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隧道周边的预切割槽对减少爆破震动和损坏区域影响的 数值分析

摘要

高性价比的隧道开挖方式可以用爆破的方法来实现。然而，爆破技术将引起震动和噪音，这可能会导致严重的社会问题，如市民投诉。因此，有效的城市空间管理强烈需要发展一种能够减少爆破引起的震动的创新的隧道开挖方法。于是，本项研究介绍了一种常规爆破技术与预切割工艺相结合的能够减少爆破震动新的隧道开挖方法，并且使用三维有限元分析技术对该隧道开挖方法进行了可行性研究。在微观尺度，本文研究的重点是炮孔和轮廓孔的，而宏观尺度，研究影响隧道尺寸形状的因素。从微观尺度分析，可以推断，所提出的方法相对于传统的先行钻孔爆破方法能够有效的减少爆破引起的震动。从宏观尺度模拟，发现该爆破引起的振动的降低是独立于前切削自由表面的厚度的，但是依赖于预切割自由表面的深度。随着预切割自由表面的深度增加，爆破引起的振动以及挖掘破坏区的深度可显著降低。由爆破引起的振动能量不会通过自由表面传输，而是被限制在的目标掌子面内。被引导的冲击波在目标表面集中，使爆破效率最大化。根据预计，由于炮孔数量的减少，炸药重量的降低，超挖空间以及挖掘破坏区的减少，施工成本将会降低。更重要的是，超挖空间和

开挖损伤区的减少提高了隧道施工的安全。

关键词：震动的降低，隧道爆破，数值分析，预切割自由面，

1简介

现代工业化和经济增长 加快了城镇化的发展。现在，高度发达的都市城市形成了一个特大城市，它们要求建设地下空间，有效利用有限的土地。地下空间已被用于各种用途，例如

促进有效的交通系统，城市生活空间和工业存储。然而，地下空间在城市地区的发展也带来了一些问题，如：爆破引起的振动和噪声，以及地面沉降引起的裂缝。特别是，钻爆工艺已被广泛用于非开挖隧道。隧道爆破过程引起的爆轰波的传播随着与爆破源的距离的增加明显衰减。然而，一部分爆炸压力以弹性波的形势通过地表传播，并引起地表震动。

爆破过程中根据岩石的硬度使用各种类型的炸药，从而有效地破坏岩体。高性价比的隧道施工可以采用爆破开挖法实现。然而，我们不能避免爆破引起的振动和噪音，这可能会导致严重的社会问题，如公共要求（例如，结构破坏和民事不便）。因此，城市空间的有效管理强烈需要发展一种可以减少爆破振动的新的隧道开挖方法。本文介绍了一种将传统爆破工艺与预处理过程相结合的能够减少振动的创新的开挖方法，并采用三维有限元分析方法对提出的隧道开挖方法进行了可行性分析。

2.减少振动的创新的开挖技术

减少爆破震动的方案之一是应用一个人工屏障在隧道周边作为地震波波传播的障碍。Uysal等人（2008）利用空屏障孔减少露天采矿爆破引起的震动。Park等人（2009）采用离散元法分析了直线钻孔的效果。特别是，在爆破过程中，在常规的隧道开挖方法中为了减少爆破震动，获得高质量的开挖边界，已将直线钻孔应用于隧道开挖过程中。这些减振方法利用沿隧道方向上的空钻孔。这样的空钻孔对爆破引起的地震波可以起到人为的屏障作用。然而，尽管有两层或两层以上空钻孔在隧道周边，隧道断面和邻近的地面仍然连接连。隧道爆破地震波不仅在空钻孔里反映和折射出，也会通过相连区域传播。此外，爆破引起的地震波中具波长超过空孔过滤范围的振动波。所以，这种布置在开挖边界上的空钻孔对控制振动而言可能是无效的。

在另一个方面，环保的破岩方法已被开发并应用于岩石隧道，包括高电压电流（Res等人，2003）、化学剂(Shaoet等人,2010)、无声破碎剂和热液和方法，液压技术和等离子体技术。虽然这些可能提供无噪音、无振动的岩石开挖方法，但是由于其效率低下岩石掘进速，推迟了建设过程和提高了建筑成本。

磨料水射流（在很高的水压下喷射出水和磨料）和激光技术已被广泛用于精确的加工，如切割和钻孔工程材料。最近，一种水力爆破（一种以低压力高工作效率被喷射出具有高能量的水射流）已经被作为一种开发中的隧道开挖技术而尝试。然而，使用该技术进行全断面开挖，仍需要一个很长的时间。相反，这种切割技术可以用在在隧道爆破实践之前，作为支持和辅助工具。磨料射流和激光技术可以用来创建沿拱隧道周边的自由表面，以实现有效的爆破过程。一种预爆破自由面和传统爆破方式的结合可能会引导出一个有效的开挖方法，因为沿拱隧道周边自由表面能将邻近的区域与隧道断面区分开，阻止隧道爆破引起的弹性波的传播。地震波不能在空隙中传播，并且在自由面处被反射，包围在介质内。所以，在本文中，我们假设建立一个沿隧道周边的连续的空间作为减弱振动的方法，并且使用磨料水射流技术创造连续沿拱隧道周边的空间。

磨料水射流系统控制着影响切割性能的因素，包括喷嘴的压力，磨料含量量，和喷嘴的横移速度。在图1中可以看到，当磨料水射流系统沿沿着隧道掘进方向在隧道周围一定深度创建一个薄的连续拱空隙时，首先进行自由面的预切割过程；在这之后是爆破过程，爆破引起的振动波在沿隧道边界的连续空隙内被反射。

作为一项初步研究的一部分，进行有限的实验室实验测试进行估计磨料水射流技术创建一个预切割的自由表面的可行性。如图2（a）所示，已经准备好切割岩石样本的磨料水射流所需的泵、磨料罐，和一个喷嘴组。岩石试样是坚硬的花岗岩（即花岗岩的单轴抗压强度为196兆帕）。柱塞式泵（240马力）是用来产生高水压。水的压力和流速被保持为245兆帕和19.2升/分钟的恒定值。为提高切削性能，30-40目石榴石颗粒作为磨料。从实验室实验测试获得的预切割自由表面的结果如图2所示（b）。

在测试结果中，被观察到一个干净的和连续的预切割自由表面。切割深度作为每个单个切削3-5厘米测定。因此，因此，多切削过程中，应实施形成深预切割自由表面。切削过程会引起隧道施工过程中的延误。然而，假如我们增加磨料水射流的数喷嘴设置为4至5个，沿隧道周边，处理时间可以显着减少。此外，切削效率取决于岩石的物理性质，如硬度，强度和刚度。随着强度，刚度和硬度降低磨料水射流切割效率可以提高。(Momber and Kovacevic, 1997; Oh and Cho, 2012)。因此，如果岩石的刚度（或硬度）的降低，该方法的适用性将扩大。因此，建议的隧道爆破方法，可实际应用于隧道施工过程中无延迟的施工过程。

3. 数值模型和边界条件

3.1 数值模型

三维有限元分析是利用商业有限元软件MIDAS-GTS进行（2005），即一个三维连续体模型求解各种岩土工程问题的有限元分析程序。双模型（即，微观尺度和宏观尺度）被认为是模拟局部和全程的爆破过程。相比传统的钻孔方法，微观模型的研究重点考察预切割自由面方法的减振效率，在宏观尺度上的模型用于研究自由表面的预减振深度的影响。微尺度模型模拟了隧道开挖线附近的停止孔和轮廓线，如图3（a）、3（b）和3（c）。对于所有的微观尺度模式的情况下，爆破压力在停止孔和轮廓孔同时激活。两种情况（A和B）是使用在图中所示的微观尺度模型中研究。图3（a）：情况A模拟常规条件（即，阻挡是不存在）隧道爆破处理而情况B认为连续的预切割的自由表面（10厘米厚和1m深）。案例C和D分别模拟单层线钻孔（图3C）和双层线钻孔（图3d）。自由面和线钻孔位于轮廓孔中心以上0.5米。线钻孔直径为90毫米和1m，水平间距200毫米，两孔之间的垂直间距200毫米;孔被布置成平行并在方案D Z字形方式。这四种情况下微尺度分析总结在表1。爆破引起的振动被在轮廓孔上方2m处测量（即图箭头3A，B和C），以评估所述预切割自由表面的效果。

宏观尺度模型模拟整体隧道段，即汉城地铁九号线双轨地铁。隧道的宽度和高度分别为10.8米和9.2米。在半径为5.5米的上半部分钻孔和爆破，其次是10米的台阶，如图3（d）。在宏观模型中（图3d），

对七个案例进行研究从而评估预切自由面宽度对爆破震动的影响：案例E是未经预切割的自由表面（即，常规的挖掘），案例F预切割自由表面的宽度为5厘米的情况下（3例）和案例G预切割自由表面的宽度为510厘米的（3例）。自由表面的切口深度不同， 1米，2米，和4米的情况下，如果这七例宏观尺度分析总结在表1中。这七种情况下的宏观尺度分析总结在表1中。

3.2 地质属性

爆破实践往往发生在相对坚硬的岩石地区，因此，本可行性研究采用坚硬的岩石，其性能列于表2，数值分析和考虑地弹塑性材料，遵循Mohr-Coulomb屈服准则。在小应变水平下，有报道说，砂土阻尼比为6%，粘土阻尼比为4〜7％(Howie and Amini, 2005)。从现场试验或室内试验（宋等，2010），岩石质量的阻尼比也可以得到。但是， UBC-97（建筑官员的国际会议，1997年）建议使用5％阻尼比针对一般的动态分析。因此，在这项研究中，动态分析的岩石质量阻尼比为5%。一个透射边界（Lysmer和WASS，1972）应用于微观和宏观尺度模型来模拟无反射无限大地的条件。首先进行特征值分析，以确定第一和第二主频模式的范围，在其中一个高部分的质量需要的振动模式的一部分。所有情况所产生的周期总结在表3中。

3.3爆炸压力

17毫米的直径，其通常用于精确爆破的固瑞特，应用于钻轮廓孔。轮廓孔的充填是一个去耦电荷，去耦指数为0.38（即，直径比炸药爆炸孔= 17毫米/ 45毫米）,对于停止孔，直径为32毫米的乳液被认为是完全充填。用于数值分析的炸药的性能总结在表4(Lee et al., 2003)。

爆压（PD）可以根据由美国国家公路学会提出的公式来计算(Konya and Walter, 1991)：

其中，SG为炸药的比重（即，炸药与水的密度的比值），V是爆速（米/秒），和PD是爆轰压力（千帕）。最大解耦爆轰压力（PB），考虑到去耦效果，可以从以下爆轰压力进行计算，如下(Konya and Walter, 1991):

其中de是爆炸直径和DH炮孔直径。

根据表4中给出的属性，最大爆轰压力估计轮廓孔为210兆帕和停止孔6800兆帕在其完全充填状态。动态爆轰压力冲击对爆破孔可以表示为一个短暂时间的历史作用(Starfield and Pugliese, 1968; Histake et al., 1983)：

其中t为过去的时间。图4显示了用于停止孔和轮廓孔的爆轰压力的瞬时时间历程。要得到一个明确的响应，爆压在微观尺度模型后0.1秒被激活；它在宏观尺度模型模拟（即0秒）开始被激活。

3.4边界条件

为了简单起见，不考虑爆破过程中的延迟时间，从而在同一时间引爆的停止孔和轮廓孔。一个真实的爆破过程在微观尺度模型中被模拟。瞬时的爆破压力被指定为用于动态数值模拟的边界条件和施加垂直于钻孔爆破孔的内表面。（即，停止孔和轮廓孔）。

在实际爆破实践中，根据不同的目的，许多爆破孔钻、充填和用电雷管引爆延迟实现时间精确控制。然而，在宏观尺度模型的情况下，不可能精确地模拟和延迟爆轰爆破孔在隧道面，因为钻爆孔的元素的大小应该是在毫米级，而宏观模型的总规模为60米。简化是无法避免的，而且详细模拟钻爆孔的对可行性研究的是低效的。因此，假定的爆压是一个单一的脉冲，集中在停止孔，垂直正常的挖掘表面，并作用于一个距离挖掘线0.5m处。特别的事，为了在隧道前端后端以及隧道断面上获得爆破引起的振，隧道断面上部进行爆破模拟，，其中有一个10米的推进长度和30米的台阶开挖如图3（2）所示。

4数值结果与讨论

4.1. 微观尺度分析

预切割自由表面辅助隧道爆破方法的意义是通过微观尺度模拟与理想化爆破压力观察。进行爆破时，在垂直方向上的最大垂直位移和峰值粒子速度的等高线图如图5和图6所示。在案例A中开挖线以上的地表上遭受重大的振动，其中预处理自由表面脱离（图5a和6a）。然而，它可以清楚地观察到在案例B，预处理自由表面作为一个完整的地震的屏障，使分离的地表的受爆破压力的影响较小（图5B和图6B）。

爆炸波的传播特性，通过单层和双层线钻井显示在图5（C，D）中最大竖向位移和在图6（c，d）为峰值速度。用于行钻孔的单层（图5c和6c）的位移和颗粒速度的等高线图是与方案A中没有设置震动屏障所得到的结果（图5a和6a）相比没有太大不同。这是因为隧道爆破引起的地震波仍然可以通过连接隧道段和隧道周围的隧道，甚至沿开挖线布置钻孔之后。虽然最大垂直位移和峰值质点速度随线随层数增加而减小，双层钻孔周边地面仍然经历着爆破地震波（图d和6d）。

大多数岩体受爆破引起的破坏，振动时的峰值质点速度高于700毫米/秒(Holmberg and Persson, 1979; Rustan, 1985; Dey, 2004)。因此，一个关键的峰值速度为700毫米/秒，图7给出了质点峰值速度的时间历程得到2米等高线孔上方（图3中的微尺度模型）。除了结果为B（有预切自由表面），在其他情况下，峰值速度（例B、C和D）超过700毫米/秒，这意味着2米深的相邻地爆破损伤，即使线钻双层应用。然而，自由表面的预处理防止爆破地震波的传播和渲染速度的峰值显著降低，使其小于650毫米/秒。

为了量化预处理自由表面对爆破振动的影响，减少率的定义如下：

其中，Rr是由一个屏障引起的峰值质点速度的减少率，PPVg是峰值质点速度为一般情况下没有障碍，和PPv_barrier是障碍峰值质点速度。案例C（线钻的单层）的减少率是RR = 13.8％，这是非常类似于由Park等人获得的结果（Rr = 13.4％）。（2009）方案D的减少率（线钻的双层）是RR = 20.4％，这比由Park等从2D分析获得的结果（Rr = 19％）更高的一点。（2009）。在情况C和方案D，为获得在这项研究中的值比由Park等人获得的高一点。（2009），因为在该研究中使用的钻孔的直径为90毫米，这是比用于大在以前的研究中（45毫米）。尽管详细的几

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