一种适用于在建隧道的近区隧道爆破振动动应变测试方法
技术领域
本发明涉及隧道工程的技术领域,尤其涉及一种适用于在建隧道的近区隧道爆破振动动应变测试方法。
背景技术
爆破振动测试,是用于评价隧道工程爆破对周围硐室及临近建构筑物的影响而经常采用的测试方法,其测试指标主要有速度、加速度、位移、应力或应变等。而在现场的隧道爆破监测中,最常用的测试与评价指标仍旧只监测爆破振速,而没有监测爆破动应变的项目,这主要源于爆破振速测试较为简便和成熟。隧道爆破振速难以反映岩体在爆破荷载作用下的隧道应力状况,也难以直接判断岩体或支护结构是否开裂甚至破坏。而近区爆破振动动应变测试则可以直接反映岩体或支护结构的应力状况,从而明确爆破冲击对隧道围岩及支护结构的扰动情况。所述“近区爆破振动动应变测试”是指以爆破点为中心、半径约25m的范围内。
目前,近区隧道爆破振动动应变测试的研究不少,但都是室内模拟试验。而室内模拟试验并不存在现场试验的诸多实际困难,首先是,不存在极大的爆破振动导致数据线与洞壁或周围环境所产生的猛烈撞击;其次是,未考虑因隧道侧壁初支围岩的粗糙而不易粘贴应变片及将动态信号采集仪接地线等困难。
现有的近区隧道爆破振动动应变测试方法,其步骤大致如下:1)在测试点表面粘贴应变片并引出连线;2)为每个应变片均设置一温度补偿片;3)采用数据线将所述应变片、与温度补偿片桥盒连接;4)将所述桥盒与动态信号采集仪电连接,并将所述动态信号采集仪采集的实时数据传输至计算机。测试得到的爆破振动动应变峰值数值常达到4000με左右;而一般C30混凝土抗拉强度为2.01MPa,弹性模量为3.0×104MPa,对应的混凝土静态允许拉应变值仅为67με。可见,测试得到的爆破振动动应变峰值数值4000με远超出混凝土的静态允许拉应变值67με,显然该测试得到的爆破振动动应变数值是错误,完全不具有参考性。并且,因为没有对数据线及各接头处进行可靠的减振及加固处理,各段爆破结束后的动应变数值也难以归零。
而对于在建隧道,近区隧道爆破振动动应变测试具有以下特点:(1)应变测试位置距离隧道爆破开挖区域较近,爆破振动极大,对动应变测试结果干扰很大;(2)隧道仅完成初期支护,隧道应变测试表面极其粗糙;(3)在建隧道现场施工环境复杂,干扰因素多,如动态信号采集仪难以接地线、周围电焊的强电磁干扰等,易影响测试结果。由于在建隧道的隧道爆破开挖距离往往很近,从而导致爆破振动大,需要针对近区隧道爆破振动特点改进现有近区隧道爆破振动动应变测试方法,来得到爆破振动应力波引起的初期支护动应变的准确的实测结果,了解近区隧道爆破振动动应状况,保障隧道初期支护的稳定与安全,并推动近区隧道爆破振动动应变测试在在建隧道中的推广和应用。
发明内容
基于此,本发明提供了一种适用于在建隧道的近区隧道爆破振动动应变测试方法,能够准确地对在建隧道的近区隧道爆破振动动应变进行测试。
本发明所述适用于在建隧道的近区隧道爆破振动动应变测试方法,包括以下步骤:
S1:在隧道的初期支护上布置测试点,并打磨所述测试点的表面,确保其平整光滑;
S2:在所述测试点表面粘贴应变片并引出连线,再在所述应变片外涂保护胶固定;
S3:在测试点10~20cm距离范围内设置补偿块,并将温度补偿片粘贴在补偿块上并引出连线,再在所述温度补偿片外涂保护胶固定;
S4:采用数据线将所述应变片与桥盒连接,采用数据线将所述温度补偿片与桥盒连接,
且在所述桥盒中按照半桥的方式连接所述应变片和所述温度补偿片,再对所述数据线进
行减振处理;
S5:对数据线与所述应变片之间的接头处、数据线与所述温度补偿片之间的接头处、及
数据线与所述桥盒之间的接头处进行加固处理;
S6:将所述桥盒与动态信号采集仪电连接,并将所述动态信号采集仪采集的实时数据传
输至计算机;
S7:将所述动态信号采集仪的接地线接地。
与现有技术相比,本发明采取适当的减振和防干扰措施来保护整个测试系统,将测试点的表面打磨平整光滑,以减少振动摩擦;为每个所述应变片均设置一温度补偿片,以减少测试过程中应变片温度变化而对测试结果所带来的影响;对应变片和温度补偿片通过保护胶固定,对数据线进行减振处理,对各接头处进行加固处理,对信号采集仪进行接地保护。以减少外界因素对测试结果的干扰,确保能够准确地对在建隧道的近区隧道爆破振动动应变进行测试。
进一步,所述步骤S2中每个测试点应沿隧道纵向及隧道环向各设置一应变片;所述应变
片为100mm长的电阻应变片。以测量上述两个方向的爆破振动动应变。
进一步,利用聚乙烯泡沫塑料包裹数据线、补偿块和动态信号采集仪。以实现对数据线、补偿块和动态信号采集仪的减振处理。
进一步,所述步骤S5中采用绝缘胶带将所述数据线与所述应变片之间的接头处、所述数据线与所述温度补偿片之间的接头处包裹,并通过透明胶带将所述绝缘胶带固定;采用焊接加固所述数据线与所述桥盒之间的接头处。以实现对各接头处进行减振、加固处理。
进一步,所述步骤S7中将动态信号采集仪的接地线缠绕在钢筋上,并将所述钢筋埋入测试点附近的地下。以实现动态信号采集仪接地保护。
进一步,还包括步骤S8:在进行隧道爆破振动动应变测试的过程中,确保以测试点为中心、半径约40m的范围内无电焊工作进行。以消除电焊对动态信号采集仪的强电磁干扰。
进一步,所述步骤S3中所述补偿块是尺寸为150mm×150mm×150mm的混凝土试块,且所述补偿块减震固定在打入隧道初期支护的钢筋上;所述补偿块的减震固定方式为先在隧道初期支护上打入两根钢筋,再在所述钢筋上包裹聚乙烯塑料,然后将所述补偿块倾斜卡置在两根钢筋中间,最后采用透明胶带固定所述补偿块。
将所述补偿块倾斜卡置在两根钢筋中间,可有效扩大所述补偿块与钢筋的接触摩擦面,以便于所述补偿块稳定的固定在两根钢筋中间。
进一步,所述步骤S2中采用环氧树脂将所述应变片粘贴在所述测试点表面上;所述步骤S3中采用环氧树脂将所述温度补偿片粘贴在所述补偿块上;所述步骤S2和S3中所述保护胶为703粘合剂密封胶。
进一步,所述步骤S1中采用砂轮机对所述测试点的表面进行打磨。
进一步,所述步骤S6中所述动态信号采集仪为DH5920动态信号采集仪。
与现有技术相比,采用本发明所述测试方法对现有近区隧道爆破振动动应变测试方法进行改进,具体来说:(1)采取适当的减振措施来保护整个测试系统,如利用聚乙烯泡沫塑料对数据线、补偿块及信号采集仪等进行保护,尤其是采用被聚乙烯泡沫塑料包裹的减振数据线来减少数据线受到的巨大爆破振动冲击;(2)为每个所述应变片均设置一温度补偿片,以减少测试过程中应变片温度变化而对测试结果所带来的影响;(3)对应变电阻信号传输过程中的各接头处进行加固:先用绝缘胶带将数据线与应变片之间的接头处、数据线与应变片之间的接头处包裹,再用透明胶带缠牢固定;将所述数据线与所述桥盒之间的接头处采用焊接加固;(4)将动态信号采集仪的接地线缠绕在钢筋上,并将所述钢筋埋入测试点附近的地下,来实现动态信号采集仪的接地,并确保测试中周围没有电焊的强电磁,以减少外界因素对测试结果的干扰。
其次,本发明所述测试方法测得的爆破段别数与实际爆破段别数完全一致,动应变峰值的出现时刻与实际各段别的爆破时刻完全吻合,且各段爆破结束后的动应变数值可归零。本发明所述测试的应变结果在同一点的不同方向上与振速均正线性相关:对于单次测试数据,其相关性较高,回归曲线的拟合优度R2均在0.97以上;对于多次测试数据,其相关性稍低,三次测试数据回归曲线的拟合优度R2在0.7左右;充分证实该测试方法在测试隧道近区爆破振动动应变的准确性。
本发明能准确地对在建隧道的近区隧道爆破振动动应变进行测试,能够准确测量在建隧道的近区隧道爆破对爆破冲击下隧道围岩及支护结构的扰动情况,所获得的振动动应变测试结果与实际扰动情况吻合度高,对研究爆破冲击下隧道围岩及支护结构的扰动情况有重要意义,有利于隧道爆破振动动应变测试在在建隧道中的推广和应用。
附图说明
图1为本发明适用于在建隧道的近区隧道爆破振动动应变测试方法流程图。
图2为本发明实施例1三洞分离段围岩级别划分图。
图3为本发明实施例1三洞分离段隧道截面图。
图4为本发明实施例1中洞上台阶爆破炮孔布置图。
图5为本发明实施例1爆破振动动应变测试平面图。
图6为本发明实施例1应变片和补偿块的实物照片。
图7为本发明实施例1采取减振措施的数据线实物照片。
图8为本发明实施例1采取减振措施的动态信号采集仪实物照片。
图9为本发明实施例1中1#测试点的爆破振动动应变曲线。
图10为本发明实施例1中2#测试点的爆破振动动应变曲线。
图11为本发明实施例1中2#测试点第1次爆破测试切向振速与环向应变的回归曲线。
图12为本发明实施例1中2#测试点第2次爆破测试径向振速与纵向应变的回归曲线。
图13为本发明实施例1中2#测试点第1~3次爆破测试径向振速与环向应变的回归曲线。
图14为本发明实施例1中2#测试点第1~3次爆破测试垂向振速与环向应变的回归曲线。
具体实施方式
请参阅图1,图1为本发明适用于在建隧道的近区隧道爆破振动动应变测试方法流程图。
本发明所述适用于在建隧道的近区隧道爆破振动动应变测试方法,包括以下步骤:
S1:在隧道的初期支护上布置测试点,并打磨所述测试点的表面,确保其平整光滑;
优选采用砂轮机对所述测试点的表面进行打磨。
S2:在所述测试点表面粘贴应变片并引出连线,再在所述应变片外涂保护胶固定;
作为优选,在每个测试点应沿隧道纵向及隧道环向各设置一应变片,以测量上述两个方向的爆破振动动应变。所述应变片为100mm长的电阻应变片。采用环氧树脂将所述应变片粘贴在所述测试点表面上。所述保护胶为703粘合剂密封胶。
S3:在测试点10~20cm距离范围内设置补偿块,并将温度补偿片粘贴在补偿块上并引出连线,再在所述温度补偿片外涂保护胶固定;
为每个所述应变片均设置一温度补偿片,以减少测试过程中应变片温度变化而对测试结果所带来的影响。先在测试点附近的初期支护上打入两根钢筋,再在所述钢筋上包裹聚乙烯塑料,然后将所述补偿块倾斜卡置在两根钢筋中间,最后采用透明胶带固定所述补偿块,使所述补偿块与对应测试点之间的距离约为10~20cm。所述补偿块是尺寸为150mm×150mm×150mm的混凝土试块。用聚乙烯泡沫塑料包裹补偿块,以实现对补偿块的减振处理。采用环氧树脂将所述温度补偿片粘贴在所述补偿块上。所述保护胶为703粘合剂密封胶。
S4:采用数据线将所述应变片与桥盒连接,采用数据线将所述温度补偿片与桥盒连接,且在所述桥盒中按照半桥的方式连接所述应变片和所述温度补偿片,再对所述数据线进行减振处理;
作为优选,利用聚乙烯泡沫塑料包裹数据线,以实现对数据线的减振处理。
S5:对数据线与所述应变片之间的接头处、数据线与所述温度补偿片之间的接头处、及数据线与所述桥盒之间的接头处进行加固处理;
作为优选,采用绝缘胶带将所述数据线与所述应变片之间的接头处、所述数据线与所述温度补偿片之间的接头处包裹,并通过透明胶带将所述绝缘胶带固定。优选采用焊接加固所述数据线与所述桥盒之间的接头处。
S6:将所述桥盒与动态信号采集仪连接,并将所述动态信号采集仪采集的实时数据传输至计算机;
作为优选,所述动态信号采集仪为DH5920动态信号采集仪。用聚乙烯泡沫塑料包裹动态信号采集仪,以实现对其的减振处理
S7:将所述动态信号采集仪进行接地。
作为优选,将动态信号采集仪的接地线缠绕在钢筋上,并将所述钢筋埋入测试点附近的地下。
S8:在进行隧道爆破振动动应变测试的过程中,确保以测试点为中心、半径约40m的范围内无电焊工作进行。以消除电焊对动态信号采集仪的强电磁干扰。
以下将结合附图对本发明的构思、具体过程及产生的技术效果作进一步说明,以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
实施例1
本实施例的京张高铁是国家规划实施的重点建设项目,也是2022年北京张家口联合举办奥运会的配套工程。京张高铁八达岭长城站是目前国内埋深最大的暗挖高铁地下车站,位于八达岭长城景区之下和新八达岭隧道之中。
请参阅图2,图2为本发明实施例1三洞分离段围岩级别划分图。八达岭长城站站台层为三洞分离段,由正线洞室与两侧到发线洞室共三条隧道构成,长398m,起讫里程为DK67+851~DK68+249,岩质为强-弱风化斑状二长花岗岩,围岩级别以Ⅲ级和Ⅴ级围岩为主。
请参阅图3,图3为本发明实施例1三洞分离段隧道截面图。三条隧道之间保留岩柱,岩柱横向厚度为渐变,自两端至中部为2.276m~6m。三洞分离段的施工顺序为:采用“侧洞先行、中洞跟进”的开挖方案,即首先施工左洞,再施工右洞,最后施工中洞。因此,中洞爆破施工对两个侧洞的影响很大。中洞采用两台阶法施工,循环进尺2m,本案例主要对三洞分离段Ⅲ级围岩段中洞上台阶爆破对左洞影响进行研究。
为降低爆破振动,中洞上台阶采用“一次打孔、两次爆破”的爆破方案,第一次爆破结束后进行出碴、清孔,再进行第二次装药及爆破。请参阅图4,图4为本发明实施例1中洞上台阶爆破炮孔布置图。两次爆破的分界面以虚线标注,炮孔孔径为42mm,爆破炸药采用Φ32mm岩石乳化炸药。爆破雷管采用不耦合装药,分段爆破,Ⅲ级围岩处爆破开挖参数如表1所示,两次爆破药量分别为82.68kg和65.12kg。
表1中洞上台阶爆破开挖参数
请参阅图5,图5为本发明实施例1爆破振动动应变测试平面图。为测量中洞上台阶爆破对左洞的影响,根据现场施工情况,在左洞DK68+160及DK68+165两处迎爆侧初期支护洞壁布置爆破振动动应变测试点1#和2#,图5中黑色圆点所示。图中,斜线阴影区域表示车站站台层待开挖区域,箭头方向表示中洞上台阶爆破开挖方向。在两个测试点位置,沿隧道环向及纵向均各粘贴一个应变片。
请参阅图6,图6为本发明实施例1应变片和补偿块的实物照片,本实例的应变片采用100mm长的电阻应变片,动态信号采集仪采用DH5920动态信号采集分析系统。先将隧道初期支护打磨光滑,再涂环氧树脂,粘贴应变片及外涂703粘合剂密封胶保护;并为每个应变片均设置一温度补偿片,该温度补偿片以同样方法粘贴在150×150mm×150mm的混凝土试块上,所述混凝土试块卡置在打入隧道初期支护的两根钢筋中间,并使所述补偿块与对应测试点之间的距离约为10~20cm。在桥盒中按照半桥的方式连接应变片与温度补偿片,再连接DH5920动态信号采集仪,最后将实时数据传递至计算机中。
请同时参阅图7~8,图7为本发明实施例1采取减振措施的数据线实物照片7,图8为本发明实施例1采取减振措施的动态信号采集仪实物照片。采用本发明所提出来的测试方法对传统方法进行改进,具体来说:(1)采取适当的减振措施来保护整个测试系统,如利用聚乙烯泡沫塑料对数据线、补偿块及信号采集仪等进行保护,尤其是采用被聚乙烯泡沫塑料包裹的减振数据线来减少数据线受到的巨大爆破振动冲击,如图6、7、8所示;(2)为每个所述应变片均设置一温度补偿片,以减少测试过程中应变片温度变化而对测试结果所带来的影响;如图6所示;(3)对各处接头处进行加固:先用绝缘胶带将数据线与应变片之间的接头处、数据线与应变片之间的接头处包裹,再用透明胶带缠牢固定;将所述数据线与所述桥盒之间的接头处采用焊接加固;如图6所示;(4)将动态信号采集仪的接地线缠绕在约1m长的钢筋上,并将所述钢筋埋入测试点附近的地下,以实现1m长接地,并确保以测试点为中心、半径约40m的范围内无电焊工作进行。
经过上述减振及加固措施改进后,对中洞上台阶第一次爆破进行4次测试,各爆破里程及动应变峰值如表2所示。
表2左洞初期支护动应变峰值
由表2可知,动应变峰值最大为55.44με,略小于混凝土允许拉应变67με,可见,所获得的爆破振动动应变测试结果在混凝土的静态允许拉应变值67με的有效范围内,具备参考性。并且,由于对各接头处进行了可靠的减振及加固处理,各段爆破结束后的动应变数值易于归零,对隧道爆破振动动应变测试在在建隧道中的推广和应用具有积极意义。
其中,第4次测试中,1#和2#两测试点的爆破振动动应变曲线如图9和图10所示。图9为本发明实施例1中1#测试点的爆破振动动应变曲线,图10为本发明实施例1中2#测试点的爆破振动动应变曲线。从图9和图10可知,爆破动应变测得的段别数与实际爆破段别数均为7个,且测得的动应变峰值的出现时刻与实际各段别的爆破时刻完全吻合,且各段爆破结束后的动应变数值可归零。
为进一步证实本发明所述测试方法在近区爆破测试时的准确性,下面研究本发明所述测试的应变结果与爆破振速测试结果的相关性。
为测试爆破振速的结果,在2#测试点附近采用TC-4850爆破测振仪对本实施例的前3次爆破同时进行监测,测振仪与应变片的位置关系如图7所示。
目前,在隧道爆破振动的速度与动应变之间关系研究方面,一般基于一维弹性波传播得到的振动速度与动应变间关系式,认为两者成正比,该关系式为
式中:ε、σ、v——该点动应变、动应力及速度;
E——岩体弹性模量;
ρ、c——岩体密度和纵波速度,比例因子ρc称为波阻抗。因为E、ρ、c均为常量,故ε∝v。
对3次测试的各个峰值振速与峰值动应变在不同方向上进行回归分析,请同时参阅图11和图12,图11为本发明实施例1中2#测试点第1次爆破测试切向振速与环向应变的回归曲线,图12为本发明实施例1中2#测试点第2次爆破测试径向振速与纵向应变的回归曲线。可以发现,本发明所述测试的单次应变结果在同一点的不同方向上与振速均呈正线性相关:对于单次测试数据,其相关性较高,回归曲线的拟合优度R2均在0.97以上。
请同时参阅图13和图14,图13为本发明实施例1中2#测试点第1~3次爆破测试径向振速与环向应变的回归曲线,图14为本发明实施例1中2#测试点第1~3次爆破测试垂向振速与环向应变的回归曲线。可以发现,本发明所述测试的多次应变结果在同一点的不同方向上与振速也均呈正线性相关:对于多次测试数据,其相关性略低于单次测试数据,第1~3次测试数据回归曲线的拟合优度R2在0.7左右。
以上结果,可充分证实本发明所述适用于在建隧道的近区隧道爆破振动动应变测试方法在测试隧道近区爆破振动动应变的准确性。
与现有技术相比,采用本发明所述测试方法对现有近区隧道爆破振动动应变测试方法进行改进,具体来说:(1)采取适当的减振措施来保护整个测试系统,如利用聚乙烯泡沫塑料对数据线、补偿块及信号采集仪等进行保护,尤其是采用被聚乙烯泡沫塑料包裹的减振数据线来减少数据线受到的巨大爆破振动冲击;(2)为每个所述应变片均设置一温度补偿片,以减少测试过程中应变片温度变化而对测试结果所带来的影响;(3)对应变电阻信号传输过程中的各接头处进行加固:先用绝缘胶带将数据线与应变片之间的接头处、数据线与应变片之间的接头处包裹,再用透明胶带缠牢固定;将所述数据线与所述桥盒之间的接头处采用焊接加固;(4)将动态信号采集仪的接地线缠绕在钢筋上,并将所述钢筋埋入测试点附近的地下,来实现动态信号采集仪的接地,并确保测试中周围没有电焊的强电磁,以减少外界因素对测试结果的干扰。
其次,本发明所述测试方法测得的爆破段别数与实际爆破段别数完全一致,动应变峰值的出现时刻与实际各段别的爆破时刻完全吻合,且各段爆破结束后的动应变数值可归零。本发明所述测试的应变结果在同一点的不同方向上与振速均正线性相关:对于单次测试数据,其相关性较高,回归曲线的拟合优度R2均在0.97以上;对于多次测试数据,其相关性稍低,三次测试数据回归曲线的拟合优度R2在0.7左右;充分证实该测试方法在测试隧道近区爆破振动动应变的准确性。本发明能准确地对在建隧道的近区隧道爆破振动动应变进行测试,能够准确测量在建隧道的近区隧道爆破对爆破冲击下隧道围岩及支护结构的扰动情况,所获得的振动动应变测试结果与实际扰动情况吻合度高,对研究爆破冲击下隧道围岩及支护结构的扰动情况有重要意义,有利于隧道爆破振动动应变测试在在建隧道中的推广和应用。
进一步,通过了解爆破振动应力波引起的初期支护动应变的实测时程曲线和频谱情况,分析动应变在隧道各爆破环向或纵向的分布规律,并可测出隧道初期支护最大动应变,了解其应力状况,保障隧道初期支护的稳定与安全,对研究爆破冲击下隧道围岩及支护结构的扰动情况有重要意义,有利于隧道爆破振动动应变测试在在建隧道中的推广和应用。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本发明的保护范围。