地铁隧道掘进爆破振动测试与数值模拟研究

摘要

随着城市交通事业的蓬勃发展，大量地铁需要修建。由于工程地质条件的限制，一部分地铁隧道需要采用钻爆法施工，但地铁隧道多处于城市中心，地表建筑物众多，环境复杂，爆破产生的震动效应很可能危及到地表建筑物的安全，从而使得爆破施工难度增大。为此，研究爆破地震波在地表的传播特征及衰减规律，具有重要的科学意义和应用价值。
　　 本文以武汉地铁二号线广虎区隧道掘进爆破施工的振动安全监测项目为依托，对爆破施工过程进行了实时监测，获得了大量现场监测数据，为论文的研究奠定了实践基础。将采集到的振动数据进行分析处理，并结合数值模拟软件计算，主要研究内容和结论如下：
　　 (1)利用最小二乘法对掌子面前后方的地表振速进行回归分析，确定该地段经验公式预测方法中的K、α值。用萨道夫斯基公式对隧道掘进前方地表振速进行拟合时，相关性较好，其震动强度可以用该公式预测，而隧道掘进后方地表振速拟合的相关性较差，爆破震动强度不符合该公式给出的衰减规律。对爆破地震波的主频进行统计分析，发现主振频率基本集中在10～60Hz之间，远远大于建筑物的固有频率，基本不会出现共振现象。
　　 (2)将隧道掌子面掘进前后方的地表振速进行对比，发现掌子面后方已开挖区地表振速比掌子面前方相应点的振速大。因此，在确定隧道掘进爆破施工方案时，必须考虑到隧道地表振速的这种放大效应，否则很可能危及到掌子面后方地表建筑物的安全。
　　 (3)当最大段药量一定时，实验结果表明：在平整地形下，爆破地震波峰值振速随爆源比例距离的增加按指数规律增加，但随着爆心距的增加而逐渐减小，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，并且有被放大的现象。地震波的主振频率是随机出现的，但总体上随传播距离的增大呈减小趋势。
　　 (4)提出了施工过程中最大段药量的计算公式，并在不同允许峰值振速条件下，拟合了爆心距与单段最大装药量的关系。
　　 (5)运用动力有限元程序ANSYS/LS-DYNA对隧道掘进的掏槽孔爆破进行模拟，得出隧道掘进爆破振动的传播规律，但数值计算中，模拟得到的振速比实测值偏大，并且波形相对较简单。通过对地表质点的振动特性以及衰减规律进行分析，其结果与实测数据得出的结论相吻合，证明建立的模拟方法对实际工程爆破振动进行预测和分析是可行的。