考虑衬砌背后空洞的隧道振速公式优化研究
时间：2020-04-29 09:19:54 来源：达达文档网 本文已影响 人 
唐弦
摘要：隧道空洞是工程建设常见病害，为保证已有隧道在爆破作用下的结构安全稳定性，对衬砌背后存在空洞的隧道进行研究，将隧道爆破振速监控数据与知识理论相结合，将存在背后空洞的已有隧道在爆破作用下地震波传播与哀减规律公式进行调整优化，利用最小二乘法优化得出的衰减指数α、K值，其对今后的工程建设爆破施工有着一定指导作用。
Abstract：
Cavity is a common disease in engineering. For ensure the structural safety and stability of existing tunnels under the action of blasting， the tunnels with cavities behind the lining are studied. The monitoring data of tunnel blasting vibration speed and theory will be combined. The empirical formula of the law of seismic wave propagation and reduction under the existing tunnel under blasting is adjusted and optimized， the attenuation index α and K values obtained by the least square method are optimized， which has a certain guiding role for future engineering construction blasting construction.
关键词：背后空洞;水平振速;爆破作用
Key words：
cavity behind;horizontal vibration velocity;blasting effect
中图分类号：O212，O213.1 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2020）03-0213-02
0 引言
邻近工程修建过程中会对已有隧道产生影响，其进行爆破作业下会对已有隧道结构安全稳定性有着影响。爆破以能量波进行发散传递，从而使得围岩岩体质点发生随机振动，对隧道结构造成一定程度损害[1]。如今国内外关于隧道背后空洞对隧道结构影响的研究大部分是只进行静力分析未考虑动力响应作用，其中考虑邻近爆破作用下已有隧道结构衬砌背后空洞对自身受力特性的影响。现如今背后存在空洞的已有隧道关于爆破作业产生振动作用的动力响应分析较少，本文基于邻近爆破振动对衬砌背后存在空洞的已有隧道结构安全稳定性进行研究分析，优化隧道在空洞情况下的爆破振速公式。
1 爆破振动与背后空洞
1.1 爆破围岩破坏观点
第一种观点：爆破使气体极速膨胀造成岩体破坏。爆破使气体快速膨胀，岩体产生径向位移。当围岩内气体膨胀作用产生剪应力达到围岩动态抗剪强度临界值时，位移超出允许值，围岩遭到破坏。第二种观点：拉应力在应力波经过反射后产生，应力值超过围岩动态抗拉强度，进而围岩遭受破坏。第三种观点：基于断裂损伤力学理论，由于围岩自身存在缺陷，围岩在爆破作用下缺陷发育，损害进行累加，当超过指标允许值后产生破坏。第四种观点：围岩遭受爆破冲击作用使岩体产生裂缝，热量让围岩内气体急剧膨胀使，使得岩体裂缝加剧产生，从而加速了围岩的破坏速率。
1.2 爆破地震波方程
假定爆破影响区围岩处于弹性状态，采用小变形理论。弹性波传播运动微分方程建立时，应考虑自身重量与惯性力[2]。
1.3 背后空洞产生原因
围岩压力确定是通过拱形地压理论根据围岩分类，不适用于所有隧道。按规范值进行设计，计算所得围岩压力与实际可能相差较大，使设计衬砌支护参数偏低，造成围岩与衬砌接触不紧密，进而导致岩体产生裂缝、块体脱落、围岩发生应力松弛等现象。在隧道爆破作用不易控制状况下，超欠挖是常有现象，铺设衬砌之间的防水层时易由于防水层过于贴合，在浇筑混凝土后出现空洞。在隧道运营过程中，结构混凝土由于受多因素影响（温度、机械振动、不良地质围岩荷载变化），通常会产生裂缝、脱落等现象，在地下水溶蚀等作用下又会进一步恶化，进而形成隧道结构背后空洞。
1.4 背后空洞危害
隧道衬砌与围岩形成共同体，当地表发生沉降时，围岩抗力发生应力重分布，衬砌结构由于超过开裂强度而产生裂缝，使得结构承载力进一步下降;衬砌本身存在施工缺陷，沉降作用加剧缺陷恶化，多因素影响下使得新病害形成;隧道地质构造不对称以及掘进过程中不均匀沉降等易造成隧道出现偏压，衬砌设计未考虑偏压以及背后空洞的多重影响，使得衬砌结构形状发生改变;当掌子面开挖后未及时支护，背后空洞的存在由于振动作用，使得应力松弛速率加快，衬砌结构破坏加剧;隧道横纵向上沉降不均匀时，背后空洞存在会使得结构承载力降低，衬砌结构易产生环向、纵向与斜向裂缝。
2 爆破振动现场监测与分析
2.1 工程概况与监测方案
以重庆彭水县的已有杉树陀隧道为实例，其监测方案为采用L20智能爆破测振仪对已有隧道衬砌质点振速进行监测量测，防止爆破振动振速较大对隧道衬砌结构受力不均匀造成不利影响而进行监测，其目的是为了便于发现问题可以快速采取控制措施。测点布置根据工程类比优化设计布置，其中新建工程和已有隧道相邻侧墙振动速率普遍大于相反侧，因此测点布置一般布置在已有隧道邻爆边侧墙底部[3]，工程测试布点位置图如图1与图2。
2.2 监测结果及分析
在新建工程进行爆破作业时，在已有隧道洞身内进行多段布点布置，記录其位移、沉降与振动速度，其重点记录的是监控量测布置点的振速最高值，进而结合理论以及地质雷达无损探测试验结果，针对其隧道衬砌背后空洞存在段的实测结果进行整合建立公式拟合分析，与经典公式相对比，修正参数进行优化。通过分析实时数据得出洞身振动振速哀减衰弱规律，根据已有隧道爆破振动速率，进而便于对隧道结构的安全稳定性进行评价评估，确保结构的稳定性以及施工的安全性。质点振动方向一般考虑三个方向（竖直、环向和水平方向），结合工程实际情况采取工程类比法，根据经典公式考虑缺陷空洞，得出已有隧道邻爆侧墙水平径向爆破振速公式[4]，设 通过变换将公式（1）变化为公式（2）。
式中：Q：爆破炸药质量（kg）;R：爆破点距爆破中心距离（m）;K：爆破点地质相关系数;？琢：地质爆破点条件相关的哀减系数。
其中系数R=0.9934，K=162.2925，？琢=1.6286。哀减指数？琢=1.6286、K=162.2925，属于中硬岩石的范围。
3 结语
本文简介了隧道衬砌背后空洞的形成原因以及危害，考虑邻近爆破作用下已有隧道背后空洞存在的情况下利用最小二乘法对隧道衬砌结构质点水平径向振速公式进行优化，本文仅考虑了隧道结构衬砌背后存在空洞的情况，未考虑多因素下同时存在状态下的动力响应，因此多因素耦合情况还有待进一步进行系统的研究。
参考文献：
[1]董永香，夏昌敬，段祝平.平面爆炸波在半无限混凝土介质中传播与衰减特性的数值分析[J].工程力学，2006（02）：60-65.
[2]朱瑞赓，李铮.爆炸地震波的现场测量及其安全距离[J].爆破与冲击，1982（01）：60-7.
[3]罗攀峰.爆破振动作用下空洞对杉树陀隧道衬砌结构的影响研究[D].
[4]夏昌猛.新建隧道爆破震动对既有平行隧道影响研究[D].
[5]方兴.爆破地震波作用下隧道衬砌结构动力响应研究[D].成都：西南交通大学，2011.
