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隧道圍巖快速分級及超欠挖爆破智能控制研究 版權信息
- ISBN：9787030698315
- 條形碼：9787030698315 ; 978-7-03-069831-5
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數(shù)：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>>
隧道圍巖快速分級及超欠挖爆破智能控制研究 內(nèi)容簡介
本書從工程實際的地質(zhì)情況出發(fā)，結合現(xiàn)有的標準規(guī)范和研究成果，將不同圍巖等級和圍巖類別的工況進行區(qū)分，利用有限元軟件，對不同類型的工況進行模擬和計算；利用VisualBasic開發(fā)環(huán)境，開發(fā)了一套隧道爆破設計智能系統(tǒng)，可自動輸出打印隧道爆破設計圖紙和參數(shù)表；利用3DMax軟件，設計了一套隧道開挖過程控制的動態(tài)視頻，可以演示隧道開挖過程中的技術要點。
隧道圍巖快速分級及超欠挖爆破智能控制研究 目錄
目錄
第1章 緒論1
1.1 隧道圍巖分級技術國內(nèi)外現(xiàn)狀2
1.1.1 隧道圍巖分級發(fā)展里程2
1.1.2 隧道圍巖分級發(fā)展趨勢4
1.2 線型炸藥爆破作用的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀5
1.2.1 線型炸藥破巖理論6
1.2.2 線型炸藥爆破作用過程的數(shù)值模擬研究8
1.2.3 線型炸藥光面爆破的數(shù)值模擬研究10
1.3 隧道超欠挖控制的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀13
1.3.1 工程地質(zhì)對超欠挖的影響作用13
1.3.2 超欠挖對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響16
1.3.3 超欠挖的數(shù)值模擬研究18
第2章 隧道施工期圍巖快速分級技術研究20
2.1 隧道施工期圍巖級別快捷判定總體方法研究20
2.1.1 工程巖體分級各定量參數(shù)指標分析20
2.1.2 工程巖體分級各定量參數(shù)指標快捷獲取方法的研究分析21
2.1.3 隧道施工期圍巖級別快捷判定總體方法選擇24
2.2 隧道施工期巖體完整性指標快捷測試方法研究27
2.2.1 掌子面巖塊(體)波速現(xiàn)場測試布置方法設計27
2.2.2 掌子面巖塊(體)波速現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)采集與預處理31
2.2.3 巖塊、巖體波速數(shù)據(jù)處理方法及原理33
2.2.4 巖體完整性系數(shù)的確定35
2.3 隧道施工期巖石堅硬程度指標快捷測試方法研究35
2.3.1 巖石堅硬程度現(xiàn)場快捷測試指標的選擇35
2.3.2 巖塊樣品飽和處理必要性及處理方法37
2.3.3 巖石回彈試驗41
2.3.4 巖石單軸飽和抗壓強度室內(nèi)實驗44
2.3.5 巖石強度與回彈值相關關系研究47
2.3.6 巖石里氏硬度與單軸抗壓強度的相關關系54
2.4 隧道施工期圍巖分級修正指標快速確定方法研究56
2.4.1 地下水出水狀態(tài)快速確定方法研究56
2.4.2 結構面產(chǎn)狀及其與洞軸線的組合關系測試方法57
2.4.3 初始地應力狀態(tài)58
2.5 隧道施工期圍巖級別快速鑒定設備系統(tǒng)研發(fā)60
2.5.1 總體架構60
2.5.2 巖體完整性系數(shù)快捷測試儀研發(fā)61
2.5.3 圍巖級別快捷判定分析軟件系統(tǒng)77
2.6 小結85
第3章 線型炸藥爆破的基本理論與計算模型87
3.1 線型炸藥爆破的作用原理87
3.1.1 經(jīng)典的爆破破巖理論87
3.1.2 軸向耦合裝藥與軸向不耦合裝藥破巖過程分析89
3.1.3 空氣間隔不耦合裝藥爆破的特性89
3.2 爆破過程中巖體的三個分區(qū)90
3.2.1 壓碎區(qū)的形成90
3.2.2 裂隙區(qū)的形成90
3.2.3 震動區(qū)的形成91
3.3 巖石爆破的本構模型理論91
3.3.1 彈性理論階段91
3.3.2 斷裂理論階段92
第4章 線型炸藥爆破數(shù)值模型建立93
4.1 LS-DYNA簡介及計算理論93
4.1.1 LS-DYNA數(shù)值模擬的主要特征93
4.1.2 控制方程組93
4.1.3 時間積分95
4.1.4 高斯單點積分與沙漏控制95
4.1.5 人工體積黏性控制96
4.1.6 時間步長及邊界條件設定96
4.2 LS-DYNA構建的爆轟模型與狀態(tài)方程97
4.2.1 爆炸模擬的算法選擇98
4.2.2 動量方程、質(zhì)量守恒方程和能量守恒方程98
4.3 LS-DYNA爆破模型的建立99
4.3.1 模型建立過程99
4.3.2 模型計算101
第5章 線型炸藥爆破數(shù)值模擬結果分析102
5.1 Ⅲ級圍巖條件102
5.1.1 炮孔深度為4m，炮孔間距為30cm102
5.1.2 炮孔深度為4m，炮孔間距為40cm110
5.1.3 炮孔深度為4m，炮孔間距為50cm115
5.1.4 炮孔深度為4m，炮孔間距為60cm120
5.1.5 炮孔深度為4m，炮孔間距為80cm124
5.1.6 炮孔深度為4m，炮孔間距為100cm128
5.1.7 炮孔深度為4m，炮孔間距為120cm132
5.1.8 炮孔深度為4m，炮孔間距為150cm137
5.2 Ⅳ級圍巖條件141
5.2.1 炮孔深度為3m，炮孔間距為30cm141
5.2.2 炮孔深度為3m，炮孔間距為40cm146
5.2.3 炮孔深度為3m，炮孔間距為50cm149
5.2.4 炮孔深度為3m，炮孔間距為60cm154
5.2.5 炮孔深度為3m，炮孔間距為80cm158
5.2.6 炮孔深度為3m，炮孔間距為100cm162
5.2.7 炮孔深度為3m，炮孔間距為120cm166
5.2.8 炮孔深度為3m，炮孔間距為150cm170
5.3 對比分析174
第6章 輔助坑道超挖的圍巖力學響應數(shù)值模擬分析176
6.1 工程地質(zhì)條件176
6.2 Ⅲ級圍巖超挖的圍巖力學響應數(shù)值模擬分析178
6.2.1 Ⅲ級圍巖工后毛斷面數(shù)值計算模型建立178
6.2.2 Ⅲ級圍巖工后毛斷面的應力/變形云圖180
6.2.3 Ⅲ級圍巖超挖20cm時毛斷面的應力/變形數(shù)值計算分析182
6.2.4 Ⅲ級圍巖超挖40cm時毛斷面的應力/變形數(shù)值計算分析187
6.2.5 Ⅲ級圍巖超挖60cm時毛斷面的應力/變形數(shù)值計算分析192
6.3 Ⅳ級圍巖超挖的圍巖應力/變形數(shù)值模擬分析198
6.3.1 Ⅳ級圍巖工后毛斷面數(shù)值計算模型建立199
6.3.2 Ⅳ級圍巖工后毛斷面的應力/變形云圖200
6.3.3 Ⅳ級圍巖超挖40cm時毛斷面的應力/變形數(shù)值計算分析201
6.3.4 Ⅳ級圍巖超挖60cm時毛斷面的應力/變形數(shù)值計算分析207
6.3.5 Ⅳ級圍巖超挖80cm時毛斷面的應力/變形數(shù)值計算分析212
第7章 隧道爆破設計智能系統(tǒng)的設計與開發(fā)218
7.1 系統(tǒng)的開發(fā)背景218
7.2 系統(tǒng)分析218
7.3 系統(tǒng)設計流程218
7.4 Visual Basic利用到的技術219
7.4.1 Visual basic連接PDF技術219
7.4.2 Visual Basic 連接辦公軟件技術220
7.5 系統(tǒng)控制界面設計222
7.5.1 系統(tǒng)初始界面222
7.5.2 系統(tǒng)登錄界面224
7.5.3 爆破參數(shù)界面224
7.5.4 隧道類型界面227
7.5.5 結果輸出界面232
7.6 軟件說明書236
7.6.1 系統(tǒng)需求236
7.6.2 軟件需求237
7.7 系統(tǒng)功能237
7.8 啟動系統(tǒng)及登錄界面237
7.8.1 啟動系統(tǒng)237
7.8.2 登錄界面238
7.8.3 “基本參數(shù)”界面238
7.8.4 “隧道類型”界面239
7.8.5 文件輸出界面240
7.9 注意事項245
第8章 隧道開挖的動態(tài)視頻表達246
8.1 隧道開挖過程演示246
8.1.1 3D Max簡介246
8.1.2 3D Max的特點247
8.1.3 素材、圖像、元件的準備248
8.1.4 動畫等主要元件的制作248
8.1.5 3D Max的測試以及保存248
8.2 所采用的技術248
8.2.1 3D Max動畫制作技術248
8.2.2 時間與幀數(shù)249
8.2.3 動畫中元件的應用249
8.2.4 動畫空間表現(xiàn)感249
8.2.5 背景構圖以及層次問題249
8.3 隧道開挖的動態(tài)視頻制作249
8.3.1 制作要素250
8.3.2 動態(tài)視頻制作251
8.3.3 開挖工程的視覺展現(xiàn)254
第9章 工程應用案例257
9.1 勐松1號隧道斜井257
9.1.1 工程地質(zhì)情況257
9.1.2 爆破參數(shù)調(diào)查257
9.1.3 改進的鉆眼爆破炮孔設計259
9.1.4 鉆孔施工精度控制260
9.1.5 裝藥參數(shù)261
9.1.6 起爆網(wǎng)絡262
9.1.7 其他施工措施及工藝優(yōu)化建議263
9.2 曼木樹隧道2號斜井263
9.2.1 工程地質(zhì)情況263
9.2.2 施工隧道的爆破參數(shù)調(diào)查264
9.2.3 現(xiàn)場施工存在的問題與建議265
9.2.4 關鍵問題的改正265
9.2.5 改進的鉆眼爆破炮孔設計266
9.2.6 鉆孔施工精度控制267
9.2.7 周邊眼裝藥268
9.2.8 起爆網(wǎng)絡269
9.2.9 下臺階鉆孔爆破參數(shù)269
9.3 曼木樹隧道1號斜井注漿阻水方案270
9.3.1 工程地質(zhì)情況270
9.3.2 斜井出水情況調(diào)查271
9.3.3 鉆孔爆破情況調(diào)查272
9.3.4 爆破參數(shù)設計272
9.4 巴羅2號隧道進口爆破開挖情況275
9.4.1 工程地質(zhì)情況275
9.4.2 爆破開挖中存在的問題與對策276
第10章 總結278
參考文獻279
附表282
第1章 緒論1
1.1 隧道圍巖分級技術國內(nèi)外現(xiàn)狀2
1.1.1 隧道圍巖分級發(fā)展里程2
1.1.2 隧道圍巖分級發(fā)展趨勢4
1.2 線型炸藥爆破作用的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀5
1.2.1 線型炸藥破巖理論6
1.2.2 線型炸藥爆破作用過程的數(shù)值模擬研究8
1.2.3 線型炸藥光面爆破的數(shù)值模擬研究10
1.3 隧道超欠挖控制的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀13
1.3.1 工程地質(zhì)對超欠挖的影響作用13
1.3.2 超欠挖對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響16
1.3.3 超欠挖的數(shù)值模擬研究18
第2章 隧道施工期圍巖快速分級技術研究20
2.1 隧道施工期圍巖級別快捷判定總體方法研究20
2.1.1 工程巖體分級各定量參數(shù)指標分析20
2.1.2 工程巖體分級各定量參數(shù)指標快捷獲取方法的研究分析21
2.1.3 隧道施工期圍巖級別快捷判定總體方法選擇24
2.2 隧道施工期巖體完整性指標快捷測試方法研究27
2.2.1 掌子面巖塊(體)波速現(xiàn)場測試布置方法設計27
2.2.2 掌子面巖塊(體)波速現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)采集與預處理31
2.2.3 巖塊、巖體波速數(shù)據(jù)處理方法及原理33
2.2.4 巖體完整性系數(shù)的確定35
2.3 隧道施工期巖石堅硬程度指標快捷測試方法研究35
2.3.1 巖石堅硬程度現(xiàn)場快捷測試指標的選擇35
2.3.2 巖塊樣品飽和處理必要性及處理方法37
2.3.3 巖石回彈試驗41
2.3.4 巖石單軸飽和抗壓強度室內(nèi)實驗44
2.3.5 巖石強度與回彈值相關關系研究47
2.3.6 巖石里氏硬度與單軸抗壓強度的相關關系54
2.4 隧道施工期圍巖分級修正指標快速確定方法研究56
2.4.1 地下水出水狀態(tài)快速確定方法研究56
2.4.2 結構面產(chǎn)狀及其與洞軸線的組合關系測試方法57
2.4.3 初始地應力狀態(tài)58
2.5 隧道施工期圍巖級別快速鑒定設備系統(tǒng)研發(fā)60
2.5.1 總體架構60
2.5.2 巖體完整性系數(shù)快捷測試儀研發(fā)61
2.5.3 圍巖級別快捷判定分析軟件系統(tǒng)77
2.6 小結85
第3章 線型炸藥爆破的基本理論與計算模型87
3.1 線型炸藥爆破的作用原理87
3.1.1 經(jīng)典的爆破破巖理論87
3.1.2 軸向耦合裝藥與軸向不耦合裝藥破巖過程分析89
3.1.3 空氣間隔不耦合裝藥爆破的特性89
3.2 爆破過程中巖體的三個分區(qū)90
3.2.1 壓碎區(qū)的形成90
3.2.2 裂隙區(qū)的形成90
3.2.3 震動區(qū)的形成91
3.3 巖石爆破的本構模型理論91
3.3.1 彈性理論階段91
3.3.2 斷裂理論階段92
第4章 線型炸藥爆破數(shù)值模型建立93
4.1 LS-DYNA簡介及計算理論93
4.1.1 LS-DYNA數(shù)值模擬的主要特征93
4.1.2 控制方程組93
4.1.3 時間積分95
4.1.4 高斯單點積分與沙漏控制95
4.1.5 人工體積黏性控制96
4.1.6 時間步長及邊界條件設定96
4.2 LS-DYNA構建的爆轟模型與狀態(tài)方程97
4.2.1 爆炸模擬的算法選擇98
4.2.2 動量方程、質(zhì)量守恒方程和能量守恒方程98
4.3 LS-DYNA爆破模型的建立99
4.3.1 模型建立過程99
4.3.2 模型計算101
第5章 線型炸藥爆破數(shù)值模擬結果分析102
5.1 Ⅲ級圍巖條件102
5.1.1 炮孔深度為4m，炮孔間距為30cm102
5.1.2 炮孔深度為4m，炮孔間距為40cm110
5.1.3 炮孔深度為4m，炮孔間距為50cm115
5.1.4 炮孔深度為4m，炮孔間距為60cm120
5.1.5 炮孔深度為4m，炮孔間距為80cm124
5.1.6 炮孔深度為4m，炮孔間距為100cm128
5.1.7 炮孔深度為4m，炮孔間距為120cm132
5.1.8 炮孔深度為4m，炮孔間距為150cm137
5.2 Ⅳ級圍巖條件141
5.2.1 炮孔深度為3m，炮孔間距為30cm141
5.2.2 炮孔深度為3m，炮孔間距為40cm146
5.2.3 炮孔深度為3m，炮孔間距為50cm149
5.2.4 炮孔深度為3m，炮孔間距為60cm154
5.2.5 炮孔深度為3m，炮孔間距為80cm158
5.2.6 炮孔深度為3m，炮孔間距為100cm162
5.2.7 炮孔深度為3m，炮孔間距為120cm166
5.2.8 炮孔深度為3m，炮孔間距為150cm170
5.3 對比分析174
第6章 輔助坑道超挖的圍巖力學響應數(shù)值模擬分析176
6.1 工程地質(zhì)條件176
6.2 Ⅲ級圍巖超挖的圍巖力學響應數(shù)值模擬分析178
6.2.1 Ⅲ級圍巖工后毛斷面數(shù)值計算模型建立178
6.2.2 Ⅲ級圍巖工后毛斷面的應力/變形云圖180
6.2.3 Ⅲ級圍巖超挖20cm時毛斷面的應力/變形數(shù)值計算分析182
6.2.4 Ⅲ級圍巖超挖40cm時毛斷面的應力/變形數(shù)值計算分析187
6.2.5 Ⅲ級圍巖超挖60cm時毛斷面的應力/變形數(shù)值計算分析192
6.3 Ⅳ級圍巖超挖的圍巖應力/變形數(shù)值模擬分析198
6.3.1 Ⅳ級圍巖工后毛斷面數(shù)值計算模型建立199
6.3.2 Ⅳ級圍巖工后毛斷面的應力/變形云圖200
6.3.3 Ⅳ級圍巖超挖40cm時毛斷面的應力/變形數(shù)值計算分析201
6.3.4 Ⅳ級圍巖超挖60cm時毛斷面的應力/變形數(shù)值計算分析207
6.3.5 Ⅳ級圍巖超挖80cm時毛斷面的應力/變形數(shù)值計算分析212
第7章 隧道爆破設計智能系統(tǒng)的設計與開發(fā)218
7.1 系統(tǒng)的開發(fā)背景218
7.2 系統(tǒng)分析218
7.3 系統(tǒng)設計流程218
7.4 Visual Basic利用到的技術219
7.4.1 Visual basic連接PDF技術219
7.4.2 Visual Basic 連接辦公軟件技術220
7.5 系統(tǒng)控制界面設計222
7.5.1 系統(tǒng)初始界面222
7.5.2 系統(tǒng)登錄界面224
7.5.3 爆破參數(shù)界面224
7.5.4 隧道類型界面227
7.5.5 結果輸出界面232
7.6 軟件說明書236
7.6.1 系統(tǒng)需求236
7.6.2 軟件需求237
7.7 系統(tǒng)功能237
7.8 啟動系統(tǒng)及登錄界面237
7.8.1 啟動系統(tǒng)237
7.8.2 登錄界面238
7.8.3 “基本參數(shù)”界面238
7.8.4 “隧道類型”界面239
7.8.5 文件輸出界面240
7.9 注意事項245
第8章 隧道開挖的動態(tài)視頻表達246
8.1 隧道開挖過程演示246
8.1.1 3D Max簡介246
8.1.2 3D Max的特點247
8.1.3 素材、圖像、元件的準備248
8.1.4 動畫等主要元件的制作248
8.1.5 3D Max的測試以及保存248
8.2 所采用的技術248
8.2.1 3D Max動畫制作技術248
8.2.2 時間與幀數(shù)249
8.2.3 動畫中元件的應用249
8.2.4 動畫空間表現(xiàn)感249
8.2.5 背景構圖以及層次問題249
8.3 隧道開挖的動態(tài)視頻制作249
8.3.1 制作要素250
8.3.2 動態(tài)視頻制作251
8.3.3 開挖工程的視覺展現(xiàn)254
第9章 工程應用案例257
9.1 勐松1號隧道斜井257
9.1.1 工程地質(zhì)情況257
9.1.2 爆破參數(shù)調(diào)查257
9.1.3 改進的鉆眼爆破炮孔設計259
9.1.4 鉆孔施工精度控制260
9.1.5 裝藥參數(shù)261
9.1.6 起爆網(wǎng)絡262
9.1.7 其他施工措施及工藝優(yōu)化建議263
9.2 曼木樹隧道2號斜井263
9.2.1 工程地質(zhì)情況263
9.2.2 施工隧道的爆破參數(shù)調(diào)查264
9.2.3 現(xiàn)場施工存在的問題與建議265
9.2.4 關鍵問題的改正265
9.2.5 改進的鉆眼爆破炮孔設計266
9.2.6 鉆孔施工精度控制267
9.2.7 周邊眼裝藥268
9.2.8 起爆網(wǎng)絡269
9.2.9 下臺階鉆孔爆破參數(shù)269
9.3 曼木樹隧道1號斜井注漿阻水方案270
9.3.1 工程地質(zhì)情況270
9.3.2 斜井出水情況調(diào)查271
9.3.3 鉆孔爆破情況調(diào)查272
9.3.4 爆破參數(shù)設計272
9.4 巴羅2號隧道進口爆破開挖情況275
9.4.1 工程地質(zhì)情況275
9.4.2 爆破開挖中存在的問題與對策276
第10章 總結278
參考文獻279
附表282
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隧道圍巖快速分級及超欠挖爆破智能控制研究 節(jié)選
第1章 緒論 在日新月異的21世紀，經(jīng)濟社會的發(fā)展對交通行業(yè)有了更多的要求，對道路的線型和質(zhì)量的要求也在日益提高。而作為道路工程的關鍵性控制工程——隧道工程，所發(fā)揮的作用逐漸凸顯出其不可取代的地位。所以，對隧道工程現(xiàn)場施工時的特殊問題進行研究具有重大的價值。 如今，我國正處于交通工程發(fā)展的繁榮期，大量的工程建設項目正在進行，其中隧道工程項目工程大、類別多，特別是在我國的西部地區(qū)，以及其他地形復雜的溝谷地區(qū)，因其自然環(huán)境和復雜的地質(zhì)條件，交通工程造價較高，并且施工技術難度較大。在實際建設中，為了使經(jīng)濟效益*大化，設計方、投資方、承建方和運營方等通常會在某些路段采用隧道工程。隨著科學技術的發(fā)展，隧道建設的研究正在不斷地邁上新臺階，在許多復雜的路段均可進行隧道建設，這也為隧道工程的高速發(fā)展提供了技術研究的支撐平臺。但是，隨著道路工程要求的提高和各種特殊建設環(huán)境的出現(xiàn)，現(xiàn)有的研究資料已經(jīng)無法滿足當前快速建設隧道工程的需要。因此，結合現(xiàn)有的研究資料和研究方法，對隧道工程進行更為深入的研究是十分有必要的。 在目前的隧道工程建設中，多方面的因素制約著施工質(zhì)量，超欠挖是其中的關鍵性因素之一。超欠挖是以隧道設計尺寸的周邊界限為控制位置，將爆破后開挖的實際周邊界限與設計尺寸進行對比，設計尺寸以外開挖的部分稱為超挖，設計尺寸以內(nèi)開挖的部分稱為欠挖，開挖部分與隧道設計尺寸誤差小于一定值稱為無超欠挖。超欠挖問題一直存在于工程實際之中，尤其是采用鉆爆法等方法對隧道進行開挖，即使在德國、日本、瑞典等工程技術水平較高的國家，也有超欠挖問題的產(chǎn)生，這也是隧道等地下工程施工的特點。引起超欠挖問題的原因有很多，有人為的，也有技術上的，具體來說，包括鉆孔精度的影響、爆破技術參數(shù)的影響、用測繪儀器標定鉆孔位置的影響以及圍巖情況的影響等，但是無論是哪一種原因，超欠挖都會對工程質(zhì)量造成一定程度的影響，導致施工成本升高。首先是在工程質(zhì)量方面，會在一定程度上造成工程質(zhì)量降低，而具體降低的程度及范圍，目前的研究資料依舊較少，并且，隧道超欠挖問題還會直接關系后續(xù)施工的效率，尤其是在隧道初期支護的混凝土用量、防排水布板的鋪設以及二次澆筑筑模的施工中，超欠挖問題均有著十分重要的影響。其次是在施工安全方面，由于超欠挖偏離了設計的尺寸，造成受力不均，有的地方甚至出現(xiàn)了應力集中，再加上地下工程復雜的地質(zhì)條件，即便是采用邊開挖邊支護的方法，也同樣存在一定的安全隱患。*后是在經(jīng)濟效益方面，通常超欠挖問題會致使建造成本上升，一般來說，隧道工程的超挖會使襯砌的混凝土用量大量地增加，但是在某些特定的條件下，欠挖需要實施補炮鉆孔時，其造價成本甚至會超過超挖，而且補炮作業(yè)也會使循環(huán)作業(yè)時間加長。在上述影響因素下，在了解現(xiàn)有研究成果的基礎上，對隧道工程的超欠挖進行更加深入的研究具有十分重要的意義。這不僅可以確保施工質(zhì)量，保障人員的施工安全，而且可以節(jié)約施工成本。 然而，隧道工程項目雖然起步較早，但是在隧道超欠挖問題的研究上，即使有不錯的成果，但對于完全做好超欠挖問題的因素分析，并對超欠挖問題進行計算和控制，提高工程質(zhì)量等級，控制施工成本仍然是不夠的，尤其是在圍巖等級較差或者地質(zhì)情況較為復雜時，很難消除超欠挖問題的影響，也沒有可以完全作為參照控制的規(guī)范標準，再加上在實際施工中，不少單位對超挖、欠挖的認識不足，嚴重地影響了施工質(zhì)量，威脅生產(chǎn)人員的生命安全，有時，在工程完工后，也無法達到施工質(zhì)量的驗收標準。同時，由于工程實際的差異性，造成部分問題存在無可借鑒的情況，對于實際的隧道工程施工造成了一定的影響，使實際的工程無法達到預定的施工質(zhì)量要求，在施工過程中的安全隱患，往往會增大施工的成本控制難度。 因此，為了更加安全、經(jīng)濟地進行隧道項目的建設，本書從工程實際的地質(zhì)情況出發(fā)，結合現(xiàn)有的標準規(guī)范和研究成果，將不同圍巖等級和圍巖類別的工況進行區(qū)分，并且在不同工況下結合不同的隧道超欠挖形式，利用有限元軟件，對不同類型的工況進行模擬和計算，以達到安全、經(jīng)濟地進行隧道工程施工的目的，對類似隧道的施工有一定的借鑒價值。 1.1 隧道圍巖分級技術國內(nèi)外現(xiàn)狀 1.1.1 隧道圍巖分級發(fā)展里程 國外對工程巖體分級方法的研究較早，18世紀，俄國學者就提出了將巖石分為堅石、次堅石、軟石、破碎巖石和松散巖石的五級巖石分級法；1861年，F(xiàn).Offman提出了按開采工具將巖石劃分為六級的方法。20世紀初，陸續(xù)出現(xiàn)了為支護設計和確定地壓力服務的分級方法，如著名的普羅托季亞科諾夫的分級(1926年)、K.Terzaghi的分級(1946年)。20世紀50年代以來，出現(xiàn)了以評價工程巖體(圍巖)穩(wěn)定性和相應支護形式為目標的分級，主要有H.Lauffer根據(jù)毛洞穩(wěn)定時間為指標的分級(1969年)，D.U.Deere按巖石質(zhì)量指標(rock quality designation，RQD)為指標的分級(1969年)，挪威N.Barton的巖石質(zhì)量系數(shù)Q分級(1974年)，南非Z.T.Bieniawshi的節(jié)理化巖體的地質(zhì)力學分級(1973年)等。 國內(nèi)工程巖體分級的應用研究起步較晚，1954年以前基本沿用以巖石極限抗壓強度和巖石天然容重為指標的分級方法。1954～1972年使用以巖石堅固性系數(shù)為指標的普氏分級。1972年到現(xiàn)在為新的工程巖體分級方法不斷提出和推廣應用階段。1972年，中國科學院地質(zhì)研究所(現(xiàn)中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所)谷德振教授等提出了以巖體結構類型為主要劃分依據(jù)的分級(分類)方法。同年，鐵道部(現(xiàn)已撤銷)和總參某部隊也提出了以巖體結構特征定性描述和巖石強度為基本因素，并結合考慮其他因素的分級新方法。中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司于1974年提出了定性和定量相結合的水電工程巖體分級方法。1978年，鐵道部科學研究院西南研究所(現(xiàn)中鐵西南科學研究院有限公司，簡稱中鐵西南院)發(fā)表了“彈性波(聲波)參數(shù)與巖體分類、評價”的研究成果，中國科學院地質(zhì)研究所、長春地質(zhì)學院(現(xiàn)并入吉林大學)與水利電力部東北勘測設計院等在同期也提出了類似成果。進入20世紀90年代后，東北工學院(現(xiàn)東北大學)、中國人民解放軍89003部隊、中鐵西南院、水電部昆明勘察設計院(現(xiàn)中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司)等單位相繼提出更為完善或適合行業(yè)的分級研究成果。表1-1為20世紀圍巖分級技術的發(fā)展情況。 表1-1 圍巖分級技術發(fā)展歷程 進入21世紀后，國內(nèi)圍巖分級迅速發(fā)展成熟并形成規(guī)范，《工程巖體分級標準》(GB/T 50218—2014)在1994年版的基礎上進行了更新并于2014年頒布執(zhí)行。鐵路系統(tǒng)于2005年在《鐵路隧道設計規(guī)范》(TB 1003—1999)的基礎上，修訂和頒布了《鐵路隧道設計規(guī)范》(TB 10003—2005)；國家鐵路局2016年修訂并頒布了《鐵路隧道設計規(guī)范》(TB 10003—2016)；交通運輸部于2004年頒布了《公路隧道設計規(guī)范》(JTGD 70—2004)，2018年修訂并頒布了《公路隧道設計規(guī)范 **冊 土建工程》(JTG 3370.1—2018)。 目前常用的隧道圍巖分級方法主要有以下5種。 (1)巖體質(zhì)量分類Q系統(tǒng)。該方法是挪威人巴頓等于1974年建立起來的，它主要考慮了巖體的完整性、節(jié)理特性、地下水和地應力的影響等，并以6個參數(shù)確定反映隧道圍巖穩(wěn)定性的巖體質(zhì)量指標(Q)。 (2)RMR分類。RMR(rock mass rating)分類于即“巖體評分”，又稱地質(zhì)力學系統(tǒng)，由Bieniawski于1973年提出，目前廣泛運用于水電工程邊坡、壩基等工程的巖體分類中，原理是通過6個參數(shù)對巖體質(zhì)量的貢獻進行綜合分類。這6個參數(shù)包括巖體單軸抗壓強度、巖體質(zhì)量指標、結構面間距、結構面狀況、地下水狀況、結構面方位。 (3)國標BQ分級。我國于2014年發(fā)布了強制性國家標準《工程巖體分級標準》(GB/T 50218—2014)。該標準是一種通用的巖體質(zhì)量分級方法，適用于各類型巖石工程的巖體質(zhì)量分級，并規(guī)定工程巖體分級應采用定性與定量相結合的方法，分兩步進行。 (4)水電圍巖HC(hydropower classifying)分類。針對水電行業(yè)的特點，2008年住建部發(fā)布了《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB 50487—2008)，提出了圍巖工程地質(zhì)分類方法，該方法以巖石強度、巖體完整性程度及結構面狀態(tài)為基本因素，以地下水及主要結構面產(chǎn)狀為修正因素，以基本因素和修正因素的累計得分為基本判據(jù)、以圍巖強度應力比為限定判據(jù)進行圍巖類別劃分。 (5)公路隧道圍巖分級。現(xiàn)行的*新《公路隧道設計規(guī)范 **冊 土建工程》(JTG 3370.1—2018)與《鐵路隧道設計規(guī)范》(TB 10003—2016)嚴格遵循《工程巖體分級標準》(GB/T 50218—2014)的標準，采用圍巖的定性劃分與定量指標相結合的綜合分級方法。 目前國內(nèi)各種圍巖級別的劃分方案，因出發(fā)點不同，在指標體系的建立上仍然存在差異，在實際應用中都有其利弊，但目前絕大多數(shù)的學者都形成了一定的共識，即圍巖級別主要的影響因素為巖石的堅硬程度，巖體完整程度，地下水、結構面狀態(tài)及地應力的影響。 1.1.2 隧道圍巖分級發(fā)展趨勢 常規(guī)的圍巖分級方法較慢且定性的影響因素較多，缺乏施工期隧道圍巖快速分級方法，加之定量指標參數(shù)的采集、分析困難，導致施工期圍巖分級主要是在隧道現(xiàn)場通過人為觀察與相關信息進行定性判定，缺乏客觀性和科學性，因此，行業(yè)同仁們借助現(xiàn)代科學技術不斷提升圍巖分級的快捷化、定量化、科學化，為隧道工程動態(tài)設計施工提供了依據(jù)和指導，也促使隧道圍巖分級技術朝著快捷化和智能化方向發(fā)展。 關于圍巖分級的智能化，不僅要借助于快捷化的測試方法，還要結合新興的數(shù)學理論與先進的計算機智能化系統(tǒng)，如模糊數(shù)學理論、人工神經(jīng)網(wǎng)絡、灰色預測和分形幾何等非線性圍巖分級方法。基于此，能達到半定量-定量化圍巖分級。黃健[1]針對長大隧道，提出了以定性與定量相結合的圍巖分級指標體系，建立了圍巖分區(qū)的標準及具體的操作流程，率先研發(fā)了隧道圍巖智能分級系統(tǒng)。郭磊和傅鶴林[2]基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡取得了與實際施工情況吻合的圍巖判別效果；牛文林[3]建立了基于支持向量機模型、神經(jīng)網(wǎng)絡模型和模糊推理模型的圍巖級別智能判定方法，并設計開發(fā)了圍巖分級網(wǎng)站，實現(xiàn)了圍巖級別的定性定量智能判別。范新宇等[4]建立起圍巖分級的熵權模糊綜合評價模型，降低了圍巖分級人為賦值的主觀性。 關于圍巖分級的快捷化和定量化，更注重基礎參數(shù)的測試研究，主要從分級指標的替代關系研究著手。比如，現(xiàn)行規(guī)范要求采用巖石飽和單軸抗壓強度(RC)作為巖石堅硬程度的定量指標，但由于該指標的測試需要經(jīng)歷現(xiàn)場鉆孔、取樣、送樣、加工、飽和等流程后才能進行室內(nèi)試驗測定，既耗費成本又耽誤時間，無法匹配施工期現(xiàn)實需要。為此，行業(yè)同仁們積極尋求替代方法和指標，展開了指標相關性研究并提出了替代指標及替代公式。目前，研究較深入的幾個替代指標依次是點荷載強度Is(50)、回彈強度Rm及縱波速度Vpr。鄧華鋒等[5]綜合超聲波傳播速度、回彈值與巖石強度的相互關系進行試樣選擇，提高了巖石抗壓強度預測的可靠度。牛文林等[6]基于支持向量機的學習算法對圍巖樣本進行了級別判別，獲得了較高的準確率。邵勇等[7]選取凝灰?guī)r、石英砂巖等硬質(zhì)巖進行試驗，擬合了巖石點荷載強度、單軸抗壓強度、回彈強度之間的關系，取得了良好的擬合效果。王睿等[8]基于聲波-回彈聯(lián)合法實現(xiàn)了對片麻巖強度的快速預測。侯志鑫等[9]通過測量新鮮巖石與風化巖石的里氏硬度，實現(xiàn)了對風化巖石質(zhì)文物風化程度的評價。葉嘉成和張中儉[10]對北京大理巖石質(zhì)文物采樣進行里氏硬度、縱波速度和單軸壓縮試驗，認為單軸抗壓強度與里氏硬度值的相關性*好。 1.2 線型炸藥爆破作用的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 國民
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