英语原文共 8 页
内容列表可以在SciVerse ScienceDirect中找到
隧道与地下空间技术
期刊主页：www.elsevier.com/locate/tust
地下隧道稳定性对相邻隧道爆炸的评价
中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室，武汉430071
西澳大利亚大学土木与资源工程学院，35斯特灵公路，Crawley WA6009，澳大利亚国防科学技术局,，1 Depot Road＃03-01J，Singapore 109679，新加坡
文章信息
文章历史：
2012年2月4日收到
于2012年7月6日收到修订后的文章
于2012年7月23日获得文章
2012年8月17日可以在线提供
关键词：
隧道稳定性
地下爆炸
峰值粒子速度
应力波传播
安全评估
分离距离
- 简介
地下岩室或隧道的安全和稳定往往受到爆炸引起的振动的影响。爆炸载荷的来源可能来自于意外爆炸或邻近房间或隧道的钻机或爆炸挖掘。爆炸引起的波通过地下隧道周围的岩体传播,当入射波到达隧道边界时,就会产生反射波。入射和反射波引起振动,并可能导致在隧道边界或附近的应力损伤。对爆炸荷载对地下隧道的运动和潜在破坏进行可靠的估计,对结构的设计和稳定性评估至关重要。隧道的动力特性与相邻隧道之间的距离、荷载密度 (电荷重量与舱室体积之比)、隧道几何形状、岩体性质和连接层
摘要
一种考虑峰值粒子速度（PPV）预测地下隧道行为的理论方法，且本研究中提出了应力分布。为了评估隧道的稳定性，来自相邻隧道的地下隧道的爆炸引起的波浪影响是明确的。根据岩石中的波传播规律和在波前的动量守恒定律，本文首先推导了相邻隧道围墙的运动方程。进行案例研究，且分析方法是通过比较相邻隧道壁的PPV来校准的，然后用经验公式得出结果。最后隧道安全性通过分析PPV和应力分布来评估，接着进行了关于分离距离和加载密度的影响的参数研究，相邻隧道壁的潜在脆性破坏也进行了。
安全分离距离是在两个相邻隧道被预测并且与经验PPV标准和最大拉伸强度标准相比较而得。
2012 Elsevier Ltd.保留所有权利
等诸多因素有关。通常情况下,振动是通过峰值粒子速度 (ppv)观察和测量的 (hendron, 1977年;langefors和kilstrom,1978年;fourie and green, 1993年;tunstall, 1997年; singh, 2002年;wu 等人, 2004年)。odello (1980年)、国防部爆炸物安全委员会(ddesb, 2004年) 和北大西洋公约组织 (北约, 2006年)等地下弹药储存的设计规范和条例采用了ppv作为被地下爆炸引起的振动的结构标准评估。
地下隧道动力响应的估算方法通常有多种，包括经验法和数值模拟法。现场爆破试验通常是在观测岩石动力响应的基础上，通过现场爆破试验得到PPV的经验公式。根据PPV的经验公式，可以对岩石中的破坏区域进行评价。例如，美国陆军工程兵团(US Army Corps of Engineers)在1948年至1952年间在砂岩、花岗岩和石灰岩的无衬砌隧道附近进行了一些大规模的爆炸试验，并按照PPV (Hendron, 1977)对破坏区域进行了分类。singh(2002年) 根据屋顶岩石的损伤区和岩体等级 (RMR),调查了ppv的地下工作安全阈值。根据试验数据, 美国国防部(ddesb, 2004年) 规定了两条隧道之间的最小分离距离，建议最小分离距离 (单位、米)为,以防止危险的剥落效应;当受体隧道没有特殊的保护结构时，最小分离距离设置为来防止喷石爆炸通信, 当受体隧道具有保护结构时,最小分离距离设置为，其中W为荷重(kg)。Zhou和Jenssen(2009)进行了现场试验，分析了不同质量岩体中相邻隧道爆炸的安全距离。Germanovich和Dyskin(2000)通过分析地下硐室在压缩过程中的断裂机制和失稳情况，发现岩石表面剥落的重复过程与巷道周围应力集中的变化有关 Martin和Christiansson(2009)开发了一种简单的方法来估计晶体岩石中核废料深部地质储存库剥落的发生和稳定性。
理论研究是研究地下室爆炸引起运动的另一种方法, 它可以揭示应力波与地下室相互作用的机理, 揭示了地下室的运动机理。应力波与地下室之间的相互作用。同时, 该方法在一定程度上为现场试验和数值模拟提供了估计和参考。例如,赵等人 (1999年) 通过分析岩体中的应力波传播规律, 对弹药储存洞室的施工进行了岩石动力学研究。
如果在圆形截面的隧道中发生一次爆炸，爆炸会在很短的时间内产生冲击波和气体压力波。它的能量分布在一个很宽的频率范围内。激波使大气压突然几乎瞬间上升到高于环境大气条件的峰值自由场超压。气体压力波在超压上逐渐上升到峰值侧向峰值, 然后是逐渐的压力衰减。冲击和气体压力波引起的应力波通常被认为以圆柱形的形式在地下传播,并从周围岩体的电荷隧道径向传播 (henrych, 1979年)。由于岩体实际上是不连续的介质, 包含许多裂缝和节理, 因此岩体中的应力波传播是一个非常复杂的过程(crampin, 1981年;king 等人,1986年;赵等人, 1999年;焦亚等人, 2005年;焦等人,2007年)。岩体中的节理之间存在多波反射和传递, 影响了波的传播,使分析变得困难。岩体中的应力波衰减与几何展开和材料阻尼有关(dowding, 1996)。通过田间试验发现,爆炸引起的岩体波传播在很大程度上取决于材料阻尼比(worthington等人,2001年)。当爆炸引起的波在岩体中传播并达到自由边界时,反射纵向 (p-) 和剪切波是同步引起的(achenbach, 1973年;等人, 1994年)。相邻隧道的反应是由爆炸引起的波的直接和间接作用引起的,爆炸引起的波是指来自地表的反射p和s波的影响。
本文首先根据波前动量守恒原理,分析和建立了地下爆炸诱发波与自由边界的相互作用。地下爆炸引起的应力波被认为是在围岩中传播的圆柱形波(压力波或p波)。相邻地下隧道的振动是由三种波引起的，一种是爆炸诱发的波，另两种是地表反射的P-和Swaves波。三个应力波与相邻的无衬砌隧道之间的相互作用也会产生隧道壁反射的p波和s波, 然后向周围的岩体传播。然后将相邻隧道墙体的 ppv 计算公式与经验公式进行了比较。分析了相邻隧道墙体周围的应力分布。根据 ppv 值和抗拉强度准则, 预测了岩石的潜在脆性破坏或剥落, 确定了相邻隧道周围的破坏区和两个隧道之间必要的安全分离距离。
2.相邻隧道墙体运动方程的推导
2.1. 爆炸引起的波与自由边界之间的相互作用
考虑到在长、圆形截面的装药隧道中发生的地下爆炸,假定岩体中诱发应力波的波前是圆柱形的。且假定电荷沿隧道轴线均匀分布。当荷载密度不是很高时, 可以认为周围的岩体是弹性变形的。在本研究中, 假定只有p 波是由爆炸引起的。然后,诱导的p波在周围的岩体中圆柱形传播。为了简化起见,不考虑土壤覆盖,本分析只涉及一种介质, 即岩体。岩体被认为是连续的、均匀的、各向同性的和线性弹性的,只有一个阻尼比。此外,在传播过程中,爆炸引起的波的频率假定为恒定。
当事件p波到达地面或毗邻隧道墙壁时,波浪反射发生 (kolsky, 1953年;等人,1994年)。入射p波的传播方向被认为是在 x-z 平面上,电荷隧道的纵轴为y轴。在图1中, Ip 表示来自电荷隧道的爆炸引起的波, Ip 的最大值被定义为其大小。Rp1 和 Rs1 是爆炸引起的波击中隧道壁时的反射波。Ri2 和 Ri3 (i = p 和 s) 分别是反射的 p 和 s 波从地面的多重反射。在图1中，h记录了从充电隧道顶部到地面的垂直距离;SD是电荷和相邻隧道之间的间隔距离（岩石厚度，单位：m）;点o1和o2分别是电荷和相邻隧道的中心;是一个虚拟点，镜像到地面o1。
图2显示了圆柱形波和自由边界之间的相互作用。当入射 p 波的细束具有圆柱形波的前部和一个小的中心角撞击自由边界时, 就会有一个由aa#39;、ac和a#39;c组成的微小元素aa#39;c,如图2a 所示, 它们是自由边界, 分别为入射 p 波的波前和波束侧,边界上还有一些其他微小元素由反射的P波和S波形成。如图2b和c所示，分别地，其中线ad是反射P波的波束侧，线ae是反射S波的波束侧。在图2中，和分别是入射和反射P波的径向分量;和分别是入射和反射P波的周向分量;是反射S波的剪切应力。考虑到边界上的入射P波和反射波之间的关系（Li和Ma，2009; Li等，2012），自由边界上的应力可表示为
其中和是正应力分量和剪切分量如图2，vIp，vRp和vRs分别是入射P波，反射P波和S波的粒子速度;和是分别出现P波和S波的角度
是泊松比，Zp=Cp和Zs=Cs，是岩石介质的密度，Cp和Cs分别是P波和S波的波传播速度。 如果考虑自由边界条件，即=0且=0，则VRp和VRs可以从方程式中表示。（1）和（2）以矩阵形式表示为
当入射P波在自由边界处反射时，正常和速度的切向分量，即Vp-nb和Vp-sb，用于边界可以表示为入射波和反射波的函数，或者
从方程式（5）（6）可以看出的另一种形式为
考虑到方程式（3）和（7）也可写成
且
对于具有圆柱波前的入射S波，应力与相应的粒子速度之间的关系也可以从压力波的交互式表达中得出在边界上（Li et al，2012）。自由边界的运动由事件引起的S波可以在数学上表示为
且
因此，图1中所示的相邻隧道壁的运动可以从等式1中导出。（8）和（10）分别用于圆柱形的P-和S-波。由于相邻隧道壁的振动是由入射的爆炸引起的波浪和来自地面的反射的P波和S波引起的，因此下面的研究将集中在对三波的传播进行分析。岩体及其对邻近隧道的影响。
2.2。 应力波传播
在波浪在地下岩体中传播时，在地下岩体中的波传播过程中，几何扩散和材料阻尼是应力波衰减或衰减的两个主要原因（Dowding，1996）。在这项研究中，几何扩散与压力波的圆柱展开有关。由于几何变化，波前的波能量逐渐减小。流过单位波前的能量强度ej与半径rj之间的关系和充电隧道周围岩体的动能强度之间的关系写为：
其中Mj和Vj分别是岩石的质量和相应的体积;Vj是圆柱形的粒子速度波前半径为rj。根据能源保护法，有（Dowding，1996）
其中e1是通过半径为r1的圆柱形波前的能量强度。来自方程式。（12）和（13）。
圆柱应力波在半径为rj的区域内的几何展开可表示为
其中r0是充电隧道的半径。除了几何扩散之外，由介质的不完美或缺陷引起的吸收也导致能量损失，这可以通过使用扩散距离的指数形式的吸收系数来解决。在先前关于爆炸引起的振动的研究中，通常采用吸收系数作为阻尼。例如，来自Worthington等人的实验研究。（2001），沉积岩的材料阻尼在低频范围内，与应变水平有关。在Torahato等人的石灰石有限元模型中。（2006），阻尼矩阵等于质量和刚度矩阵的线性组合。由于岩石系统的能量损失主要由软到硬变化，因此在Shin等人的数值计算中使用5％瑞利阻尼。（2011年）。为了简化问题，本研究中的岩体被假定为等效于材料的弹性阻尼。定义作为初始爆炸诱导的P波附近充电隧道墙。当方程中的几何扩散时。方程式（14）考虑岩体的阻尼，在地下传播的爆炸诱导波VIp给出为
其中是岩体的材料阻尼比; l是从充电隧道中心o1到岩体中任意点的距离。当vIp到达地面时，反射的P波和S波，即v0 Rp和v0 Rs，被创建并传播为两个新的入射波在两个径向方向上。来自地表的反射应力波的传播可以写成，
其中是从岩体中任意点到镜像点的距离;等于从点o01到地面反射点的距离; 是反射的P波或S波的波前的一个半径，k = 2，3代表分别为v0 Rp和v0 Rs。
从方程式（15）和（16）可以看出，对于弹性介质在一个阻尼比下，只有波幅在波传播过程中衰减。换句话说，波频率在波传播期间保持恒定。
2.3。相邻隧道围岩的运动方程
将Vnbi（t）和Vsbi（t）（i = 1,2,3）定义为由爆炸引起的波浪引起的运动的径向和正切组成部分，分别来自地表的反射P波和S波。当方程式（8）和（10）用于入射P波和S波与自由边界和方程的相互作用。考虑（15）和（16）对于岩体中的波传播，可以导出振动的分量Vnbi（t）和Vsbi（t）。因此，相邻隧道壁的振动是
其中i = 1,2和3用于分别由波浪
资料编号：[4314]
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
