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夹泥灰岩隧道爆破参数对超欠挖的影响研究

工程爆破 2024年第2期30卷 78-87页

作者：胡桂斌中国铁建大桥工程局集团有限公司天津300300

为了研究夹泥灰岩隧道爆破参数对超欠挖的影响,通过ANSYS/LS-DYNA有限元计算软件建立夹泥灰岩隧道周边孔爆破三维模型,以爆破超欠挖面积为评价指标,得到了周边孔的孔间距、径向不耦合系数、光爆层厚度以及装药结构4种关键参数对超欠挖... 详细信息

为了研究夹泥灰岩隧道爆破参数对超欠挖的影响,通过ANSYS/LS-DYNA有限元计算软件建立夹泥灰岩隧道周边孔爆破三维模型,以爆破超欠挖面积为评价指标,得到了周边孔的孔间距、径向不耦合系数、光爆层厚度以及装药结构4种关键参数对超欠挖的影响规律;设计了正交试验方案,得出各爆破参数的最佳取值,并将优化后的爆破方案运用到三角塘隧道中,得到优化后方案超挖面积减小5.03 m^(2),相较于原爆破方案降低了69%,隧道每延米可直接节省经济成本613.8元。

关键词：光面爆破夹泥岩体超欠挖数值模拟

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基于图像三维重建的隧道超欠挖检测方法研究

中南大学学报（自然科学版） 2020年第3期51卷 714-723页

作者：阳军生张宇祝志恒傅金阳谢壮王立川中南大学土木工程学院湖南长沙410075 广州地铁设计研究院股份有限公司广东广州510010 中国铁路成都局集团公司有限公司四川成都610082

提出一种基于图像三维重建的隧道超欠挖检测方法。该方法基于计算机视觉运动恢复结构算法(SFM)和半全局匹配算法(SGM)实现隧道实际开挖轮廓图像三维点云重建,再利用Delaunay三角剖分算法实现隧道实际开挖轮廓三维曲面模型重建,并基于设... 详细信息

提出一种基于图像三维重建的隧道超欠挖检测方法。该方法基于计算机视觉运动恢复结构算法(SFM)和半全局匹配算法(SGM)实现隧道实际开挖轮廓图像三维点云重建,再利用Delaunay三角剖分算法实现隧道实际开挖轮廓三维曲面模型重建,并基于设计开挖轮廓线和中心轴线建立隧道设计开挖轮廓三维曲面模型;以蒙华铁路大围山隧道DK1665+454—DK1665+484作为工程试验段进行现场试验分析,对所提方法有效性进行验证。研究结果表明:通过隧道实际开挖轮廓三维曲面模型与设计的开挖轮廓三维曲面模型比较分析,可实现对不同类型隧道整体超欠挖状况、超欠挖值、超欠挖面积以及超欠挖体积进行检测与评价;隧道设计开挖轮廓三维曲面模型具有数据采集设备简单、不干扰施工、检测范围全面、检测结果准确的特点;图像三维重建检测方法可实现隧道超欠挖准确检测,检测精度与三维激光扫描检测方法的相近,且比传统检测方法的精度高。

关键词：隧道工程超欠挖运动恢复结构半全局匹配三维图像点云图像三维重建

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隧道超欠挖检测信息系统设计与实现

现代隧道技术 2020年第2期57卷 42-48页

作者：廖凯李林吴剑中铁西南科学研究院有限公司成都611731 中铁科学研究院有限公司成都610031

针对隧道超欠挖控制的关键因素检测及爆破后效果评价需求,研制了炮眼钻孔检测杆,开发了隧道超欠挖检测手机APP和B/S版隧道超欠挖检测信息化管理平台。利用手机APP连接钻孔检测杆及全站仪,对炮眼钻孔三维角度信息、位置信息及爆破后隧道... 详细信息

针对隧道超欠挖控制的关键因素检测及爆破后效果评价需求,研制了炮眼钻孔检测杆,开发了隧道超欠挖检测手机APP和B/S版隧道超欠挖检测信息化管理平台。利用手机APP连接钻孔检测杆及全站仪,对炮眼钻孔三维角度信息、位置信息及爆破后隧道断面进行检测、计算及传输,实现了隧道爆破过程检测及爆破断面效果评价,为后续动态调整爆破参数及超欠挖控制研究提供有效辅助。

关键词：爆破超欠挖检测系统信息系统钻孔检测杆断面扫描

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基于数字孪生的隧道钻爆施工超欠挖控制研究

基于数字孪生的隧道钻爆施工超欠挖控制研究

作者：方佳龙华中科技大学

学位级别：硕士

近年来公路隧道工程在全国范围内蓬勃发展,国家十四五规划对其发展和建设提出了更高的要求,钻爆法隧道施工中的超欠挖问题亟待解决,然而传统的全站仪等测量方法和超欠挖管理手段已难以适应当下隧道工程的精细化管控要求。因此本文基于... 详细信息

近年来公路隧道工程在全国范围内蓬勃发展,国家十四五规划对其发展和建设提出了更高的要求,钻爆法隧道施工中的超欠挖问题亟待解决,然而传统的全站仪等测量方法和超欠挖管理手段已难以适应当下隧道工程的精细化管控要求。因此本文基于数字孪生理论,提出了钻爆法隧道超欠挖计算与管理的数字孪生框架,构建了超欠挖计算理论模型和数字化管控平台,从而实现计算结果的可视化与分区管理的精细化,最后结合实际案例进行应用研究。具体工作如下:(1)本文通过对传统钻爆法隧道施工管理及超欠挖计算的研究,结合数字孪生理论提出了以BIM技术为背景、以三维激光扫描技术为基础、三维激光扫描仪作为工具、隧道掌子面点云数据作为基础的整体框架;(2)本文基于数字孪生框架,提出了一套针对钻爆隧道掌子面点云的处理流程和参数指标,并建立了超欠挖计算模型。基于数字孪生模型的三角网格特性,准确计算出了超欠挖量、截面超欠挖面积和整体超欠挖体积。在此基础上用颜色梯度图完成了超欠挖量的可视化,并基于掌子面钻爆工作区域完成了超欠挖量分区管理;(3)本文基于该方法,建立了BIM数字孪生智能施工管控平台,并对计算结果进行了隧道模拟理想试验验证和隧道工程现场试验验证,并对实际工程数据进行了分析对比,验证了其可行性与先进性。本文的研究实现了钻爆隧道超欠挖量高效精准的计算和管理。该方法的运用能通过减少超欠挖量的方式来增加经济效益,同时也能改进传统的施工管理,具有一定的实践参考价值。

关键词：钻爆法隧道施工数字孪生三维激光扫描技术点云模型超欠挖

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节理对隧道爆破超欠挖影响机理研究

节理对隧道爆破超欠挖影响机理研究

作者：杨凯太原理工大学

学位级别：硕士

在隧道光面爆破施工中超欠挖现象是难以避免的,节理的存在、爆破参数、地质条件和施工管理等因素都会造成此现象的发生,超欠挖的存在会对工程本身造成巨大的安全隐患,严重影响进度并增加经济成本。鉴于岩体特性和爆破过程的复杂性,节理... 详细信息

在隧道光面爆破施工中超欠挖现象是难以避免的,节理的存在、爆破参数、地质条件和施工管理等因素都会造成此现象的发生,超欠挖的存在会对工程本身造成巨大的安全隐患,严重影响进度并增加经济成本。鉴于岩体特性和爆破过程的复杂性,节理的存在会严重影响隧道光面爆破效应,因此充分掌握节理对隧道光面爆破超欠挖的影响机理并准确控制爆破断面形状显得格外重要,具备重要的工程意义和理论价值。本文首先通过对节理轮廓线的研究为节理和超欠挖的量化提供一种研究工具,结合分形特征计算相关理论,建立了围岩质量与超欠挖之间的量化关系;然后在统一光面爆破参数的基础上运用离散元软件PFC2D分析节理对光面爆破超欠挖的影响,紧接着对光面爆破参数进行调整,分析光面爆破参数对超欠挖的影响,并结合这两项研究内容,得到了节理和爆破参数对光面爆破超欠挖影响的一般规律;最后通过将围岩质量与超欠挖之间的量化关系及影响规律结合,借助隧道全断面数值模拟系统分析节理对隧道光面爆破超欠挖的影响机理并提出了相关优化措施,运用这些优化措施之后所模拟断面均达到理想的爆破效果,对超欠挖控制效果较好。主要结论如下:1.通过MATLAB编程建立节理轮廓线的数字化表征工具,结合分形特征计算相关理论计算了隧道爆破超欠挖轮廓面的分形维数,总结如下:(1)数字化表征方法对节理粗糙度系数JRC经验公式具有很好的验证效果,为隧道光面爆破设计和超欠挖的量化研究提供了重要的参考价值和理论基础;(2)通过隧道光面爆破超欠挖轮廓面分形维数计算,建立了围岩质量与超欠挖之间的量化关系,相比较而言,Ⅴ级围岩的分形维数比Ⅳ级围岩大,从分形几何的角度出发,分形维数越大,其超欠挖现象就越明显,分形理论为预测隧道围岩超欠挖基本情况提供了研究工具和理论基础。2.通过建立离散元模型分析节理长度、节理角度和爆破参数对隧道爆破超欠挖的影响并得到一般规律,总结如下:(1)随着节理长度的增大,超欠挖程度出现先增大后减小的趋势。当节理与炮孔夹角为45度时,岩体爆破超欠挖现象最严重,同时孔间距越小其超欠挖现象就越不明显,如果想要合理的控制超欠挖,就应该减小孔间距的大小;(2)在合理的位置布置空孔能有效遏制超欠挖现象,空孔主要适用于布置在节理发育较好的位置和岩石性质较硬的位置;装药量主要影响岩体整体的爆破损伤范围,装药量过大会导致超挖。3.依据子洪2号隧道现场调研情况,应用离散元模拟方法对倾斜、相近相交和平行三种节理分布类型的隧道断面进行分析,因为节理的存在,七组隧道断面爆破效果均较差,超欠挖现象严重,在对爆破参数进行优化之后爆破效果理想,有效防治了七组隧道断面的超欠挖现象,总结如下:(1)当节理和设计轮廓线的交点处在两个炮孔中间时,节理上所产生的内部应力集中和超欠挖现象更加突出,此时处理超欠挖的最佳方法就是对节理进行注浆加固以及降低交点处相邻炮孔的装药量;(2)当炮孔的位置正处于节理上时,由于节理的存在将会严重影响该炮孔的动能释放,应合理调节炮孔方位,并合理改变孔间距和对节理进行注浆加固,且尽量不要在节理内部放置炸药,超前注浆是解决超欠挖的最有效手段。

关键词：节理岩体离散元应力波衰减隧道光面爆破超欠挖

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超欠挖隧道断面轮廓及分形特征研究

交通科技与管理 2023年第21期 79-82页

作者：朱林陈瑞葛洲坝集团交通投资有限公司

文章针对传统山岭隧道钻爆法开挖形成的超欠挖情况，综合对比各项超欠挖数据采集方式优劣势，选择使用激光断面仪采集现场超欠挖数据。运用现场数据，绘出开挖后的隧道断面超欠挖值序列曲线图，通过小波分析方法研究超欠挖值序列曲线图... 详细信息

文章针对传统山岭隧道钻爆法开挖形成的超欠挖情况，综合对比各项超欠挖数据采集方式优劣势，选择使用激光断面仪采集现场超欠挖数据。运用现场数据，绘出开挖后的隧道断面超欠挖值序列曲线图，通过小波分析方法研究超欠挖值序列曲线图的分形特征，借助Matlab软件计算出某隧道案例开挖后的小波变换系数，将分形维数区间与隧道围岩级别对比，分析其趋势关系。研究表明，山岭隧道钻爆法开挖后形成的断面轮廓的分形维数具有很强的分形特征和自相似性，进而为山岭隧道围岩分级和支护设计提供依据。

关键词：超欠挖隧道工程分形特征分形维数小波分析

基于钻进参数的硬岩隧道光面爆破超欠挖控制技术研究

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基于钻进参数的硬岩隧道光面爆破超欠挖控制技术研究

作者：何志恒北京交通大学

学位级别：硕士

现阶段,光面爆破仍是我国隧道施工领域的主流施工方法,光面爆破参数的设定、调整多依据围岩级别与施工经验,面对工程地质条件的动态变化不能精准、及时地对爆破参数做出变更,从而导致隧道出现严重超欠挖现象。面对新时期我国由“隧道大... 详细信息

现阶段,光面爆破仍是我国隧道施工领域的主流施工方法,光面爆破参数的设定、调整多依据围岩级别与施工经验,面对工程地质条件的动态变化不能精准、及时地对爆破参数做出变更,从而导致隧道出现严重超欠挖现象。面对新时期我国由“隧道大国”向“隧道强国”转变的新格局,寻求一种可在施工阶段应用的精准探测掌子面前方围岩性质从而动态调节、及时反馈光面爆破参数设计的方法具有重要意义。本文采用理论分析、机器学习、数值模拟和现场试验相结合的方式,针对基于钻进参数的硬岩隧道光面爆破超欠挖控制技术展开研究,主要研究内容与成果如下:(1)基于文献调研和理论分析,建立钻进参数与光面爆破参数的相关性。确定光面爆破超欠挖关键影响因素,研究岩石在冲击式球形钻杆作用下的应力状态与破碎机理,分析基于钻进参数的围岩感知原理,从而证明了基于钻进参数的隧道光面爆破超欠挖控制的可行性。(2)提出了一种基于凿岩台车钻进参数的隧道光面爆破参数优化方法。基于现场实测数据分析凿岩台车钻进参数与围岩亚级别的相关性,确定4项钻进参数在不同围岩亚级下的分布情况,建立了基于凿岩台车钻进参数的隧道围岩亚分级预测模型,其中CNN-SVM混合网络模型测试精度最高,为85.71%;在此基础上提出隧道施工期围岩亚分级现场应用程序,并建立数值模型分析不同爆破参数下的围岩损伤,以隧道超挖方量进行方案初选,基于FracLab工具箱以分形维数定量表征爆破后隧道岩面粗糙度从而进行方案比选,最终确定Ⅳ级围岩E为50cm、W为60 cm、装药量为3卷。结果表明,优化后光面爆破周边轮廓清晰,炮眼痕迹率明显,试验段内平均线性超挖最大值由40 cm减小至19 cm,同比减小52.5%,取得了良好的爆破效果。(3)提出了一种基于人工钻进参数的光面爆破炮孔参数优化方法。依托遵秦高速鹁塘沟隧道,揭示了人工炮孔钻进速度与围岩岩石坚固性系数的关系,构建了光爆层厚度、周边眼间距与岩石坚固性系数的函数公式,提出了基于炮孔钻进速度的光面爆破参数设计方法。计算得出试验断面光爆层厚度为600 mm、周边眼间距为520 mm,试验段爆破后监测数据表明:平均超挖距离减小至69 mm、平均超挖面积减小至0.768 m、炮眼痕迹率可达90%以上,实现了隧道超欠挖的精准控制。

关键词：钻进参数围岩感知光面爆破超欠挖

隧道掘进爆破的超欠挖控制技术试验研究与应用

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隧道掘进爆破的超欠挖控制技术试验研究与应用

作者：王勇洁西南交通大学

学位级别：硕士

钻爆法(矿山法)一直是隧道施工的常用方法,在已建和在建交通隧道中采用钻爆法施工的工程占比达到约70%。光面爆破技术凭借围岩扰动小、开挖轮廓平顺光滑等优点而得到广泛的应用。然而,在实际施工过程中,隧道掘进爆破因施工精度、环境因... 详细信息

钻爆法(矿山法)一直是隧道施工的常用方法,在已建和在建交通隧道中采用钻爆法施工的工程占比达到约70%。光面爆破技术凭借围岩扰动小、开挖轮廓平顺光滑等优点而得到广泛的应用。然而,在实际施工过程中,隧道掘进爆破因施工精度、环境因素等多重因素影响而存在开挖轮廓不平顺现象,甚至存在超欠挖问题。结合实际情况,双车道公路隧道掘进爆破每产生平均10cm的超挖将导致初期支护喷射混凝土的施工直接成本每千米增加300～400万元。按照我国每年采用钻爆法修建完成的公路隧道1400千米计(每年我国公路隧道增量约2000千米),相关直接经济损失高达40～60亿元。因此,分析隧道掘进爆破的超欠挖形成原因及其影响因素,提出切实可行的掘进爆破超欠挖控制技术,是隧道工程和爆破工程界迫切需要解决的一个关键问题。本文以镇巴至广安高速公路A3标段秦家岭隧道工程为背景,采用现场调查、掘进爆破试验和数值模拟等方法,明确隧道掘进爆破的超欠挖形成原因,分析影响超欠挖的因素,提出适合于秦家岭隧道的掘进光面爆破方案和超欠挖控制措施。通过收集实际工程超欠挖问题资料以及现场实地考察,对超欠挖原因进行归类总结。将超欠挖的影响因素分为三类:环境因素、施工工艺技术、施工管理。环境因素主要包括围岩的稳固性与掌子面的施工空间,当围岩具有一定的稳固性时,可将初支与掌子面产生一定的距离,确保周边孔的钻孔角度;施工工艺技术主要为周边孔光面爆破参数的合理设计,即光面爆破参数应根据围岩的变化及时合理优化调整,同时确保装药结构、尤其是轴向不耦合装药结构的药包间距必须根据围岩强度合理确定;施工管理是指在施工过程中通过管理手段将光面爆破技术的工序认真落实,加强现场作业人员培训。按照秦家岭隧道进口的围岩条件、上台阶断面形状尺寸和周边孔光面爆破参数,运用ANSYS/LSDYNA软件建立了仅包含隧道周边孔光面爆破的三维动力有限元计算模型,并以现场观测到的超欠挖数据为基础,进行了模拟计算准确性验证分析。根据计算结果,原爆破方案的超挖裂纹影响区面积与现场断面扫描结果超挖面积误差为7.1%;光面爆破方案的超挖裂纹影响区面积与现场断面扫描结果超挖面积误差为15.25%,均在20%以内。针对秦家岭隧道工程背景,通过数值模拟试验优化周边孔间距、光爆层厚度、装药集中度、炸药爆速等爆破参数。根据数值模拟试验得出,周边孔间距宜取50～55cm。考虑到周边孔的钻孔工作量,取周边孔间距55cm,炮孔密集系数宜取1.1～1.2,光爆层厚度宜取60～65cm,周边孔集中装药度可取0.07kg/m～0.11kg/m,周边孔炸药宜采用爆速为2500m/s左右的低爆速炸药。对于秦家岭隧道的光面爆破技术应用,将结合现场断面扫描试验结果,与原爆破方案断面扫描数据进行对比得出,最大超挖量从0.667m降低至约0.29m,平均线性超挖量最大值为0.323m降低至约0.125m左右;经济效益成本分析得出光面爆破技术可节约成本346.147万元。

关键词：光面爆破超欠挖周边孔间距光爆层厚度经济效益分析

超欠挖状态下隧道支护结构力学特性研究及围岩稳定性分析

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超欠挖状态下隧道支护结构力学特性研究及围岩稳定性分析

作者：朱林山东大学

学位级别：硕士

众多的隧道工程实践证明,在开挖过程中常有超欠挖产生,尤其是在采用钻爆法开挖的隧道中此类现象最为严重。超欠挖会改变围岩应力状态,造成应力集中,改变塑性区分布。并且超欠挖会导致围岩轮廓界线变得极不规则,使得喷射混凝土层厚度不均... 详细信息

众多的隧道工程实践证明,在开挖过程中常有超欠挖产生,尤其是在采用钻爆法开挖的隧道中此类现象最为严重。超欠挖会改变围岩应力状态,造成应力集中,改变塑性区分布。并且超欠挖会导致围岩轮廓界线变得极不规则,使得喷射混凝土层厚度不均匀,致使支护结构的几何形态发生变异,进而甚至会影响支护结构的承载能力。本文依托闽浙交界某公路隧道,充分考虑超欠挖状态下围岩表面的不平整性,从理论分析与数值模拟两方面开展研究,分析超欠挖状态下支护结构的力学特性和超挖对围岩稳定性的影响。主要研究内容及结论如下:（1）总结了四种测量隧道轮廓界线和超欠挖数据的方法,并基于激光断面仪测量得到的超欠挖数据,使用小波分析方法研究了超欠挖断面轮廓界线的分形特征。研究表明超欠挖断面轮廓界线具有很强的分形特征和自相似性;并且随着围岩级别变大,超欠挖断面轮廓界线的分形维数也逐渐增大。（2）超欠挖会导致围岩表面不规则,简化这些不平整形状,从而提炼出基本超欠挖形状,依据喷射混凝土的覆盖厚度将超欠挖后的围岩表面轮廓分为三类:未完全填充、底部填充和完全填充;利用弹性厚壁圆筒理论,研究了三类围岩表面轮廓下支护结构的力学特性,并基于并联体系稳定性原则推导了锚喷支护和“钢格栅+喷射混凝土”联合支护的刚度和最大支护力等力学参数。（3）基于收敛约束法开展了超欠挖状态下围岩与支护结构的相互作用研究,结果表明锚杆的刚度与最大支护压力对组合支护系统的刚度和最大支护压力的影响相对较小,初期支护的刚度和最大支护压力主要取决于喷射混凝土的支护刚度和最大支护压力值;考虑隧道超欠挖的工况下支护系统达到平衡时的支护抗力和最大支护压力均比不考虑超欠挖的工况小,说明超欠挖会降低支护结构的承载能力。（4）采用FLAC3D数值分析软件,分析超挖深度、范围和分布位置等不同因素对围岩稳定的影响。结果表明,Ⅳ级围岩条件下,在同一超挖分布部位,随着超挖深度的增加和范围的扩大,超挖对围岩稳定性的影响也逐渐增大;超挖特征值影响系数均小于1.1,表明小范围、浅深度的超挖对围岩稳定的影响程度有限;同等程度的超挖,围岩级别越高,对围岩稳定的影响越大;Ⅲ、Ⅳ级围岩条件下,同等程度的超挖发生在拱顶时最为严重,而V级围岩条件下,同等程度的超挖发生在拱肩时最为严重。

关键词：隧道工程超欠挖收敛约束法数值模拟