隧道建于III-class围岩更敏感,在新建隧道爆破活动。这是因为III-class围岩地质条件有更好的和更少的关节和地层的裂缝,爆破振动波的衰减较慢,相邻隧道结构的反应更明显减少爆破。

4.3。不同的空间关系

在本节中,空间关系的影响(交叉角度和净距)现有隧道爆破活动的反应进行了研究。开挖方法是指定为板凳方法,和周围的岩石被指定为III-class。通过数值模拟的美德,振动速度、压力和位移在不同空间关系。

现有隧道之间的交叉角和新建隧道设置为15°、30°、45°,振动速度,收集衬砌应力和位移的结构如表所示6。的最大振动速度都出现在左脚的现有的隧道结构在三个条件下。当交叉角增加从15°、45°,最大振动速度降低了22%。相当大的衬砌应力发生在左拱腰和右拱腰,和明显的减少也可以发现与交叉角的变化对衬砌应力。指数的隧道结构的位移最大值发生在Z方向,但这类指数交叉角几乎没有影响。

然后清楚之间的距离的影响现有隧道和新建隧道现有隧道结构的动力响应进行了研究。在当前的模拟过程中,新隧道挖掘的长椅上方法,围岩条件设置为III-class,交叉角度设置为30°,明显的距离设置为8.45米,16.90米,25.35米,分别。上面的数值模型计算后在三种不同条件下,振动速度,收集衬砌应力和结构位移如表所示7。它可以发现,三大股指的分布类似于上述研究成果,最大振动速度出现在左脚,最大衬砌应力发生在拱腰,最大位移发生在Z方向。此外,清晰的距离是被证明是重要的削弱现有的隧道爆破动力响应的活动。

5。最优指标的动态响应

在本节中,爆破方法、围岩条件、交叉角度,明确区分选择最佳的距离指数表明现有的隧道爆破活动的动态响应。因此,应用层次分析法来计算重量的振动速度的贡献P₁,内壁压力P₂和结构位移P₃(计划层)现有隧道的动力响应(目标层)。详细的层次分析法安排如下(27- - - - - -30.]。

5.1。建立层次结构模型

模型由三层组成,如图7。最上面一层是用来选择最优指标即底层由振动速度P₁,内壁压力P₂和结构位移P₃现有的隧道。中间层由爆破方法R₁、围岩条件R₂、交叉角R₃和清晰的距离R₄。

5.2。构造的判断矩阵

爆破方法的重要性R₁、围岩条件R₂、交叉角R₃和清晰的距离R₄最优指标我比较的基础上发表文献[20.,31日- - - - - -39]。结合Saaty的刻度表,构造判断矩阵如下:

5.3。层次单排序和一致性检验

通过变换矩阵,计算最大特征值是4.1545,提取相应的特征向量W= (0.8564,0.1246,0.1246,0.4853)^T;正常化后,上述向量作为= (0.5383,0.0783,0.0783,0.3050)^T。因此,一致性指数计算,CI = (λ−n)/ (n−−1)=(4.1545 4)/(4−1)= 0.0515,和随机一致性指数RI被确定为0.90。因此,一致性层次单安排订单的CR率= CI / RI = 0.0515/0.90 = 0.0572 < 0.10,这意味着通过一致性检验。

5.4。层次总排序及一致性检验

首先,四个因素的重要性,R₁,R₂,R₃,R₄在中间层到目标我在顶层是假定r₁,r₂,r₃,r₄分别三个因素的重要性,P₁,P₂,P₃,到目标R_j中间层是假定p_1j,p_2j,p_3j(j= 1,2,3,4)。因此,底层的层次总排序计算虽然总体目标因素的贡献( )。

然后一致性检查后进行单排序的一致性检验的步骤。振动速度的重要性P₁,内壁压力P₂,结构位移P₃的因素,R₁,R₂,R₃,R₄在中间层,列出了判断矩阵如下:

计算最大特征根后,计算相应的权重向量= (0.6586,0.1562,0.1852)^T,= (0.6000,0.2000,0.2000)^T,= (0.6000,0.2000,0.2000)^T,= (0.6586,0.1562,0.1852)^T。然后合并后的重量P₁,P₂,P₃到目标R_j中间层是计算为0.6494,0.1631,和0.1875,和相应的权向量确定为(0.6494,0.1631,0.1875)^T。因此,一致性订单的层次布局CR率= CI / RI = 0.0212 < 0.10意味着认为订单满足一致性检验的要求。即振动速度是最佳的指数表明现有隧道爆破活动的动态响应。实际上,铁路工程爆破振动的安全技术规范也采用振动速度的安全指数指出现有结构和单行的铁路隧道应控制的振动速度低于6.0厘米/秒,这是符合实际工程中采用的方法。

6。结论

在这项研究中,爆破活动的影响现有的隧道结构分析的数值模拟的方法。爆破方法、围岩条件、交叉角,和清晰的距离选为四个影响因素对现有隧道的动力响应,和振动速度,选择衬砌应力和位移的结构来评估现有的安全条件隧道爆破加载时痛苦。之后,采用层次分析法来选择最优指标表明现有的隧道爆破活动的动态响应。的主要结论可以概括如下:(1)从数值模拟的结果,现有隧道的动力响应是被证明是高度相关的爆破方法、围岩条件、交叉角和清晰的距离。动态响应往往是更强的最大充电/延迟的增加,围岩条件更好,减少交叉角度和清晰的距离。(2)比较不同地区现有的隧道结构的动力响应,最大振动速度总是出现在左脚,最大衬砌应力总是发生在左、右拱腰,和最大位移总是出现在Z方向。因此,上述结果可以被保护的发展方针的隧道结构爆破附近活动。(3)结合层次分析法和数值模拟结果,振动速度是选为最佳指数表明现有的隧道爆破活动的动态响应,这符合大多数隧道结构的安全控制规范。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作得到了河北省交通部科技项目(YC201907)。