文摘

石油储备基地的重建和扩建工程经常面临边坡的开挖和爆破和undercrossing隧道在同一时间。由于附近易燃易爆液体存储,工期紧,合作建设和高要求,一旦发生爆破事故,后果是难以想象的。促进安全、及时合作斜率和undercrossing隧道的爆破施工,振动监测试验的斜率和隧道围岩进行。的振动响应特性斜率和隧道周围的岩石进行了分析,和一个数学预测模型粒子速度峰值(PPV)考虑的影响相对斜率梯度(H/D)建立了基于维度分析理论,提高了预测精度PPV的边坡表面。ANSYS / LS-DYNA是用于建立一个三维有限元模型对斜率和隧道,和动态响应的隧道围岩在爆破荷载是通过现场监测数据验证。一个线性统计PPV和有效拉应力之间的关系建立了隧道围岩(ETS)。PPV安全标准提出了隧道围岩在爆破荷载10 cm / s根据第一强度理论,因此,最小安全距离隧道工作面斜率计算表面是36米。最后,边坡的开挖时间安排,提出了隧道,已成功地应用于扩建工程,和有效地缩短了施工周期45天同时确保施工安全。研究结果有很大的指导意义类似的合作对高斜率和相邻隧道爆破开挖工程的安全性和效率。

1。介绍

战略石油储备是最重要的链接在一个国家能源保障体系。截至2015年,中国建立了8个国家石油储备基地总储备容量2860万立方米,其中包括七面和一个地下石油储备库。大规模的工程建设项目与这些石油储备大量的相邻石油管道隧道通过公开高陡斜坡上继续出现。在高陡边坡的开挖和石油管道隧道爆破,为快速、高效硬岩体开挖方法,已得到广泛应用。合理和适当的评价爆破振动的影响和控制振动的不利影响是关键的技术问题,确保安全和稳定边坡和隧道爆破开挖过程中,从而实现安全、高效的建设国家战略石油储备项目。

有许多广泛的影响研究岩石爆破在露天边坡、隧道挖掘(1- - - - - -3]。例如,江泽民等人建立了一个数学模型来描述衰减PPV的露天边坡进行地下开采爆破(4]。李等人提出了一种方法来预测爆破振动对边坡高,时间的历史,提出了一种爆炸振动光谱控制方案(5]。穆罕默迪Azizabadi等人模拟了爆破振动对边坡稳定性的影响裂隙岩体的耦合叠加波形和数值方法6]。马等人提出了一个集成的方法,微弱的震动能量密度和magnitude-frequency关系基于微震监测分析边坡稳定性(7]。黄等人讨论了时频特征和多频带隧道爆破振动信号的能量分布特征,利用傅里叶变换和小波包变换(8]。陆等人得到解析解的粒子速度响应一个圆形隧道围岩进行圆柱P波(9]。李和李提出一个数学方法计算相对速度在环形隧道爆破引起的负载和理论上分析wavelength-to-tunnel-diameter比率的影响在地下隧道的动力响应(10]。江、周提出了一个数学模型方法爆破振动对隧道结构的影响,最后提供爆破振动安全标准(11]。近年来,随着计算机技术的发展,经常采用数值模拟的方法研究爆破对边坡的影响和隧道(12- - - - - -16]。然而,有关国家石油储备基地建设项目通常涉及合作高陡斜坡和undercrossing隧道爆破开挖施工,施工期间的关键约束和工程安全的项目(17]。斜率和隧道施工的不合理安排直接影响整个建设项目的进展。因此,有必要进行深入研究计划设计上斜率和undercrossing隧道建设的指导整个项目建设。

在本文中,我们关注的国家石油储备基地的扩建工程岛在舟山城市(部分2)。首先,基于现场爆破振动的监测和分析,建立一个数学模型来描述边坡表面的PPV的衰减规律影响阶梯式爆破(部分3和部分4)。第二,建立三维数值模型的振动响应分析边坡进行阶梯式爆破用动态有限元软件ANSYS / LS-DYNA。此外,验证了数值模拟结果的可靠性使用现场监测数据(部分5和部分6)。然后,undercrossing隧道的动力响应进行分析了台阶爆破数值模拟,PPV和安全标准提出了隧道围岩(部分7和部分8)。最后,主要基于这些结果,我们计算的关键节点合作高陡边坡和undercrossing隧道的爆破施工,提出上部边坡的开挖时间安排和undercrossing隧道(部分9)。

2。工程背景

舟山国家石油储备基地扩建工程位于西部的岛,舟山城市,浙江省。该项目位于29°56 N′42“-29°59′00”在纬度和122°8′12“-122°9′20“E经度。项目的估计岩石开挖体积为305万立方米,设计了石油储备是240万立方米。项目建设涉及到合作的高陡岩石边坡爆破开挖,undercrossing石油管道隧道,如图1。

斜率是挖掘与斜坡陡峭的高度35−45度角和温和的下部坡角的20−30度。最高的开挖高程是+ 128,最低的开挖高程是+ 8.0米。为了确保undercrossing隧道围岩的稳定性,隧道隧道工作面时停止30−50 m远离坡面。此时,上高陡边坡的爆破开挖高程约40米。此外,有隧道扩大部分的长度14米,94米和294米的隧道入口设计,如图2。

坡体的表面主要是粉质粘土,和向下强风化,中等风化,略有风化水晶玻璃碎片凝灰岩,在大多数岩体介质硬度。每个阶段平台的宽度是3 m(图2)。斜率是出土的长椅上预裂爆破方法。表1台阶爆破的参数列表。图3节目的安排爆炸洞和延期雷管的设计。

隧道挖掘的凿岩爆破方法。图4节目的安排爆炸洞和延期雷管的设计,和表2爆破孔的参数列表。

3所示。现场爆破振动测试

3.1。爆破振动监测的布局点

准确地评估上的动态响应斜率和undercrossing隧道,8点被指定为爆破振动监测点根据边坡开挖的爆破特点,监测和分析爆破施工的振动,如图2。为了确保振动日期的真实性,考虑隧道围岩的松动的影响粒子振动,2 - 2.5米深孔钻在测点和螺纹钢筋直径18毫米插入,灌浆密实。钢板的10厘米×10厘米×1.5厘米大小的焊接水平在暴露的钢筋,如图5(一个)。边坡表面测点,与水泥砂浆地面光滑表面熔渣和砾石被移除后,和预制螺纹孔的钢板是楔形的水平。振动速度传感器是固定在钢板螺丝收紧建立刚性连接传感器和斜率之间的表面,如图5 (b)。

3.2。振动监测结果和分析

边坡开挖期间,10套有效的边坡表面的现场爆破振动测试和10套有效对隧道围岩现场爆破振动测试。为了更好地研究上的爆破振动响应斜率和隧道围岩、峰值速度矢量和的公式(pv)定义如下18]: 在哪里V_x,V_y,V_z的振动速度时程函数吗x,y,z方向,分别。

pv全面涵盖了时间的历史信息粒子振动速度在三个方向,尽管pv的发生时刻不是严格符合PPV的时刻,四面八方(x,y,z)。

PPV和pv数据表中列出3和4。

从表可以看出3和4PPV是最大的z最多的方向测量边坡表面的点。然而,没有明显的规则的最大PPV方向测量在隧道。因此,在评估的影响隧道围岩爆破振动速度,最大PPV应该选中。

频率分析显示,大约94%的监测数据包含25−100 Hz的振动频率上斜坡,与主要振动频率集中在25-60赫兹的范围和50−150 Hz的三个方向和范围undercrossing 50 - 100 Hz的隧道。边坡开挖的爆破振动频率与固有频率相比相对较高的斜率和undercrossing隧道。因此,与上部边坡爆破振动的共振和undercrossing隧道是难以实现的。

4所示。PPV的衰减规律和预测模型

先前的研究已经表明,在爆破地震波的传播沿坡面,地震波的衰减是受许多因素影响如爆炸源,传播媒介,岩石属性和距离爆炸源(12,19,20.]。PPV多个预测模型提出了如下: 在哪里K是该领域的影响系数,问每个延迟的最大充电,D是水平距离,H垂直距离,αPPV衰减系数,β高差的影响系数,R爆炸源的距离。

相对斜率梯度(H/D)影响爆破地震波的传播的岩石和土壤,因为爆破地震波的传播路径沿坡面。表5总结了主要变量参与爆破地震波的传播衰减斜率表面上。

函数的变量之间的关系可以表示为 在变量D,问,C_P是独立的并满足以下公式根据白金汉的π定理在量纲分析21]: 在哪里π_n表示无量纲形式的因变量,n= 1,2,…,6和指数α_n,β_n,γ_n维指数。π_n可以计算如下:

用(5)(3)给

同一站点的开挖爆破作业,E,ρ,μ,C_P传播介质可以被视为常数。因此,(6)可以简化

因此,PPV的相似准则方程可以写成: 在哪里α₇,β₇,γ₇工程地质条件相关系数。

PPV的频率引起的爆破地震波传播介质的属性影响,传播距离,炸药的质量。假设岩石性质和炸药的质量不变,频率可以计算如下22]: 在哪里k_f是频率系数,k_f-0.03 = 0.01,C_年代剪切波速度。

用(9)(8)给 在哪里α₈和β₈PPV衰减系数和吗γ₈的影响系数相对斜率梯度。

回归分析的测试结果列在表中3使用(10PPV)导致的预测模型和pv的边坡表面台阶爆破。此外,验证所建立的预测模型,其预测精度与获得使用(2)相比,基于拟合曲线的拟合系数,如表所示6。(一)PPV的拟合相关系数和pv监视点边坡表面建立数学模型获得,(10),都比那些获得使用以前的经典公式,(2),表明PPV和pv的传播衰减斜率表面更加复杂和相对斜率梯度的影响。的数学预测模型建立了考虑相对斜率的影响的传播衰减梯度可以更好地描述阶梯式爆破振动对边坡表面。(b)回归分析结果表明,获得的pv的预测公式通过建立数学预测模型预测精度高的相关系数为0.953。此外,pv全面考虑各个方向振动的影响。因此,它可以更好地反映边坡表面的PPV的振动响应特性。因此,以下预测公式可以用于预测边坡表面粒子的pv时边坡表面的台阶爆破振动传播:

5。数值模拟和参数选择

动态有限元软件ANSYS / LS-DYNA用于建立数值模型的合作上斜率和undercrossing隧道爆破施工爆破开挖的实际工程,如图2。坐标定义如下:undercrossing隧道的径向方向x设在,undercrossing隧道的轴向方向y设在,垂直方向的z设在。为了避免模型的边界效应,沿隧道轴长度方向(y方向)和横向径向(x方向)设置为250米和200米,分别和垂直方向(z方向)被设置为157。的8-node SOLID164固体元素是用于建立模型,包括307708辆和323265个节点。根据项目网站的特点,顶部表面的数值模型被认为是一个免费的约束边界和其他表面nonreflecting边界。此外,位移约束应用于模型的底部。数值模型如图6。

爆破孔的直径上露天边坡爆破开挖施工过程中使用的是70−115毫米,这是非常小的大小与数值计算模型。因此,如果建立了爆破孔的数值计算模型根据实际爆破参数和爆炸材料模型或墙上的等效负荷应用爆破孔的数值计算模型元素的数量将会很大,这可能阻止计算过程完成。摘要等效近似爆破荷载应用于undercrossing隧道上方的斜坡面+ 40米的海拔。数值计算是基于以下基本假设(23]:(一)爆破冲击荷载相当于三角形负载(b)三角形负载的增加时间是100年μ年代,三角形负载的正压作用时间是600年μ年代(c)爆破冲击荷载作用于斜坡的形式统一的垂直压力

的峰值等效爆破荷载是通过以下公式计算24]: 在哪里ρ_e是电荷密度,D炸药爆炸速度,k_d是解耦系数,k_d=d_b/d_c,d_b和d_c钻孔直径和当量直径,分别和ƞ爆轰压力倍数的增加,ƞ= 8∼11。

爆破荷载峰值的计算通过使用方程(12),板凳上爆破参数是730 MPa。图7显示了爆破荷载的时程曲线斜率表面(25,26]。

数值计算参数选择基于室内机械测试的结果。研究领域中的围岩简化是同质的影响没有考虑裂缝和弱的飞机。的∗MAT_PLASTIC_KINEMATIC材料模型用于围岩(27]。围岩的物理力学参数表中列出7。

6。数值计算和验证

瑞利阻尼参数的数值计算是由重复试验计算和比较。PPV本文的数值计算结果造成边坡表面台阶爆破与现场实测数据进行比较,然后,瑞利阻尼参数调整手动一步一步根据比较分析的结果直到数值计算结果之间的相对误差和现场测量结果小于5%。最后,确定了合理的瑞利阻尼参数α₀= 0.4,β₀= 0.0003。

验证数值计算结果,5现场监测点设置斜坡表面,如图2,监视点数值模型的建立在同一位置。监视点的时程曲线数值模型得到;一个典型的曲线如图8。

每个监测的数值模拟和测量ppv点表中列出8。

从表8很明显,模拟PPV略高于但类似通过现场监测,和PPV的最大相对误差为10.16%。45.25 - -120.5赫兹的粒子振动频率数值模拟获得的每个监测点略高于原位监测获得的点。上述现象的主要原因是,粒子振动频率的数值模拟得到了不考虑爆破地震波的衰减和耗散引起的关节和削弱脸岩体(28,29日]。

总之,对比数值模拟和现场监测数据表明,该三维模型和模型参数充分描述字段数据。因此,研究的动态响应和安全影响undercrossing隧道承受上部边坡开挖数值模拟是可行的。

7所示。隧道动力响应由阶梯式爆破引起的

数值模型的可靠性验证了利用现场监测数据。在此基础上,undercrossing隧道的动力响应特点进行阶梯式爆破可以基于数值计算分析。undercrossing周围的岩石隧道扩建项目的高质量和稳定性好。初始喷射混凝土和锚杆支持进行undercrossing隧道爆破施工期间的斜率。为了避免增加数值计算时间由于过度数量的数值模型元素,最初的喷射混凝土和锚杆支持undercrossing隧道不是单独建模的建模过程。因此,考虑到这一实际情况,围岩的安全控制标准是用来分析爆破振动对隧道的影响。

根据地震波传播理论,围岩及其放大部分影响最大,当接近隧道爆破面积。因此,特定本节计算条件是坐落在板凳上的爆破区隧道正上方,和爆炸源的距离是25.8米。

评估阶梯式爆破对隧道的围岩,规定的安全措施项目爆破设计的初始方案,即。、隧道爆破时悬浮隧道工作面是21米的斜坡表面。因此,四个特色点A, B, C和D的隧道部分从斜坡表面选择21米,分别对应于拱顶皇冠,拱腰,侧墙的中点,隧道壁和底部,如图4。

ppv和有效拉应力的分布(ETS)在每个检验点的隧道部分表中列出9。

表中的数据9表明PPVz和PPVy在库最大的皇冠,逐步减少移动向下沿着隧道部分。PPVx很小的穹窿皇冠因为径向对称约束,其次是增加,然后降低移动向下沿着隧道部分。PPVz显然更快的衰减速度比其他两个水平方向。可以看出最初爆破荷载所产生的应力波传播向下与高强度纵波与距离的增加逐渐变弱。表面波在自由表面形成有一个较慢的衰减速度比纵波。的最大PPV隧道部分出现在拱顶皇冠,13.92厘米/秒。

ETS在每个检验点的分布表明,ETS沿着隧道部分逐渐减少,和衰减速度逐渐下降。PPV和ETS产生最大值在隧道的拱顶皇冠,13.92厘米/秒和4.78 MPa,分别。因此,隧道的安全与稳定评估根据围岩的动态响应的皇冠。最大ETS在拱顶冠达4.78 MPa,超过抗拉强度标准,动态抗拉强度(3.7 MPa)表所示7。因此,隧道的周边地区是根据最大抗拉强度理论不安全。

8。PPV隧道围岩的安全标准

为了进一步研究隧道的动力响应,ETS和在不同测量ppv点数值模拟计算和列在表10。

数值模拟结果表明,从ppv ETS是不同的。PPV之间的统计关系模型和建立ETS,如图9。

线性统计PPV和资产之间的关系如图9建立了如下:

方程(13)表明,PPV和ETS之间存在线性关系23,30.]。基于第一强度理论,ETS超过的动态抗拉强度(3.7 MPa)隧道围岩当PPV达到10.38厘米/秒。更实用,隧道围岩的PPV安全标准是确定为10厘米/ s。

9。上斜坡和Undercrossing隧道的开挖时间安排

PPV之间的关系基于仿真计算,在穹窿顶和保留岩体的长度在台阶爆破隧道入口的正上方,如图10。

从图可以看出10PPVz减少轴向距离的增加,和他们的衰减速度比PPVx和PPVy快。隧道的开挖方向的衰减速度比没有挖掘的方向。水平振动速度(PPVx和PPVy)先增加,然后降低挖掘方向,在不开挖的方向迅速减少。ppv的三个方向略微增加相邻表面的斜率,然后往往变得稳定。原因主要是由于耦合效应的传播距离的增加,原岩应力的减少限制。

确保施工进度和隧道围岩的稳定性,PPV的隧道拱顶皇冠不得超过10 cm / s和保留岩体隧道入口处的长度不得少于36 m;这些值可以从图中获得10。因此,隧道爆破时悬浮隧道工作面距离表面的斜率小于36米,和所有的工作面临着转移到边坡开挖。随后,隧道开挖边坡表面斜率的身体,直到达到隧道洞开挖和加固后的边坡在隧道入口已经完成。上边坡的开挖时间安排和undercrossing隧道如图2。

研究成果已成功地应用于爆破项目扩建工程的舟山国家石油储备基地。露天边坡的爆破施工合作和undercrossing隧道已经被有效地指导,效果很好,施工周期是45天缩短同时确保施工安全。项目地点如图11。

10。结论

(一)这里的数学预测模型建立考虑相对斜率的影响梯度可以更好地描述阶梯式爆破振动的传播衰减斜率表面上。PPV和pv阶梯式爆破振动的传播公式提出了如下: (b)建立三维数值计算模型,分析隧道围岩的动态响应进行阶梯式爆破。比较的数值模拟数据和现场测量数据表明,该数值模型和所选参数充分描述字段数据,因此,数值计算模型是可行的,研究隧道围岩的动态响应阶梯式爆破振动。(c)一个线性统计PPV和资产之间的关系建立了隧道围岩。基于第一强度理论,隧道围岩的PPV安全判据确定10 cm / s。的最小安全距离隧道工作面边坡表面,通过模拟计算,是36米。(d)上边坡的开挖时间安排和undercrossing隧道提出,已成功地应用于舟山国家石油储备基地的扩建工程。工程应用结果表明,建设周期缩短45天同时确保施工安全。研究结果有很大的指导意义类似的合作对高斜率和相邻隧道爆破开挖工程的安全性和效率。

数据可用性

没有数据被用来支持这个研究结果。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项研究受到了重点实验室开放基金的三峡库区地质灾害,教育部(批准号2017 kdz02),中国国家自然科学基金(批准号51904210),打开系统科学重点实验室基金在冶金过程中,湖北省(批准号Z202001)和湖北省重点研发项目(批准号2020 bca084)。