本發(fā)明涉及隧道爆破施工安全
技術領域：
，具體涉及一種淺埋隧道爆破施工地表質(zhì)點峰值振速的預測方法。
背景技術：
：淺埋大斷面隧道施工安全和下穿既有構筑物一直是隧道施工技術難點，廣大科技工作者致力于研究隧道在淺埋、下穿既有構筑物地表質(zhì)點峰值振速，并取得了很多成果。關于爆破施工對地表構筑物的影響，質(zhì)點峰值振速是最重要的判別指標。然而，目前采用的預測地表質(zhì)點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的薩道夫公式，通過試驗獲得相關數(shù)據(jù)來擬合參數(shù)k和a，得到符合工程實際的質(zhì)點峰值振速衰減公式，進而預測下一次爆破中質(zhì)點峰值振速。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)點峰值振速的影響。技術實現(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)點峰值振速的預測方法，考慮因素更為全面、預測結果更為精確。本發(fā)明所采用的技術方案為：淺埋隧道爆破施工地表質(zhì)點峰值振速的預測方法，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)點振動峰值的計算公式，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)點峰值振速理論公式，然后根據(jù)實際施工時的爆破參數(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，采集測點地表質(zhì)點峰值振速，然后將采集到的數(shù)據(jù)采用統(tǒng)計分析軟件進行線性回歸分析，擬合參數(shù)與地形地質(zhì)相關的系數(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)點與爆源之間的距離，帶入到多孔起爆條件下質(zhì)點峰值振速理論公式中，推算出地表質(zhì)點的峰值振速。步驟一中，多孔爆破等效為單孔爆破的過程為：將多個炮孔爆破形成的整個非彈性區(qū)等效為爆源考慮，多個集中炮孔同時爆破使用單個炮孔爆破代替，并將等效爆破荷載施加到等效彈性邊界上；忽略多個炮孔爆破時的相互作用，則每個掏槽孔爆破均相當于在半無限介質(zhì)中起爆，所以多個掏槽孔起爆時等效彈性邊界可近似認為為各孔破碎區(qū)的包絡線。步驟一的具體步驟為：(1.1)在完全彈性體內(nèi)，實際單個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)相關的系數(shù)，a為爆破振動衰減指數(shù)；v0炮孔壁上即rb＝r時質(zhì)點峰值振速；c0為巖石縱波波速；(1.2)多孔起爆時，多孔起爆條件下質(zhì)點峰值振速式為：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)進行修正：式中ve為等效彈性邊界質(zhì)點峰值振速；re等效半徑；pe等效峰值壓力；(1.3)單個炮孔周圍巖體中傳播的應力波式以指數(shù)的形式衰減，此時等效掏槽孔孔壁上受到等效峰值壓力pe按下式計算：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，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采用下式計算：式中n為掏槽孔個數(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)點峰值振速理論公式修正為：本發(fā)明具有以下優(yōu)點：本發(fā)明在現(xiàn)有的單孔爆破的理論公式的基礎上，對其進行修正得到多孔起爆條件下質(zhì)點峰值振速理論公式，運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)點峰值振速的影響，同時還能根據(jù)實際的爆破參數(shù)和地質(zhì)情況，計算出地表固定點的爆破振動峰值振速。附圖說明圖1為實測數(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)明實施例路面質(zhì)點峰值振速監(jiān)測布點示意圖。圖4為zk159+733左上關鍵點z向質(zhì)點峰值振速(關鍵點3z向質(zhì)點峰值振速0.89cm/s)。圖5為zk159+733左上關鍵點z向質(zhì)點峰值振速(關鍵點1z向質(zhì)點峰值振速1.32cm/s)。圖6為zk159+733左上關鍵點z向質(zhì)點峰值振速(關鍵點0z向質(zhì)點峰值振速0.71cm/s)。圖7為zk159+733左上關鍵點z向質(zhì)點峰值振速(關鍵點2z向質(zhì)點振速0.52cm/s)。圖8為zk159+733左上關鍵點z向質(zhì)點峰值振速(關鍵點4z向質(zhì)點振速0.36cm/s)。圖9為zk159+733右上關鍵點z向質(zhì)點峰值振速(關鍵點3z向質(zhì)點峰值振速0.55cm/s)。圖10為zk159+733右上關鍵點z向質(zhì)點峰值振速(關鍵點1z向質(zhì)點峰值振速0.85cm/s)。圖11為zk159+733右上關鍵點z向質(zhì)點峰值振速(關鍵點0z向質(zhì)點峰值振速1.17cm/s)。圖12為zk159+733右上關鍵點z向質(zhì)點峰值振速(關鍵點2z向質(zhì)點峰值振速1.24cm/s)。圖13為zk159+733右上關鍵點z向質(zhì)點峰值振速(關鍵點4z向質(zhì)點峰值振速0.73cm/s)。圖14為為本發(fā)明實施例采用spss軟件線性擬合輸出結果文件。具體實施方式下面結合具體實施方式對本發(fā)明進行詳細的說明。本發(fā)明涉及的淺埋隧道爆破施工地表質(zhì)點峰值振速的預測方法，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)點峰值振速預測方法，包括以下步驟：步驟一：根據(jù)現(xiàn)有的單孔爆破質(zhì)點振動峰值的計算公式，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)點峰值振速理論公式，然后根據(jù)實際施工時的爆破參數(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，采集測點地表質(zhì)點峰值振速，然后將采集到的數(shù)據(jù)采用統(tǒng)計分析軟件進行線性回歸分析，擬合參數(shù)與地形地質(zhì)相關的系數(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)點與爆源之間的距離，帶入到多孔起爆條件下質(zhì)點峰值振速理論公式中，推算出地表質(zhì)點的峰值振速。上述步驟的具體計算過程如下：1.在完全彈性體內(nèi)，實際單個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)僅僅是理論計算的結果，運用到實際爆破振動質(zhì)點峰值振速的計算中，需要對式(01)依據(jù)實際情況進行修正。2.考慮應力波在實際巖體中的傳播特征，并結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)場試驗來確定；v0炮孔壁上即rb＝r時質(zhì)點峰值振速；c0為巖石縱波波速。同時，對多孔起爆時，質(zhì)點峰值振速進行了研究，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，計算點與炮孔連線的位置等因素有關。3.在實際爆破過程中，運用式(03)計算爆破質(zhì)點峰值振速比較困難，主要存在以下主要問題：(1)實際隧道爆破過程中，往往是多孔多段起爆，炮孔直徑有時也不完全相同；裝藥不耦合系數(shù)也有差異，導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)從目前文獻來看，關于多孔同時起爆條件下的修正系數(shù)并沒有明確的計算公式或取值。有學者提出當爆心距大于400倍的炮孔半徑時，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)驗和相關文獻，一般情況下掏槽眼爆破時產(chǎn)生的振動最大，這是因為掏槽眼爆破時僅有一個臨空面，巖石夾制作用很大并且炸藥量集中，導致圍巖振動很大；輔助眼爆破時，較掏槽多了一個臨空面，裝藥總量雖多但位置分散，導致產(chǎn)生的爆破振動效應較少；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)炮眼起爆時間相差40～50ms，相關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，可將多個炮孔爆破形成的整個非彈性區(qū)等效成單個爆源考慮。在強烈的爆破作用下，爆源近區(qū)進行著復雜的變化過程，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)，將多個炮孔爆破形成的整個非彈性區(qū)等效為爆源考慮，多個集中炮孔同時爆破使用單個炮孔爆破代替，并將等效爆破荷載施加到等效彈性邊界上。忽略多個炮孔爆破時的相互作用，則每個掏槽孔爆破均相當于在半無限介質(zhì)中起爆，所以多個掏槽孔起爆時等效彈性邊界可近似認為為各孔破碎區(qū)的包絡線。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)點峰值振速式(03)可修正為：式中ve為等效彈性邊界質(zhì)點峰值振速；re等效半徑；pe等效峰值壓力。5.單個炮孔周圍巖體中傳播的應力波式以指數(shù)的形式衰減，此時等效掏槽孔孔壁上受到等效峰值壓力pe按下式計算：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為多孔起爆時荷載影響系數(shù)，與掏槽孔的個數(shù)和炮孔布置有關；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，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.隧道爆破時常采用不耦合裝藥結構，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可采用下式計算：式中n為掏槽孔個數(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行爆破振動監(jiān)測，根據(jù)實際爆破場地地形地質(zhì)條件計算修正公式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)計分析軟件進行線性回歸擬合參數(shù)k、α，進而獲得符合工程實際地形地質(zhì)狀況的完整公式。10.根據(jù)下一次爆破的實際裝藥情況，可采用本公式預測下次爆破臨近建筑物爆破振動質(zhì)點峰值振速。實施例淺埋大斷面隧道施工時，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，整個開挖爆破分為四個部分。隧道在左上導坑、右上導坑部分爆破時，對既有構筑物的影響較第左下導坑、右下導坑部分大得多，所以以監(jiān)測左上導坑、右上導坑部分為主；具體實施步驟如下：(1)根據(jù)試爆破，設定爆破振動測試的上下限參數(shù)。本實施例在測試之前，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)電平值設為振動幅度的20％，即0.4cm/s。由于每次爆破時間都在1s左右，故爆破振動儀周期設置為2s；延時設置為-100ms。(2)爆破振動儀的現(xiàn)場安裝。本實施例在測試前，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。(3)數(shù)據(jù)采集。安裝好儀器之后，點擊數(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果如表01所示。表01第一組爆破試驗關鍵點振動速度幅值及相關參數(shù)(4)采用本文提出的修正公式進行計算。選用提出的公式(08)進行回歸計算；粉碎區(qū)、破碎區(qū)半徑取較大值，裝藥參數(shù)依照實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《公路隧道設計規(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工程技術規(guī)范(gb50086-2015)》，計算參數(shù)如表02所示。表02計算參數(shù)選取采用spss軟件進行線性回歸計算，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。進行回歸計算可得實測數(shù)據(jù)回歸擬合曲線(圖1)。計算結果輸出結果如下表03：表03線性回歸輸出結果模型rr方調(diào)整r方標準估計誤差常量a常量b10.8700.7570.7270.218747.2272.616根據(jù)現(xiàn)場測試的10個測試點振動速度測試結果，擬合曲線為：v＝1399.14(re/r)2.62；同時對測試結果進行分析，相關系數(shù)r＝0.87，決定系數(shù)r2＝0.73表示回擬合曲線v＝1339.14(re/r)2.62能反應路面質(zhì)點峰值振速分布情況。(5)為了驗證公式的可靠性，在新建隧道右洞yk159+801斷面左上導坑和左下導坑爆破進行第二組試驗爆破，將實際監(jiān)測結果與修正公式計算結果進行對比分析如下表04所示。表04第二組爆破試驗的質(zhì)點峰值振速及修正公式預測值由實測結果和公式計算結果對比分析可知，公式計算結果和實測結果都表明左上導坑爆破時，關鍵點1處質(zhì)點振速峰值最大，計算值與實際值相差0.43cm/s；右上導坑爆破時，關鍵點03質(zhì)點峰值振速最大，計算值與實際值相差0.25cm/s。左上導坑爆破時，計算值與實測值相對誤差最小為4.6％，平均相對誤差為17.30％；右上導坑爆破時，計算值與實測值相對誤差最小為1.02％，平均相對誤差為16.15％；10個地表質(zhì)點峰值實測值與計算值平均相對誤差為16.72％。計算值與實測值誤差較少，證明該式在一定程度上能夠反應爆破振動對既有道路的影響。本發(fā)明的內(nèi)容不限于實施例所列舉，本領域普通技術人員通過閱讀本發(fā)明說明書而對本發(fā)明技術方案采取的任何等效的變換，均為本發(fā)明的權利要求所涵蓋。當前第1頁12