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地铁隧道掘进爆破振动测试及多段微差爆破的数值模拟研究

屈威  
【摘要】:近年来,中国城市轨道交通建设方兴未艾,截至目前已有27个城市正在进行或筹备地铁建设,但与此同时地铁在修建和运营过程中所引发的振动和噪声问题也越来越引起人们的关注。 在此背景下,本文在中德国际合作基金“复杂情况下土与结构的相互作用问题研究(项目编号:GZ566)”的支持下,对爆破地震波在地表的传播和衰减规律进行了研究。本文首先基于LabVIEW2010开发了一套集信号采集、文件管理、信号时、频域分析和谱分析为一体的振动测试系统;利用该采集系统对大连地铁1号线长春路-七十九中区间开挖爆破时隧道内和掌子面上方进行了现场振动测试,并利用该系统对采集数据进行频谱分析;采用通用有限元软件ANSYS建立了地铁隧道和周边岩层的二维模型,并用连续的三角形脉冲荷载和预分析加载的方式对地铁掘进时采用的多孔多段爆破进行模拟,将模拟得到的结果与实测数据进行对比,符合性良好。 通过以上理论分析、现场测试和数值模拟等多种研究手段,取得了以下主要研究成果: (1)基于LabVIEW2010这个新的开发平台,通过实验室和现场测试检验了本文开发的这套集信号采集、文件管理、信号时域分析、频域分析和谱分析为一体的振动测试系统。结果表明该系统具有很高的采集、分析精度和很强的可操作性,非常适合在地铁隧道掘进爆破这种对仪器精度要求高、周围环境复杂的测试中使用; (2)通过三次现场振动测试,发现爆破产生的地震波随距爆源的距离增大而衰减:距离爆源越近地震波衰减越快,距离爆源越远地震波衰减越慢;通过对第二次现场振动测试得到的相关测点频谱曲线的分析得知,地表振动的能量主要集中在5-12HZ,12HZ以上的频段在从掌子面上方地表向远处传播时迅速被抑制; (3)由于该区间地铁掘进爆破时采用的是楔形掏槽爆破,爆破施工时产生了向隧道掘进反方向及两侧冲击波,受此冲击波影响,地表振动加速度最大值并没有出现在掌子面正上方,而是出现于爆区前某一点,其具体位置主要受掏槽角度、药量、埋深等因素影响。该测试段隧道掘进爆破时,掏槽眼使用炮眼与工作面夹角60度的楔形掏槽方法,影响范围大致在隧道掘进反方向或索道两侧0-40m范围内,影响最大值在28m附近。楔形掏槽爆破对地表处的数值振动加速度影响很小,对沿隧道向和垂直于隧道方向的水平振动加速度影响相对较大; (4)数值模拟得到的加速度时程曲线各段波形之间并未叠加,而是像实测波形一样各段波形之间独立衰减,这说明我们对微差爆破的模拟还是相当成功的;但是具体到每段波的形状上,实测波形和数值模拟波形的区别比较明显; (5)由于纵波特征的影响,实测加速度时程曲线的每段波在达到最大振动加速度之前都存在一段小幅波动,而数值模拟得到的加速度时程曲线却没有这个特征,每段波都是在极短的时间内就上升到峰值; (6)不管是水平加速度频谱曲线还是竖直加速度频谱曲线,数值模拟的结果和实测数据对比时,不难发现数值模拟得到的频谱曲线的能量分布范围较宽、振动主频较大。在衰减规律方面,数值模拟得到的频谱曲线与实测结果具有很好的相似性,随着离掌子面距离的增加,高频部分衰减明显,频谱主要由低频控制; (7)掌子面左侧节点竖直向加速度时程曲线和掌子面右侧节点竖直向加速度时程的各段波在波形上均比较吻合,只是幅值不完全相同;而两侧相应节点的水平向加速度时程曲线的各段波不管是在波形上还是幅值上均有一定差距。在振动幅值上,掌子面右侧各节点的竖直向加速度比掌子面左侧衰减快,而掌子面右侧各节点的水平向加速度比掌子面左侧增长快。


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