本發(fā)明涉及隧道爆破施工安全
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體涉及一種淺埋隧道爆破施工地表質(zhì)點(diǎn)峰值振速的預(yù)測方法。
背景技術(shù)：
：淺埋大斷面隧道施工安全和下穿既有構(gòu)筑物一直是隧道施工技術(shù)難點(diǎn)，廣大科技工作者致力于研究隧道在淺埋、下穿既有構(gòu)筑物地表質(zhì)點(diǎn)峰值振速，并取得了很多成果。關(guān)于爆破施工對地表構(gòu)筑物的影響，質(zhì)點(diǎn)峰值振速是最重要的判別指標(biāo)。然而，目前采用的預(yù)測地表質(zhì)點(diǎn)峰值振速的方法存在著很多的缺陷和不足。目前最常用的辦法是采用傳統(tǒng)的薩道夫公式或改進(jìn)的薩道夫公式，通過試驗(yàn)獲得相關(guān)數(shù)據(jù)來擬合參數(shù)k和a，得到符合工程實(shí)際的質(zhì)點(diǎn)峰值振速衰減公式，進(jìn)而預(yù)測下一次爆破中質(zhì)點(diǎn)峰值振速。傳統(tǒng)的薩道夫斯基公式僅僅只能反映裝藥量這一單一因素對質(zhì)點(diǎn)峰值振速的影響，而并不能考慮炸藥性質(zhì)、巖石性能等對質(zhì)點(diǎn)峰值振速的影響。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的是提供一種淺埋隧道爆破施工地表質(zhì)點(diǎn)峰值振速的預(yù)測方法，考慮因素更為全面、預(yù)測結(jié)果更為精確。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：淺埋隧道爆破施工地表質(zhì)點(diǎn)峰值振速的預(yù)測方法，其特征在于：包括以下步驟：步驟一：根據(jù)現(xiàn)有的單孔爆破質(zhì)點(diǎn)振動峰值的計(jì)算公式，引入多孔爆破等效為單孔爆破的原理，得出多孔起爆條件下質(zhì)點(diǎn)峰值振速理論公式，然后根據(jù)實(shí)際施工時(shí)的爆破參數(shù)和工程地質(zhì)情況修正等效彈性邊界質(zhì)點(diǎn)峰值振速和等效半徑；步驟二：根據(jù)現(xiàn)場爆破振動監(jiān)測，采集測點(diǎn)地表質(zhì)點(diǎn)峰值振速，然后將采集到的數(shù)據(jù)采用統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行線性回歸分析，擬合參數(shù)與地形地質(zhì)相關(guān)的系數(shù)和爆破振動衰減指數(shù)，帶入多孔起爆條件下質(zhì)點(diǎn)峰值振速理論公式；步驟三：根據(jù)現(xiàn)場已知炮孔半徑、炸藥密度、裝藥直徑、地表質(zhì)點(diǎn)與爆源之間的距離，帶入到多孔起爆條件下質(zhì)點(diǎn)峰值振速理論公式中，推算出地表質(zhì)點(diǎn)的峰值振速。步驟一中，多孔爆破等效為單孔爆破的過程為：將多個(gè)炮孔爆破形成的整個(gè)非彈性區(qū)等效為爆源考慮，多個(gè)集中炮孔同時(shí)爆破使用單個(gè)炮孔爆破代替，并將等效爆破荷載施加到等效彈性邊界上；忽略多個(gè)炮孔爆破時(shí)的相互作用，則每個(gè)掏槽孔爆破均相當(dāng)于在半無限介質(zhì)中起爆，所以多個(gè)掏槽孔起爆時(shí)等效彈性邊界可近似認(rèn)為為各孔破碎區(qū)的包絡(luò)線。步驟一的具體步驟為：(1.1)在完全彈性體內(nèi)，實(shí)際單個(gè)炮孔引爆后會在巖體中激發(fā)沿徑向外傳的柱面波，傳播的過程中的質(zhì)點(diǎn)峰值振速v滿足：式中rb為炮孔半徑；r為爆心距；p0為炸藥爆破炮孔壁受到的壓力峰值；ρ0為巖石密度；cl為彈性縱波波速；(1.2)通過下式證明式(01)的有效性：式中k為與地形地質(zhì)相關(guān)的系數(shù)，a為爆破振動衰減指數(shù)；v0炮孔壁上即rb＝r時(shí)質(zhì)點(diǎn)峰值振速；c0為巖石縱波波速；(1.2)多孔起爆時(shí)，多孔起爆條件下質(zhì)點(diǎn)峰值振速式為：v＝k'kv0(rb/r)α(03)式中k'為多孔同段位起爆下的修正系數(shù)；對式(03)進(jìn)行修正：式中ve為等效彈性邊界質(zhì)點(diǎn)峰值振速；re等效半徑；pe等效峰值壓力；(1.3)單個(gè)炮孔周圍巖體中傳播的應(yīng)力波式以指數(shù)的形式衰減，此時(shí)等效掏槽孔孔壁上受到等效峰值壓力pe按下式計(jì)算：式中pe為多炮孔等效炮孔壁上等效峰值壓力；p0為單炮孔爆破炮孔壁峰值壓力；η為多孔起爆時(shí)荷載影響系數(shù)；rb為炮孔半徑；r1和r2為粉碎區(qū)、破碎區(qū)半徑，柱狀常規(guī)炸藥爆炸時(shí)，粉碎區(qū)半徑為裝藥半徑的3-5倍，破碎區(qū)半徑為裝藥半徑的10-15倍；μ為巖石動泊松比；(1.4)下單炮孔的炮孔壁峰值壓力p0采用下式計(jì)算：式中ρe為炸藥密度；d為炸藥爆轟速度；γ為等熵指數(shù)，取3；dc為裝藥直徑；db為炮孔直徑；(1.5)多孔起爆荷載影響系數(shù)η采用下式計(jì)算：式中n為掏槽孔個(gè)數(shù)；rb為破碎區(qū)半徑；re為掏槽孔等效彈性邊界半徑；多孔起爆條件下質(zhì)點(diǎn)峰值振速理論公式修正為：本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：本發(fā)明在現(xiàn)有的單孔爆破的理論公式的基礎(chǔ)上，對其進(jìn)行修正得到多孔起爆條件下質(zhì)點(diǎn)峰值振速理論公式，運(yùn)用該公式不僅能夠反映諸如炸藥性質(zhì)、巖石性能、裝藥參數(shù)對質(zhì)點(diǎn)峰值振速的影響，同時(shí)還能根據(jù)實(shí)際的爆破參數(shù)和地質(zhì)情況，計(jì)算出地表固定點(diǎn)的爆破振動峰值振速。附圖說明圖1為實(shí)測數(shù)據(jù)回歸擬合曲線。圖2為掏槽孔等效彈性邊界示意圖。圖3為本發(fā)明實(shí)施例路面質(zhì)點(diǎn)峰值振速監(jiān)測布點(diǎn)示意圖。圖4為zk159+733左上關(guān)鍵點(diǎn)z向質(zhì)點(diǎn)峰值振速(關(guān)鍵點(diǎn)3z向質(zhì)點(diǎn)峰值振速0.89cm/s)。圖5為zk159+733左上關(guān)鍵點(diǎn)z向質(zhì)點(diǎn)峰值振速(關(guān)鍵點(diǎn)1z向質(zhì)點(diǎn)峰值振速1.32cm/s)。圖6為zk159+733左上關(guān)鍵點(diǎn)z向質(zhì)點(diǎn)峰值振速(關(guān)鍵點(diǎn)0z向質(zhì)點(diǎn)峰值振速0.71cm/s)。圖7為zk159+733左上關(guān)鍵點(diǎn)z向質(zhì)點(diǎn)峰值振速(關(guān)鍵點(diǎn)2z向質(zhì)點(diǎn)振速0.52cm/s)。圖8為zk159+733左上關(guān)鍵點(diǎn)z向質(zhì)點(diǎn)峰值振速(關(guān)鍵點(diǎn)4z向質(zhì)點(diǎn)振速0.36cm/s)。圖9為zk159+733右上關(guān)鍵點(diǎn)z向質(zhì)點(diǎn)峰值振速(關(guān)鍵點(diǎn)3z向質(zhì)點(diǎn)峰值振速0.55cm/s)。圖10為zk159+733右上關(guān)鍵點(diǎn)z向質(zhì)點(diǎn)峰值振速(關(guān)鍵點(diǎn)1z向質(zhì)點(diǎn)峰值振速0.85cm/s)。圖11為zk159+733右上關(guān)鍵點(diǎn)z向質(zhì)點(diǎn)峰值振速(關(guān)鍵點(diǎn)0z向質(zhì)點(diǎn)峰值振速1.17cm/s)。圖12為zk159+733右上關(guān)鍵點(diǎn)z向質(zhì)點(diǎn)峰值振速(關(guān)鍵點(diǎn)2z向質(zhì)點(diǎn)峰值振速1.24cm/s)。圖13為zk159+733右上關(guān)鍵點(diǎn)z向質(zhì)點(diǎn)峰值振速(關(guān)鍵點(diǎn)4z向質(zhì)點(diǎn)峰值振速0.73cm/s)。圖14為為本發(fā)明實(shí)施例采用spss軟件線性擬合輸出結(jié)果文件。具體實(shí)施方式下面結(jié)合具體實(shí)施方式對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的說明。本發(fā)明涉及的淺埋隧道爆破施工地表質(zhì)點(diǎn)峰值振速的預(yù)測方法，是能夠綜合考慮炸藥性能、巖石性質(zhì)等因素的隧道爆破質(zhì)點(diǎn)峰值振速預(yù)測方法，包括以下步驟：步驟一：根據(jù)現(xiàn)有的單孔爆破質(zhì)點(diǎn)振動峰值的計(jì)算公式，引入多孔爆破等效為單孔爆破的原理，得出多孔起爆條件下質(zhì)點(diǎn)峰值振速理論公式，然后根據(jù)實(shí)際施工時(shí)的爆破參數(shù)和工程地質(zhì)情況修正等效彈性邊界質(zhì)點(diǎn)峰值振速和等效半徑；步驟二：根據(jù)現(xiàn)場爆破振動監(jiān)測，采集測點(diǎn)地表質(zhì)點(diǎn)峰值振速，然后將采集到的數(shù)據(jù)采用統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行線性回歸分析，擬合參數(shù)與地形地質(zhì)相關(guān)的系數(shù)和爆破振動衰減指數(shù)，帶入多孔起爆條件下質(zhì)點(diǎn)峰值振速理論公式；步驟三：根據(jù)現(xiàn)場已知炮孔半徑、炸藥密度、裝藥直徑、地表質(zhì)點(diǎn)與爆源之間的距離，帶入到多孔起爆條件下質(zhì)點(diǎn)峰值振速理論公式中，推算出地表質(zhì)點(diǎn)的峰值振速。上述步驟的具體計(jì)算過程如下：1.在完全彈性體內(nèi)，實(shí)際單個(gè)炮孔引爆后會在巖體中激發(fā)沿徑向外傳的柱面波，傳播的過程中的質(zhì)點(diǎn)峰值振速v滿足：式中rb為炮孔半徑；r為爆心距；p0為炸藥爆破炮孔壁受到的壓力峰值；ρ0為巖石密度。但是式(01)僅僅是理論計(jì)算的結(jié)果，運(yùn)用到實(shí)際爆破振動質(zhì)點(diǎn)峰值振速的計(jì)算中，需要對式(01)依據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行修正。2.考慮應(yīng)力波在實(shí)際巖體中的傳播特征，并結(jié)合球面波及長柱狀藥子波理論和heelan短柱狀藥包激發(fā)的應(yīng)力波場解析解，前人提出在單孔爆破理論公式，并通過室內(nèi)外資料和數(shù)值模擬結(jié)果初步證明了該式的有效性，具體為：式中k為與地形地質(zhì)相關(guān)的系數(shù)，α為爆破振動衰減指數(shù)，k和α一般通過現(xiàn)場試驗(yàn)來確定；v0炮孔壁上即rb＝r時(shí)質(zhì)點(diǎn)峰值振速；c0為巖石縱波波速。同時(shí)，對多孔起爆時(shí)，質(zhì)點(diǎn)峰值振速進(jìn)行了研究，如下式所示：v＝k'kv0(rb/r)α(03)式中k'為多孔同段位起爆下的修正系數(shù)，與同段炮孔起爆數(shù)目，計(jì)算點(diǎn)與炮孔連線的位置等因素有關(guān)。3.在實(shí)際爆破過程中，運(yùn)用式(03)計(jì)算爆破質(zhì)點(diǎn)峰值振速比較困難，主要存在以下主要問題：(1)實(shí)際隧道爆破過程中，往往是多孔多段起爆，炮孔直徑有時(shí)也不完全相同；裝藥不耦合系數(shù)也有差異，導(dǎo)致炮孔壁上壓力峰值也不相同，并且是多段雷管起爆，因此難以確定rb和p0。(2)從目前文獻(xiàn)來看，關(guān)于多孔同時(shí)起爆條件下的修正系數(shù)并沒有明確的計(jì)算公式或取值。有學(xué)者提出當(dāng)爆心距大于400倍的炮孔半徑時(shí)，多孔影響系數(shù)可近似取炮孔數(shù)目，但并未給出具體推理過程和原因，因此多孔影響系數(shù)k’難以確定。4.鑒于上述原因，對式(03)進(jìn)行修正，具體思路如下：(1)針對rb和p0難以確定的情況，僅考慮首段即掏槽眼爆破產(chǎn)生的影響。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)文獻(xiàn)，一般情況下掏槽眼爆破時(shí)產(chǎn)生的振動最大，這是因?yàn)樘筒垩郾茣r(shí)僅有一個(gè)臨空面，巖石夾制作用很大并且炸藥量集中，導(dǎo)致圍巖振動很大；輔助眼爆破時(shí)，較掏槽多了一個(gè)臨空面，裝藥總量雖多但位置分散，導(dǎo)致產(chǎn)生的爆破振動效應(yīng)較少；周邊眼往往采用不耦合不連續(xù)裝藥，且裝藥量一般為輔助孔的1/3～1/2，產(chǎn)生的爆破振動較少。同時(shí)隧道爆破段位選擇一般跳段選用，掏槽眼與后續(xù)炮眼起爆時(shí)間相差40～50ms，相關(guān)研究表明在隧道爆破過程中，二次臨空面的形成約為40ms，故可近似忽略后續(xù)爆破的影響，僅考慮掏槽眼爆破的影響。對于淺埋隧道圍巖一般較差，掏槽眼斜插角度一般為70°～75°，角度正弦值為0.94～0.97，故可忽略外插角度的影響。因此，對于rb和p0應(yīng)該僅考慮對爆破振動影響最大掏槽眼的影響。(2)針對k'難以確定的情況，可將多個(gè)炮孔爆破形成的整個(gè)非彈性區(qū)等效成單個(gè)爆源考慮。在強(qiáng)烈的爆破作用下，爆源近區(qū)進(jìn)行著復(fù)雜的變化過程，炮孔周邊的巖體根據(jù)其破壞的程度可以分為粉碎區(qū)、破碎區(qū)和彈性振動區(qū)，將多個(gè)炮孔爆破形成的整個(gè)非彈性區(qū)等效為爆源考慮，多個(gè)集中炮孔同時(shí)爆破使用單個(gè)炮孔爆破代替，并將等效爆破荷載施加到等效彈性邊界上。忽略多個(gè)炮孔爆破時(shí)的相互作用，則每個(gè)掏槽孔爆破均相當(dāng)于在半無限介質(zhì)中起爆，所以多個(gè)掏槽孔起爆時(shí)等效彈性邊界可近似認(rèn)為為各孔破碎區(qū)的包絡(luò)線。因此，多孔起爆影響系數(shù)k'可以等效的方法來考慮?；诖?，多孔起爆條件下質(zhì)點(diǎn)峰值振速式(03)可修正為：式中ve為等效彈性邊界質(zhì)點(diǎn)峰值振速；re等效半徑；pe等效峰值壓力。5.單個(gè)炮孔周圍巖體中傳播的應(yīng)力波式以指數(shù)的形式衰減，此時(shí)等效掏槽孔孔壁上受到等效峰值壓力pe按下式計(jì)算：式中pe為多炮孔等效炮孔壁上等效峰值壓力；p0為單炮孔爆破炮孔壁峰值壓力；η為多孔起爆時(shí)荷載影響系數(shù)，與掏槽孔的個(gè)數(shù)和炮孔布置有關(guān)；rb炮孔半徑；r1和r2為粉碎區(qū)、破碎區(qū)半徑，柱狀常規(guī)炸藥爆炸時(shí)，粉碎區(qū)半徑為裝藥半徑的3～5倍，破碎區(qū)半徑為裝藥半徑的10～15倍；μ為巖石動泊松比。6.隧道爆破時(shí)常采用不耦合裝藥結(jié)構(gòu)，根據(jù)凝聚態(tài)炸藥爆轟chapman-jouguet理論，不耦合裝藥條件下單炮孔的炮孔壁峰值壓力p0一般采用下式計(jì)算：式中ρe為炸藥密度；d為炸藥爆轟速度；γ為等熵指數(shù)，一般取3；dc為裝藥直徑；db為炮孔直徑。7.多孔起爆荷載影響系數(shù)η可采用下式計(jì)算：式中n為掏槽孔個(gè)數(shù)；rb為破碎區(qū)半徑；re為掏槽孔等效彈性邊界半徑。綜上所述，對于多孔起爆條件下質(zhì)點(diǎn)峰值振速理論公式可修正為：式中各參數(shù)的選取如前文所述。8.在爆破振動斷面上方進(jìn)行爆破振動監(jiān)測，根據(jù)實(shí)際爆破場地地形地質(zhì)條件計(jì)算修正公式03中的ve和re。9.獲得爆破振動監(jiān)測數(shù)據(jù)后采用統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行線性回歸擬合參數(shù)k、α，進(jìn)而獲得符合工程實(shí)際地形地質(zhì)狀況的完整公式。10.根據(jù)下一次爆破的實(shí)際裝藥情況，可采用本公式預(yù)測下次爆破臨近建筑物爆破振動質(zhì)點(diǎn)峰值振速。實(shí)施例淺埋大斷面隧道施工時(shí)，以crd施工方法居多，故本發(fā)明以crd施工方法為例。在crd施工過程中，整個(gè)開挖爆破分為四個(gè)部分。隧道在左上導(dǎo)坑、右上導(dǎo)坑部分爆破時(shí)，對既有構(gòu)筑物的影響較第左下導(dǎo)坑、右下導(dǎo)坑部分大得多，所以以監(jiān)測左上導(dǎo)坑、右上導(dǎo)坑部分為主；具體實(shí)施步驟如下：(1)根據(jù)試爆破，設(shè)定爆破振動測試的上下限參數(shù)。本實(shí)施例在測試之前，通過現(xiàn)場試爆破得到隧道爆破最大振速為8cm/s。為了保證有效采集到信號，并避免干擾信號致使儀器誤觸發(fā)，將觸發(fā)電平值設(shè)為振動幅度的20％，即0.4cm/s。由于每次爆破時(shí)間都在1s左右，故爆破振動儀周期設(shè)置為2s；延時(shí)設(shè)置為-100ms。(2)爆破振動儀的現(xiàn)場安裝。本實(shí)施例在測試前，配制水灰比為1：3.5的石膏漿，將傳感器固定在測點(diǎn)上，并使傳感器x軸平行于爆破面，y軸指向爆破面方向，z軸垂直于水平面布設(shè)。(3)數(shù)據(jù)采集。安裝好儀器之后，點(diǎn)擊數(shù)據(jù)采集，然后到安全區(qū)域等待儀器觸發(fā)。zk159+733斷面爆破振動測試結(jié)果如表01所示。表01第一組爆破試驗(yàn)關(guān)鍵點(diǎn)振動速度幅值及相關(guān)參數(shù)(4)采用本文提出的修正公式進(jìn)行計(jì)算。選用提出的公式(08)進(jìn)行回歸計(jì)算；粉碎區(qū)、破碎區(qū)半徑取較大值，裝藥參數(shù)依照實(shí)際掏槽孔裝藥情況選??；炸藥密度、爆速依據(jù)《爆破手冊》選取，v級圍巖巖石密度依照規(guī)范《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范(jtgd70-2014)》選用和縱波波速依照規(guī)范《巖土錨桿與噴射混凝土支護(hù)工程技術(shù)規(guī)范(gb50086-2015)》，計(jì)算參數(shù)如表02所示。表02計(jì)算參數(shù)選取采用spss軟件進(jìn)行線性回歸計(jì)算，回歸公式類型為冪函數(shù)y＝axb(a＞0)，首先需將冪函數(shù)直線化：y*＝a*+bx*；其中y*＝iny，a*＝ina，x*＝inx。進(jìn)行回歸計(jì)算可得實(shí)測數(shù)據(jù)回歸擬合曲線(圖1)。計(jì)算結(jié)果輸出結(jié)果如下表03：表03線性回歸輸出結(jié)果模型rr方調(diào)整r方標(biāo)準(zhǔn)估計(jì)誤差常量a常量b10.8700.7570.7270.218747.2272.616根據(jù)現(xiàn)場測試的10個(gè)測試點(diǎn)振動速度測試結(jié)果，擬合曲線為：v＝1399.14(re/r)2.62；同時(shí)對測試結(jié)果進(jìn)行分析，相關(guān)系數(shù)r＝0.87，決定系數(shù)r2＝0.73表示回?cái)M合曲線v＝1339.14(re/r)2.62能反應(yīng)路面質(zhì)點(diǎn)峰值振速分布情況。(5)為了驗(yàn)證公式的可靠性，在新建隧道右洞yk159+801斷面左上導(dǎo)坑和左下導(dǎo)坑爆破進(jìn)行第二組試驗(yàn)爆破，將實(shí)際監(jiān)測結(jié)果與修正公式計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比分析如下表04所示。表04第二組爆破試驗(yàn)的質(zhì)點(diǎn)峰值振速及修正公式預(yù)測值由實(shí)測結(jié)果和公式計(jì)算結(jié)果對比分析可知，公式計(jì)算結(jié)果和實(shí)測結(jié)果都表明左上導(dǎo)坑爆破時(shí)，關(guān)鍵點(diǎn)1處質(zhì)點(diǎn)振速峰值最大，計(jì)算值與實(shí)際值相差0.43cm/s；右上導(dǎo)坑爆破時(shí)，關(guān)鍵點(diǎn)03質(zhì)點(diǎn)峰值振速最大，計(jì)算值與實(shí)際值相差0.25cm/s。左上導(dǎo)坑爆破時(shí)，計(jì)算值與實(shí)測值相對誤差最小為4.6％，平均相對誤差為17.30％；右上導(dǎo)坑爆破時(shí)，計(jì)算值與實(shí)測值相對誤差最小為1.02％，平均相對誤差為16.15％；10個(gè)地表質(zhì)點(diǎn)峰值實(shí)測值與計(jì)算值平均相對誤差為16.72％。計(jì)算值與實(shí)測值誤差較少，證明該式在一定程度上能夠反應(yīng)爆破振動對既有道路的影響。本發(fā)明的內(nèi)容不限于實(shí)施例所列舉，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員通過閱讀本發(fā)明說明書而對本發(fā)明技術(shù)方案采取的任何等效的變換，均為本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。當(dāng)前第1頁12