既有裂缝、空洞病害隧道爆破振动安全控制标准

郭新新 刘锦超 汪波 喻炜 王振宇 李浩彬

郭新新, 刘锦超, 汪波, 喻炜, 王振宇, 李浩彬. 既有裂缝、空洞病害隧道爆破振动安全控制标准[J]. 爆炸与冲击, 2020, 40(11): 115201. doi: 10.11883/bzycj-2019-0315
引用本文: 郭新新, 刘锦超, 汪波, 喻炜, 王振宇, 李浩彬. 既有裂缝、空洞病害隧道爆破振动安全控制标准[J]. 爆炸与冲击, 2020, 40(11): 115201. doi: 10.11883/bzycj-2019-0315
GUO Xinxin, LIU Jinchao, WANG Bo, YU Wei, WANG Zhenyu, LI Haobin. Safety control standard of blasting vibration for tunnels with existing cracks and cavities[J]. Explosion And Shock Waves, 2020, 40(11): 115201. doi: 10.11883/bzycj-2019-0315
Citation: GUO Xinxin, LIU Jinchao, WANG Bo, YU Wei, WANG Zhenyu, LI Haobin. Safety control standard of blasting vibration for tunnels with existing cracks and cavities[J]. Explosion And Shock Waves, 2020, 40(11): 115201. doi: 10.11883/bzycj-2019-0315

既有裂缝、空洞病害隧道爆破振动安全控制标准

doi: 10.11883/bzycj-2019-0315
基金项目: 国家自然科学基金(51878571,51578456)
详细信息
    作者简介:

    郭新新(1990- ),男,博士研究生,zj_gxinxin@163.com

    通讯作者:

    汪 波(1975- ),男,博士,教授,ahbowang@163.com

  • 中图分类号: O383.2; U451

Safety control standard of blasting vibration for tunnels with existing cracks and cavities

  • 摘要: 爆破荷载作用下,既有隧道衬砌的振动安全振速控制标准制定,大多以既有隧道完好为前提条件,不考虑病害因子对结构动力响应的影响,与实际不相符。为此,以既有新岭隧道旁拟建新隧道为工程背景,基于既有隧道衬砌裂缝和背后空洞的实际分布特征与规律,建立带裂缝与空洞的二维、三维结构模型,分析裂缝、空洞对衬砌动力响应的影响,提出以振速为指标的标准管理体系。结果表明:裂缝的最不利分布位置为迎爆侧边墙处,裂缝的存在增强了既有衬砌对S1应力(拉应力)的响应,振速控制标准的制定应以S1应力和裂缝径向深度为控制指标;当裂缝径向深度为(0~1/8)h、(1/8~1/2)h和>(1/2)hh为衬砌厚度)时,控制标准分别为12、10和8 cm/s。空洞的最不利分布位置为拱顶,空洞的存在增强了既有衬砌对S1应力和振速的双重响应,以增强振速响应为主,振速控制标准的制定应以振速、空洞面积及纵向长度为控制指标,空洞工况下,控制标准为12 cm/s;空洞沿隧道纵向长度小于7 m时,监控范围为3~4倍纵长;空洞沿隧道纵向长度大于7 m时,监控范围为1~1.5倍纵长;纵向长度小时,倍数取大值。
  • 图  1  新老隧道间距

    Figure  1.  Distances between new and old tunnels

    图  2  裂缝、空洞沿纵向分布

    Figure  2.  Longitudinal distribution of cracks and cavities

    图  3  裂缝、空洞沿横向分布

    Figure  3.  Transverse distribution of cracks and cavities

    图  4  空洞特征(深度、环向、纵向)

    Figure  4.  Cavity characteristics (depth, circumferential, longitudinal)

    图  5  裂缝特征(宽度、深度)

    Figure  5.  Fracture characteristics (width, depth)

    图  6  计算模型

    Figure  6.  Computing models

    图  7  空洞与裂缝模型

    Figure  7.  Cavity and crack models

    图  8  Ⅲ级围岩掏槽眼布置

    Figure  8.  Layout of cut holes for class Ⅲ surrounding rock

    图  9  爆破荷载曲线

    Figure  9.  Blasting load curve

    图  10  工况K2-1下vxvy振速极值和S1应力极值的分布

    Figure  10.  Distributions of vx, vy and S1 extremum under K2-1 working condition

    图  11  工况K3-1下vxvy振速极值和S1应力极值的分布

    Figure  11.  Distributions of vx, vy and S1 extremum under K3-1 working condition

    图  12  断面vmaxS1,maxn的关系曲线

    Figure  12.  Relationship curves of vmax, S1,max and n

    图  13  断面S1,maxvmax的关系曲线

    Figure  13.  Relationship curves of vmax and S1,max

    图  14  断面S1,max和增幅与裂缝深度的关系曲线

    Figure  14.  Relationship curves between S1,max, increase of S1,max and fracture depth

    图  15  vmax和增幅与空洞平面面积的关系曲线

    Figure  15.  Relationship curves between vmax,increase of vmax and plane area of cavity

    图  16  影响范围、放大倍数与空洞纵向长度的关系曲线

    Figure  16.  Relationship curves between influence range, magnification and longitudinal length of cavity

    表  1  材料参数

    Table  1.   Material parameters

    材料$ {E}_{\rm{d}} $/GPa$ {\mu }_{\rm{d}} $γ/(kg·m−3)c/kPaφ/(°)
    中风化粉砂岩(Ⅲ级)140.252 30070039
    二次衬砌500.202 500
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    表  2  计算工况详述

    Table  2.   Detailed simulation conditions

    工况编号病害说明
    K1K1-1二维平面模型
    K1-2三维平面模型
    K2K2-1裂缝计算拱顶、拱腰(1/4)h深度、右边墙(1/4)h深度、右边墙(3/4)h深度的裂缝
    K2-2(最不利)裂缝计算pm0, 2 pm0, 3 pm0, ···, n pm0时的振动响应
    K3K3-1空洞计算拱顶大空洞、拱顶小空洞、左拱腰小空洞、右拱腰小空洞
    K3-2(最不利)空洞计算pm0, 2 pm0, 3 pm0, ···, n pm0时的振动响应
    K3-3空洞三维模型,计算纵向长度影响
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    表  3  裂缝管理等级

    Table  3.   Crack classification

    裂缝管理等级裂缝深度控制标准/(cm·s−1)
    (0~1/8)h12
    (1/8~1/2)h10
    >(1/2)h 8
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    表  4  空洞管理等级

    Table  4.   Cavity size classification

    空洞管理等级空洞平面面积/ m2监控范围控制标准/(cm·s−1)
    <5空洞中心线为测线;纵向长度<7 m,3~4倍纵长;
    纵向长度>7 m,1.0~1.5倍纵长;
    纵向长度小,倍数取大值
    12
    5~15
    >15
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  • 《中国公路学报》编辑部. 中国隧道工程学术研究综述2015 [J]. 中国公路学报, 2015, 28(5): 1–65. DOI: 10.19721/j.cnki.1001-7372.2015.05.001.

    Editorial Department of China Journal of Highway and Transport. Review on China’s tunnel engineering research: 2015 [J]. China Journal of Highway and Transport, 2015, 28(5): 1–65. DOI: 10.19721/j.cnki.1001-7372.2015.05.001.
    林从谋, 陈礼彪, 蒋丽丽, 等. 高速公路扩建大断面特小净距隧道爆破稳定控制技术研究 [J]. 岩石力学与工程学报, 2010, 29(7): 1371–1378.

    LIN C M, CHEN L B, JIANG L L, et al. Research on blasting stability control technology of large-span highway tunnel with super-small clear spacing at highway expansion project [J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2010, 29(7): 1371–1378.
    李洪涛, 卢文波, 舒大强, 等. P波作用下衬砌混凝土的爆破安全振动速度研究 [J]. 爆炸与冲击, 2007, 27(1): 34–39. DOI: 10.11883/1001-1455(2007)01-0034-06.

    LI H T, LU W B, SHU D Q, et al. Study on the safety velocity for concrete lining under P wave loading [J]. Explosion and Shock Waves, 2007, 27(1): 34–39. DOI: 10.11883/1001-1455(2007)01-0034-06.
    易长平, 卢文波, 张建华, 等. 爆破振动作用下城门洞形衬砌的临界振速研究 [J]. 岩土力学, 2008, 29(8): 2203–2208. DOI: 10.3969/j.issn.1000-7598.2008.08.034.

    YI C P, LU W B, ZHANG J H, et al. Study on critical failure vibration velocity of arch with vertical wall lining subjected to blasting vibration [J]. Rock and Soil Mechanics, 2008, 29(8): 2203–2208. DOI: 10.3969/j.issn.1000-7598.2008.08.034.
    JIANG N, ZHOU C B. Blasting vibration safety criterion for a tunnel liner structure [J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2012, 32: 52–57. DOI: 10.1016/j.tust.2012.04.016.
    王睿, 漆泰岳, 胡燊, 等. 隧道衬砌裂缝检测中的背景处理和断点连接算法 [J]. 应用基础与工程科学学报, 2017, 25(4): 742–750. DOI: 10.16058/j.issn.1005-0930.2017.04.009.

    WANG R, QI T Y, HU S, et al. Background processing of tunnel lining crack detection and breakpoint connection algorithm [J]. Journal of Basic Science and Engineering, 2017, 25(4): 742–750. DOI: 10.16058/j.issn.1005-0930.2017.04.009.
    应国刚, 张顶立, 陈立平, 等. 荷载结构模型在拱顶空洞存在情况下的修正 [J]. 土木工程学报, 2015, 48(S1): 181–185.

    YING G G, ZHANG D L, CHEN L P, et al. Amendment of load-structure model with voids behind tunnel lining at vault [J]. China Civil Engineering Journal, 2015, 48(S1): 181–185.
    刘敦文, 杨光, 彭怀德. 爆破作用下拱顶衬砌脱空对隧道结构安全的影响分析 [J]. 中南大学学报(自然科学版), 2013, 44(10): 4214–4220.

    LIU D W, YANG G, PENG H D. Analysis for impact of structural safety of tunnel induced by cavity on vault of lining under blasting [J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2013, 44(10): 4214–4220.
    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]. 重庆: 重庆交通大学, 2018.
    汪波, 郭新新, 王志伟, 等. 新建隧道爆破施工对既有空洞病害隧道的动力响应分析 [J]. 爆破, 2019, 36(3): 116–123; 146. DOI: 10.3963/j.issn.1001-487X.2019.03.018.

    WANG B, GUO X X, WANG Z W, et al. Caused dynamic response of existing cavity disease tunnel by blasting excavation of newly-built tunnel [J]. Blasting, 2019, 36(3): 116–123; 146. DOI: 10.3963/j.issn.1001-487X.2019.03.018.
    汪波, 郭新新, 王志伟, 等. 新建隧道爆破施工对既有裂缝病害隧道的动力响应分析 [J]. 爆破, 2019, 36(1): 90–96. DOI: 10.3963/j.issn.1001-487X.2019.01.014.

    WANG B, GUO X X, WANG Z W, et al. Caused dynamic response of existing tunnel with cracks to blasting excavation of newly-built tunnel [J]. Blasting, 2019, 36(1): 90–96. DOI: 10.3963/j.issn.1001-487X.2019.01.014.
    BODAS A, KAHRAMAN A. Influence of carrier and gear manufacturing errors on the static load sharing behavior of planetary gear sets [J]. JSME International Journal Series C, 2004, 47(3): 908–915. DOI: 10.1299/jsmec.47.908.
    陆俊华, 朱如鹏, 靳广虎. 行星传动动态均载特性分析 [J]. 机械工程学报, 2009, 45(5): 85–90. DOI: 10.3901/JME.2009.05.085.

    LU J H, ZHU R P, JIN G H. Analysis of dynamic load sharing behavior in planetary gearing [J]. Journal of Mechanical Engineering, 2009, 45(5): 85–90. DOI: 10.3901/JME.2009.05.085.
    张震, 周传波, 路世伟, 等. 爆破振动作用下邻近埋地混凝土管道动力响应特性 [J]. 哈尔滨工业大学学报, 2017, 46(9): 79–84. DOI: 10.11918/j.issn.0367-6234.201611089.

    ZHANG Z, ZHOU C B, LU S W, et al. Dynamic response characteristic of adjacent buried concrete pipeline subjected to blasting vibration [J]. Journal of Harbin Institute of Technology, 2017, 46(9): 79–84. DOI: 10.11918/j.issn.0367-6234.201611089.
    龚敏, 陈哲, 吴昊骏, 等. 掏槽药量与起爆时差的关系对隧道爆破合成振速的影响 [J]. 应用基础与工程科学学报, 2016, 24(6): 1110–1124. DOI: 10.16058/j.issn.1005-0930.2016.06.004.

    GONG M, CHEN Z, WU H J, et al. Influence of correlation between cut basting charge and detonating interval time on superposition vibration velocity caused by millisecond blasting in tunnel [J]. Journal of Basic Science and Engineering, 2016, 24(6): 1110–1124. DOI: 10.16058/j.issn.1005-0930.2016.06.004.
    张忆, 杨文东, 彭振, 等. 地铁隧道爆破开挖对高层框架结构的动态响应 [J]. 爆破, 2018, 35(1): 147–153. DOI: 10.3963/j.issn.1001-487X.2018.01.024.

    ZHANG Y, YANG W D, PENG Z, et al. Caused dynamic response of high rise frame structure by blasting excavation of subway tunnel [J]. Blasting, 2018, 35(1): 147–153. DOI: 10.3963/j.issn.1001-487X.2018.01.024.
    陈清松, 崔硕, 李小青. 隧道爆破振动影响因素模拟分析 [J]. 武汉理工大学学报(交通科学与工程版), 2018, 42(1): 77–82. DOI: 10.3963/j.issn.2095-3844.2018.01.017.

    CHEN Q S, CUI S, LI X Q. Simulation analysis on influence factors of tunnel blasting vibration [J]. Journal of Wuhan University of Technology (Transportation Science and Engineering), 2018, 42(1): 77–82. DOI: 10.3963/j.issn.2095-3844.2018.01.017.
    王思敬, 吴志勇, 董万里, 等. 水电工程岩体的弹性波测试[M]. 北京: 科学出版社, 1980.
    戴俊. 岩石动力学特性与爆破理论[M]. 北京: 冶金工业出版社, 2002.
    中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局, 中国国家标准化管理委员会. 爆破安全规程: GB 6722-2014 [S]. 北京: 中国标准出版社, 2015.
    凌同华, 曹峰, 张胜, 等. 分岔隧道过渡段的爆破振动特性研究 [J]. 振动与冲击, 2018, 37(2): 43–50. DOI: 10.13465/j.cnki.jvs.2018.2.007.

    LING T H, CAO F, ZHANG S, et al. Blast vibration characteristics of transition segment of a branch tunnel [J]. Journal of Vibration and Shock, 2018, 37(2): 43–50. DOI: 10.13465/j.cnki.jvs.2018.2.007.
    陈元素. 受腐蚀混凝土力学性能试验研究[D]. 大连: 大连理工大学, 2006.
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-08-16
  • 修回日期:  2020-07-28
  • 刊出日期:  2020-11-05

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