计算爆破作用下隧道关键块体稳定性的方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及隧道爆破领域，提供一种计算爆破作用下隧道关键块体稳定性的方法及系统，包括：通过弹性波动力学及Snell定理对P波入射关键块体传播路径进行推导计算，获得P波入射关键块体造成块体节理的正应力值及剪切应力值；构建基于弹性地基梁理论的喷射混凝土支护力学模型，通过所述喷射混凝土支护力学模型计算获得喷射混凝土与围岩间的接触应力最大值q

【技术实现步骤摘要】
计算爆破作用下隧道关键块体稳定性的方法及系统


[0001]本专利技术涉及隧道爆破领域，尤其涉及一种计算爆破作用下隧道关键块体稳定性的方法及系统。

技术介绍

[0002]爆破作为地下隧道工程建设的常用开挖手段，在高效破岩的同时，其产生的爆炸应力波对由结构面及人工开挖面切割而成的隧道关键块体产生不利影响，当应力波入射关键块体时，可能导致组成关键块体的节理或结构面的相对滑动，造成关键块体的崩落甚至隧道的局部坍塌，对工程建设人员及设备造成较大伤亡和损失
[0003]现有隧道施工过程中，多是基于拟静力法以及时程分析法来估计隧道的动力稳定性，拟静力法将爆破振动荷载转化为等效静力，将爆破动荷载与重力的合力引入稳定性分析中，将爆破荷载以惯性力的形式施加在关键块体上，其关键是爆破振动加速度大小的取值。时程分析法则是提取地震荷载时程曲线，将块体自重与任意时刻的地震荷载进行合成，再基于块体理论对关键块体的稳定性进行分析
[0004]拟静力法忽略了振动加速度、振动频率与块体振动位移、应力状态的内在联系，其适用于设计加速度小，动力相互作用较小的结构。时程分析法虽考虑了爆破荷载的时程变化特性，但未考虑爆破荷载的幅值衰减、频谱特性对结构的影响。
[0005]隧道不同爆心距处关键块体具有不同振动速度及主频，爆破荷载特性对关键块体的影响不能简单使用拟静力法或时程分析法来计算，因此，现有计算方法不能满足实践的需要。
[0006]上述内容仅用于辅助理解本专利技术的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。
专利技术内容
[0007]本专利技术的主要目的在于，解决现有技术中隧道不同爆心距处关键块体具有不同振动速度及主频，爆破荷载特性对关键块体的影响不能简单使用拟静力法或时程分析法来计算的技术问题。
[0008]为实现上述目的，本专利技术提供一种计算爆破作用下隧道关键块体稳定性的方法，包括：
[0009]S1：通过弹性波动力学及Snell定理对P波入射关键块体传播路径进行推导计算，获得P波入射关键块体造成块体节理的正应力值及剪切应力值；
[0010]S2：构建基于弹性地基梁理论的喷射混凝土支护力学模型，通过所述喷射混凝土支护力学模型计算获得喷射混凝土与围岩间的接触应力最大值q
max
；
[0011]S3：通过所述P波入射关键块体造成块体节理的正应力值及剪切应力值和所述喷射混凝土与围岩间的接触应力最大值q
max
，计算获得关键块体的安全系数K。
[0012]优选地，步骤S1具体为：
[0013]入射J1节理的入射波P1表示为：
[0014]P1(t
‑
L1/c
p
)
[0015]其中，t为应力波在关键块体内传播的时间，L1为应力波从出发点传播至J1节理所走的距离，C
p
为纵波波速；
[0016]入射波P1的应力波从J1节理传播至J2节理的距离表示为：
[0017]L2＝x
i
(tanα1+tanα2)
[0018]其中，X
i
为入射应力波的空间坐标，α1为J1节理与水平方向的夹角，α2为J2节理与水平方向的夹角；
[0019]则入射J2节理的入射波P1可表示为：
[0020]P1(t
‑
L1/c
p
)(T
P
(t
‑
L2/c
p
))
[0021]通过计算获得入射波P1入射关键块体造成块体J1与J2节理的正应力值及剪切应力值，具体的计算公式为：
[0022][0023][0024][0025]其中，i为虚数单位，k
n
为应力波波数，λ
n
为拉梅常数，μ
n
为岩体剪切模量，为应力波振动方向矢量，为应力波传播方向矢量，A
n
为应力波振动幅值，η
n
为k
n
(x
·
p
(n)
‑
c
n
t)，x为应力波空间坐标，c
n
为应力波横波或纵波波速；
[0026]重复上述步骤，获取入射波P2入射关键块体造成块体J1与J2节理的正应力值及剪切应力值，和入射波P3入射关键块体造成块体J1与J2节理的正应力值及剪切应力值；
[0027]所述P波入射关键块体造成块体节理的正应力值及剪切应力值，为P1、P2和P3对应的正应力值及剪切应力值的叠加值。
[0028]优选地，步骤S2中，所述通过所述喷射混凝土支护力学模型计算获得喷射混凝土与围岩间的接触应力最大值q
max
，具体为：
[0029]喷射混凝土支护力学模型计算获得喷射混凝土与围岩间的接触应力q表示为：
[0030]q＝ky
[0031]其中，k为围岩弹性抗力系数；y为弹性地基梁在重力作用下的位移；
[0032]y可表示为：
[0033][0034]其中，弯矩M0与剪力Q0为初参数，α为弹性地基梁的弹性特征值，x为喷层梁与围岩地基接触面上任一点到荷载的距离；
[0035]弹性地基梁的弹性特征值α的计算公式为：
[0036][0037]其中，E为喷射混凝土的弹性模量；h为喷射混凝土厚度；I为地基梁刚度。
[0038]喷射混凝土与围岩间的接触应力q的最大值发生在x＝o处，此时M0＝0，Q0＝P，则所
述喷射混凝土与围岩间的接触应力最大值q
max
的计算公式为：
[0039][0040]其中，u
m
为块体底部周长，W为关键块体重量。
[0041]优选地，步骤S3具体为：
[0042]计算喷射混凝土支护的关键块体受爆破振动作用的法向力F
n
′
和剪切力F
τ
′
，计算公式为：
[0043][0044][0045]其中，σ0为围岩初始应力，σ
J
为应力波造成的正应力，τ
J
为应力波造成的剪应力，ρ为岩体的密度，s为楔形块体的面积，g为重力加速度，l2为J2节理的长度；
[0046]根据极限平衡理论，所述关键块体的安全系数K的计算公式为：
[0047][0048]其中，为节理内摩擦角。
[0049]一种计算爆破作用下隧道关键块体稳定性的系统，包括以下模块：
[0050]应力计算模块，用于通过弹性波动力学及Snell定理对P波入射关键块体传播路径进行推导计算，获得P波入射关键块体造成块体节理的正应力值及剪切应力值；
[0051]接触应力最大值计算模块，用于构建基于弹性地基梁理论的喷射混凝土支护力学模型，通过所述喷射混凝土支护力学模型计算获得喷射混凝土与围岩间的接触应力最大值q
max
；
[0052]安全系本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种计算爆破作用下隧道关键块体稳定性的方法，其特征在于，包括：S1：通过弹性波动力学及Snell定理对P波入射关键块体传播路径进行推导计算，获得P波入射关键块体造成块体节理的正应力值及剪切应力值；S2：构建基于弹性地基梁理论的喷射混凝土支护力学模型，通过所述喷射混凝土支护力学模型计算获得喷射混凝土与围岩间的接触应力最大值q
max
；S3：通过所述P波入射关键块体造成块体节理的正应力值及剪切应力值和所述喷射混凝土与围岩间的接触应力最大值q
max
，计算获得关键块体的安全系数K。2.根据权利要求1所述的计算爆破作用下隧道关键块体稳定性的方法，其特征在于，步骤S1具体为：入射J1节理的入射波P1表示为：P1(t
‑
L1/c
p
)其中，t为应力波在关键块体内传播的时间，L1为应力波从出发点传播至J1节理所走的距离，C
p
为纵波波速；入射波P1的应力波从J1节理传播至J2节理的距离表示为：L2＝x
i
(tanα1+tanα2)其中，X
i
为入射应力波的空间坐标，α1为J1节理与水平方向的夹角，α2为J2节理与水平方向的夹角；则入射J2节理的入射波P1可表示为：P1(t
‑
L1/c
p
)(T
P
(t
‑
L2/c
p
))通过计算获得入射波P1入射关键块体造成块体J1与J2节理的正应力值及剪切应力值，具体的计算公式为：具体的计算公式为：具体的计算公式为：其中，i为虚数单位，k
n
为应力波波数，λ
n
为拉梅常数，μ
n
为岩体剪切模量，为应力波振动方向矢量，为应力波传播方向矢量，A
n
为应力波振动幅值，η
n
为k
n
(x
·
p
(n)
‑
c
n
t)，x为应力波空间坐标，c
n
为应力波横波或纵波波速；重复上述步骤，获取入射波P2入射关键块体造成块体J1与J2节理的正应力值及剪切应力值，和入射波P3入射关键块体造成块体J1与J2节理...

【专利技术属性】
技术研发人员：马栋，李伟，王凤喜，刘磊，金仁贵，周传波，夏宇磬，蒋楠，蒙贤忠，吕国鹏，
申请(专利权)人：中国地质大学武汉，
类型：发明
国别省市：