文摘

钻孔和爆破方法广泛用于建造在岩石隧道。不幸的是,爆破振动会损害新喷射混凝土层执行的主要支持结构周围的稳定结构。因此,爆破对喷射混凝土的影响的调查,确定合理的爆破工作的脸和喷射混凝土的位置之间的距离是非常重要的。本文由钻大跨度隧道开挖和爆破方法作为高速铁路站已被调查。隧道爆破震动进行记录使用微震监测技术。实证预测方程粒子速度峰值(PPV)通过回归分析基于获得的监测数据。拉应力的衰减规律对喷射混凝土层由于爆破和shotcrete-rock界面的粘结强度也被调查。喷射混凝土之间的最小安全距离和爆破位置计算基于债券故障判据。进化法则考虑不同的因素,包括爆破装药,岩体类,和喷射混凝土的凝结时间也获得,这可能适用于确定爆炸隧道喷射混凝土安排建筑在未来。结果表明,喷射混凝土的安全可以保证和喷射混凝土脱落下的岩石可以预防当前爆炸结构。

1。介绍

喷射混凝土或喷射混凝土,混凝土的施工技术是在高速上被表面。表演喷射混凝土提供了额外的好处,如优秀与大多数基质结合,尤其是在那些复杂的形式或形状,和快速的和即时的能力。这些优势使喷射混凝土被广泛使用在隧道开挖施工技术的钻孔和爆破方法(1- - - - - -3]。通常喷浆和爆破操作交替执行,喷射混凝土的主要功能是为员工提供一个安全的工作环境,促进后续操作等的支持建设安装金属网格和螺栓(4,5]。因此,高能力的突出岩石表面喷射混凝土对工人的安全至关重要,隧道的功能6]。

使用钻孔和爆破方法,在岩石隧道开挖爆破的大量炸药。这些爆炸应力波传输能量通过周围岩石和结构。由于喷射混凝土是应用爆破附近的脸,它很容易受到压力波由大规模爆破隧道。实际上,下一个爆破周期应该执行后,最终达到设置喷射混凝土强度和爆破和喷射混凝土之间应该保持一定距离的位置。然而,如果喷射混凝土暴露在振动在早期的年龄,虽然它仍在硬化阶段,可能会出现裂缝和脱落的结构影响硬混凝土的功能,甚至导致整个支撑结构的失败(7]。为了确保安全的喷射混凝土,blast-induced振动的影响应该调查和安全距离阈值从爆破工作的脸,喷射混凝土可以承受爆炸振动,应确定(8,9),如图1。

Blast-induced振动通常由两个重要的特征参数,粒子速度峰值(PPV)和爆炸占主导地位的频率(f)[10,11]。研究人员表明,岩体的内部结构的失败是由于压力波PPV的价值取决于岩体的动态应力应变(12,13]。因此,一旦记录振动的过程中,可以评估其潜在的后果。

一些研究人员调查了爆破振动对喷射混凝土的影响通过原位测试(4- - - - - -6,14- - - - - -16]。爆炸振动响应(尤其是PPV)的岩石和喷射混凝土与加速度计测量,速度计放置在岩石表面,在地板上或隧道拱腰。然而,由于不完整的传感器与岩石接触,振动信号很容易打扰,只有振动测量岩石表面,但不是在喷射混凝土喷射混凝土,因为还没有建造当爆破振动监测(6]。同时,岩体的破坏相比,皇冠是巨大的岩体在地板上或拱腰,因为岩体爆破和重力的双重影响。因此,岩石和在隧道内的振动监测冠对喷射混凝土的安全是至关重要的。一般来说,调查波传播特征的常见的方法是通过现场监测数据等经验方程退化Sadovskii方程(17),广泛应用于爆破在华业务(18]。Sadovsky方程可以描述最大爆破振动速度的衰减(PPV)取决于爆破装药(问岩土参数(),K和α之间的距离),爆破工作的脸和监控点(R)。在评估喷射混凝土的爆破振动的安全,同时PPV和主导频率应考虑。不同的国家有不同的标准爆炸振动保护新鲜混凝土(6,11]。通过比较PPV的允许值,安全状态可以评估,可以确定喷射混凝土的安全距离。

数值模拟也被应用于隧道喷射混凝土由于爆炸振动破坏的预测基于弹性应力波理论和结构动力学(7,10,19,20.]。喷射混凝土安全距离阈值可以根据不同的标准评估针对摩尔-库仑准则。如最大拉伸应力和在不同的喷射混凝土标准,最大速度组件或拉伸应力应该与允许的值来决定是否喷射混凝土将会失败。因此,可以确定临界爆破工作和喷射混凝土之间的距离超出了喷射混凝土可以承受爆破振动。只有少数的理论解决方案,主要采用射线理论方法和现在的数学法则来预测PPV基于不同的爆破设计参数和岩石(13]。基于振动速度的容许值,安全要求包括爆破参数和爆破喷浆距离点可以确定。总的来说,数值模拟和理论解决方案,其精度取决于相关的输入参数是很难确定的,通常需要根据现场测试结果验证。

一般来说,喷射混凝土的安全性受到爆破振动影响爆破参数、地质特征、爆炸和观察点之间的距离21]。它也可以由喷射混凝土的失效准则。研究表明,喷射混凝土的失败主要是由于收益率shotcrete-rock接口而不是破坏喷射混凝土本身(22]。本文旨在确定喷射混凝土的安全距离基于债券的失败受到爆破隧道挖掘shotcrete-rock接口。本文基于原位测试和分析方法理论解决方案已经使用的方法类似于(5- - - - - -7,22),但在这里申请不同的地质条件和隧道的几何图形。岩石内部的监控方案与对称测试点进行了大跨度隧道爆破振动监测。揭示喷射混凝土的破坏机理具有重要意义,可以确保结构的安全。研究方法如下。

首先,实证方程推导出PPV使用基于原位监测数据的回归分析。其次,拉伸应力对shotcrete-rock界面计算通过multireflections和爆炸应力波的传输解决方案。第三,粘合强度之间的债券喷射混凝土在不同年龄段和岩石在不同岩石条件下提出的。然后,推导出基于安全距离债券shotcrete-rock接口的故障判据。最后,一些年轻的喷射混凝土的详细指南提出了考虑岩体类和喷射混凝土。

2。网站描述和现场监测

2.1。项目概述

免费高速铁路长约174公里,10台和被认为是一个关键环节为2022年冬季奥运会将在北京举行和河北省张家口(图2)。免费高速铁路正在建设中,预计在2019年底完成,减少北京至张家口旅行时间从3个小时到只有一个小时。

八达岭长城站(从DK67 DK68 + 285 + 815)是一个地下车站位于以下Guntiangou在八达岭景区停车场。车站的上覆岩层深度是102米,是世界上最深的高速铁路车站。车站有三层地下结构包括平台,大厅地板,地板和设备的水平。在平台层面(图3),车站的主要结构包括三个融入triple-arch隧道的隧道。大跨度隧道过渡(从DK68 DK68 + 448 + 285)和5种不同横截面位于车站和标准双轨之间单管隧道,如图4。过渡的最大开挖跨度大跨度隧道开挖面积494.4米32.7米²。与最广泛的交通隧道开挖跨度和世界上最大的挖掘部分区域,它的建设是极其困难的,具有较高的安全风险23]。

图5显示了典型地质剖面的大跨度隧道过渡段DK68 + 285 DK68 + 448在张家口的方向。隧道穿过一个小(F1)和一个大(F2)断层和断裂区。断层F2交叉隧道DK68 + 260 - 300由压剪断裂的态度263°∠86°。岩体通常配有大3 - 4套主要发达的关节。地下水在该地区基岩裂隙水与正常产量约为2400米³/ d。表1显示获得的岩体分类根据中国分类基本素质(BQ)系统和大跨度隧道的属性。

2.2。微地震监测布局

微地震监测技术、先进和有效监控隧道稳定性的方法,已经应用于许多隧道(24]。根据这一方法,在爆破操作期间释放的能量是通过在某些模式,并分析了利用地震检波器接收传播地震学和地震偏移技术。微地震监测的使用允许运营商更好地理解定量数据的位置、规模水平,爆破(25]。对称的监视点里面被用于大跨度隧道爆破振动监测。

2.2.1。监控系统

爆破振动微震监测硬件系统由传感器、数据收集器,GPS时钟同步器,光纤转换器,和数据处理系统。图6显示了微震监测系统网络图。单和振动三分量检波器接收灵敏度高(200 V / m / s)和广泛的目标接受频率-1000赫兹(4.5)以及24-channel数据收集器与高分辨率(32位a / D, 24位a / D)、高采样率(2000赫兹),触发精度高(+ 1μ,和背景噪音低(< 0.15μV(电子邮件保护)女士,0.09μV(电子邮件保护)ms)。微震的收藏家和监控终端与光纤来实现远程视图和控制。时间精度保证的结合GPS时钟同步器和光纤网络。

2.2.2。监视点

两个监控部分,DK68 + 290(部分1)和DK68 + 440(部分2),选择传感器的安装在隧道。三个钻孔钻在每个部分,每个约12米深。在每个钻孔、三分量传感器( , ,和 )是安装在12米的深度,单组分传感器( , ,和 )放置约3米远离洞入口处耦合使用水泥灌浆(图7)。图8显示监测传感器和安装图。

3所示。冲击波速度和应力分析基于微震监测数据

爆破振动可以评估基于振动速度、加速度,频率,等等PPV和f为此经常应用。PPV被定义为一个粒子的最大运动速度或岩石上引起的爆炸振动波(26]。级( )定量测量地震的大小(或相对大小)是为了产生更多的准确性占总能量释放的地震或爆破。全面记录运动,需要测量三个垂直的纵向(x)、横向(y)和纵向(z)组件。单个组件的高峰值很少出现在同一瞬间(27]。

3.1。监测结果

PPV微震的爆破振动监测数据包括三个垂直分量,爆破装药(问),距离的爆破点测点(R),占主导地位的频率(f)和矩震级( )被测量。

监测结果23套收集大跨度隧道的爆破。一套隧道监测数据如表所示2,PPV -XPPV -Y,PPV -Z速度矢量的最大值是沿着纵向,横向和垂直方向,分别。

3.2。PPV的经验方程

Explosion-induced振动特性主要受到爆破源和地质因素的影响(28]。一些实证关系提出了不同的调查人员描述爆破振动的衰减(10- - - - - -13]。很难确定哪些经验公式是最好的,因为不同的经验公式的拟合误差不可避免。Sadovsky方程包含两个特定场地参数考虑爆破和地质的影响,他们可以由回归分析(17]。因此,Sadovsky方程是最广泛使用的(在中国研究爆破振动的衰减18),也就是说, 在哪里是粒子振动速度(毫米/秒)。

方程(1)可以转化为以下方程:

替换 , ,和 在方程(2),可以获得以下线性方程:

基于大量的实测数据,采用线性回归分析得到一个线性关系Y和X数据。的参数K和α可以获得。图9PPV显示经验拟合曲线的衰减规律以及纵向,横向和垂直方向绘制基于Sadovsky方程(方程(1使用监控数据)。衰减系数α是获得的固定值吗考虑到大跨度隧道的地质条件。沿三个方向经验方程的拟合参数如表所示3。

大跨度隧道挖掘在八达岭长城景区,和上覆岩层隧道不同深度从52米至85米不等。确保安全的历史建筑和服务基础设施,必须严格控制爆破振动。因此,精确的电子雷管爆破技术。与传统的爆破技术相比,精确爆破技术可以降低爆破振动速度从5厘米/秒到0.2厘米/秒,使拟合参数K相对较小而发表的结果(4- - - - - -7]。监控数据(表的分析3和图9)表明,PPV -Z爆破振动监测点值是1.5 - 2倍PPV -X和PPV -Y。得出结论,垂直速度有一个主要对当前岩土工程条件下的爆破振动控制效果。自监测方案与对称测试点内的隧道进行了爆破振动监测根据大跨度隧道施工,爆破点之间的距离和监测传感器R变化从38到73米。因为爆炸波的传播路径都是岩石,推断这个范围以外还可以允许使用拟合曲线。

3.3。分布的震动频率占主导地位

之前的研究表明,振动频率在岩石vibration-induced损害中起着重要作用。混凝土结构的自然频率通常低于10赫兹;因此,高频振动有利于结构安全,因为减少共振的概率(29日]。使用微震的爆炸信号处理分析软件。的波形图、时频和频谱的一个典型的爆炸图所示10。我们可以看到在图10,一个典型的爆破的持续时间是0.7秒。爆炸的频率是在20到80赫兹的范围,和主要的频率大约是60赫兹。

振动分布支配23爆破信号的频率设置如图11。可以看到,频率范围从55到120赫兹,其中70%的获得数据的范围90 - 110赫兹。因此得出结论,这个实验的条件下,隧道内爆炸不会在混凝土结构中创建共振。

3.4。基于PPV爆破应力分析

应变和动态应力可以确定从PPV的价值30.]。动态应力σ对应材料的PPV由于爆破是(31日,32] 在哪里是材料的波阻抗(公斤/米²·s),ρ材料的密度(公斤/米³),的传播速度P通过物质波(米/秒)。

3.4.1。波阻抗的岩体和喷射混凝土

P由于初至波都集中在原则。的传播速度的P波(m / s)的刚度,给出了一个弹性材料和材料的密度如下33,34]: 在哪里E弹性模量(GPa)。

在这个工作中,假设弹性模量的发展E对喷射混凝土硬化后实证函数来自大量的测试(32,35]。的弹性模量甜的喷射混凝土在不同的年龄t(天)如下:

用方程(4)和(5)方程(3),喷射混凝土的波阻抗方程得到如下: 在哪里喷射混凝土密度是假定为2300公斤·m⁻³和的传播速度P波通过喷射混凝土(米/秒)。

根据大跨度隧道岩体性质的总结表1,不同岩体的波阻抗可以得到方程(3)。

3.4.2。爆破反射和透射波

由于不同的材料特性,动态载荷引起的振动速度在喷射混凝土不同于那些在岩体(32]。基于反射波理论和传播,事件一波( )边界通常创建反映( )和传播( )当从介质1中2。反映和传播波的速度和应力可以表示为(36,37] 在哪里是入射波的压力吗与 , ,和波阻抗在媒体1和2,分别n是波阻抗系数比中等1中2,F是反射系数,T透射系数。

在隧道开挖过程中,爆炸应力波( )在岩体分为反映传播( )和传输( )应力波在喷射混凝土,当遇到rock-shotcrete界面如图12——①。基于岩体的波阻抗( )和喷射混凝土( )获得的部分3.4。1的速度和压力和有作为 在哪里n₁,F₁,T₁波阻抗系数比、反射和透射系数从岩体喷射混凝土,分别。

应力波理论指出,爆破应力波( )只有变成反射波( )当从喷射混凝土的自由表面空气,因为没有空气传播波的波阻抗( )接近于零,如图12——②。的速度和压力和可以计算如下: 在哪里n₂,F₂,T₂是波阻抗系数比和从空气喷射混凝土对反射和透射系数,分别和的值F₂和T₂分别−1和0。

此外,不断反映和传播时遇到rock-shotcrete界面如图12③。的速度和压力和计算如下: 在哪里n₃,F₃,T₃波阻抗系数比、反射和透射系数从喷射混凝土到岩体,分别。

在现有的爆破条件下,PPV -Z远高于水平速度。因此,根据经验公式获得的结果对PPV上面提到的,最大振动波已经等于PPV -Z。如图12后,三个爆炸应力波的反射和传输周期,只有和拉伸应力,其中是对shotcrete-rock接口和对喷射混凝土。这可以表示为 在哪里是拉应力系数对界面。

4所示。确定安全距离下的喷射混凝土债券故障判据

喷射混凝土的最基本特征是坚持岩石表面的能力取决于喷射混凝土和岩石之间的粘附强度(32]。人们已经发现,喷射混凝土支撑的失败主要是由于喷射混凝土和岩石的分离rock-shotcrete接口(38]。因此,确定安全的喷射混凝土,shotcrete-rock界面的粘结强度应该与拉应力爆破引起的界面。

4.1。Shotcrete-Rock接口的粘结强度

shotcrete-rock界面的粘结强度与甜喷射混凝土与岩体不同阶层在28天内得到如下(32,36]: 在哪里t喷射混凝土年龄(天)和吗平均粘结强度评价在24小时内(MPa),和它的价值不应低于0.8,0.5,0.42,和0.31 MPa的岩体类II, III, IV, V,分别39]。

如图13,喷射混凝土的力学参数密切相关,其1 - 3岁3 - 7,7-28天是典型的喷射混凝土养护的年龄。键的强度是在3天内快速增长阶段。

4.2。喷射混凝土的安全距离的计算

Shotcrete-rock接口可能遭受失败当爆破造成的最大拉应力超过债券界面的粘结强度可表示为(40] 在哪里是最大拉应力和shotcrete-rock界面的粘结强度。

为了确保安全的喷射混凝土,rock-shotcrete接口的拉应力引起的爆破应低于其粘结强度。因此,从爆破安全距离阈值工作面临超越了喷射混凝土的爆破振动必须能够承受。用的公式σ_p和σ_b获得的部分3.2,3.4,4.1在方程(15),最小安全距离方程可以表示为 在哪里最小安全距离和是一个参数和爆破装药和岩土条件有关。

图14表明,喷射混凝土的安全距离是随着年龄的增加减少。同时,爆破装药却降低了岩体的削弱有效减少爆炸振动。爆破装药类的III、IV和V岩体条件是120,100,和80公斤。因此,如图14、安全距离是减少与岩体条件改变从第三到V。

因为爆炸波的传播路径都是岩石,PPV还可以建立使用距离时的拟合曲线R超出这个范围,虽然爆破点之间的距离和监测传感器R在38 - 73 m。敏感性分析进行量化的影响几个输入参数爆破装药,岩体类,喷射混凝土的时代。根据敏感性分析结果表4,岩体类对安全影响最大的距离,其次是喷射混凝土和爆破装药的时代。

在中国对爆破振动安全标准(gb6722 - 2014),提供了一些标准的值质量安全PPV新鲜混凝土考虑振动频率,总结如表5(18]。基于PPV -获得的经验方程Z和爆炸主要频率的部分3.2和3.3PPV,获得了最小安全距离满足安全标准。

喷射混凝土的最小安全距离阈值评估使用键失效准则和中国对爆破振动的安全标准和结果总结如表所示6。通过比较最小安全距离确定基于两个不同的标准,也就是说,债券失效准则和中国的爆破振动安全标准,这是观察到两个结果履行第三和第四类岩体条件下。然而,第五类岩体条件下,最小安全距离使用债券失败则要低得多。原因是岩体属性类V条件下明显不同于那些在第三和第四类条件下,可以看到在桌子上1。属性的差异被充分考虑使用键失效准则时,但这并不是中国对爆破振动的安全标准。因此,最小安全距离使用键失效准则被发现在复杂条件下更为精确和实用的。

在这个项目中,钢纤维喷射混凝土的混凝土采用两层支持系统。远处的挖掘上长椅上落后于下椅子是30 m。主要和次要的喷射混凝土厚度层150毫米和200毫米,分别。由于主喷射混凝土爆破的脸太近,爆破振动会影响主喷射混凝土结构,造成不可逆的损害。因此,二次喷射混凝土的安全被认为是。根据开挖和支持流程,二次喷射混凝土和爆破点之间的距离是6米以上(2挖掘周期),喷射混凝土和爆炸进行了3天后。因此,根据最小安全距离总结表6、二次喷射混凝土的安全是保证和喷射混凝土脱落是防止爆炸在当前建设。

4.3。对喷射混凝土的安全的建议

在大跨度隧道的施工,爆破振动可能导致非正常损失喷射混凝土。基于上述分析,可以确定安全距离,确保喷射混凝土的安全根据爆破振动的监测结果。然而,由于大型建设项目的严格的时间限制,爆破通常是执行之前喷射混凝土的粘结强度和爆破工作的脸和喷射混凝土之间的距离低于安全距离。尽管有这些问题和困难,可以采取一些有效的测量,确保喷射混凝土施工的安全,如下:(1)钢纤维喷射混凝土早期强度高,可以提高债券喷射混凝土的强度能承受爆炸加载在隧道挖掘在短的时间内(1,2,41- - - - - -43]。根据方程(16),采用钢纤维混凝土可以提高债券的特征接口( )从而增加了喷射混凝土的安全距离。(2)操作序列可以下令减少隧道开挖爆破电荷,因此显著控制爆破振动(21,44]。上部和下部之间应该保持一定距离的长椅防止喷射混凝土被爆破在短时间内反复打扰。根据方程(16),爆破装药减少时,安全距离喷射混凝土也降低了。(3)执行多个喷射混凝土层是一种有效的方法来减少爆破损伤(35,43]。较低的初始喷射混凝土层厚度进行了岩体,以方便安装的密封金属网格和螺栓。随后的较高的混凝土层厚度与1 - 3天或1 - 2开挖循环喷洒经常延迟巩固复合岩体和支持系统。因为爆炸点之间的距离增加,喷射混凝土的爆破振动对随后的喷射混凝土显著下降。

5。结论

在这工作,进行了爆破振动监测利用微地震监测技术在大跨度隧道的爆破开挖的八达岭长城。爆破振动参数,包括峰值质点速度(PPV)和爆炸占主导地位的频率(f)记录利用微震监测系统安装在隧道。PPV经验方程是基于监测数据的回归分析得到的。shotcrete-rock接口的爆炸振动拉伸应力引起的爆破和债券接口的特点也进行了分析。提出了爆破和喷射混凝土之间的安全距离,确保喷射混凝土的安全性。在得出的主要结论如下:(1)方程来预测爆破振动特征沿纵向、横向和垂直方向导出使用Sadovsky经验方程。垂直的粒子速度峰值(PPV -Z)大约是1.5 - 2倍,沿着径向和切向方向(PPV -XPPV -Y)。(2)由于不同波阻抗的喷射混凝土和岩石质量,拉伸应力对shotcrete-rock界面计算爆炸应力波反射和传输后由爆破引起的。(3)基于债券shotcrete-rock接口的故障判据,计算方程的最小安全距离喷射混凝土受到爆炸振动得到可用于确定爆炸和喷射混凝土安排。正是见证了喷射混凝土的最小安全距离是随着年龄的增加而下降更重要的前三天。(4)在这个项目中,二次喷射混凝土和爆破点之间的距离是6米以上,爆破进行了喷射混凝土后3天。因此,二次喷射混凝土的振动安全保证和喷射混凝土脱落的岩石是预防。

符号

:	P岩体波速(公里/秒)
PPV:	峰值质点振动速度(毫米/秒)
问:	爆破装药(公斤)
R:	爆破指向测量点的距离(米)
f:	占主导地位的频率(赫兹)
:	力矩大小
ρ:	材料的密度(公斤/米3)
:	喷射混凝土的密度(公斤/米3)
E:	弹性模量(GPa)
:	入射波(毫米/秒)
:	压应力的入射波(MPa)
n:	波阻抗系数比
F:	反射系数
T:	透射系数
:	粘结强度的shotcrete-rock接口(MPa)
:	在24小时内平均评价粘结强度(MPa)
:	最大拉应力(MPa)
:	拉应力系数对接口
:	最小安全距离(米)
SR:	参数和爆破装药和岩土条件有关。

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

这项工作是由中国国家自然科学基金的基础研究基金拨款51678035下,国家重点研究和发展项目,中国yfc0805401格兰特在2017为中央大学基础研究基金拨款2017 jbz104,和中国铁路公司科学技术研究与发展计划下授予2014004 - c。