Investigación sobre el daño dinámico acumulativo de voladuras de la roca circundante en túneles de construcción escalonada

Jun 03, 2023

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 1974 (2023) Citar este artículo

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En el proceso de voladura cíclica durante la excavación del túnel, la roca circundante reservada sufre una acumulación de daños irreparables. Para la construcción segura de túneles, es imperativo comprender las características de las voladuras dinámicas y acumulativas de daños en las rocas. Se aplicaron a la investigación métodos de prueba de ondas sónicas y de simulación numérica. Se adoptó el modelo JH-2 como modelo de daño de la roca circundante. Basado en el método de transferencia de datos entre solucionadores en el software ABAQUS, se calculó el daño acumulativo. Las características de daño se obtuvieron combinando los resultados de la prueba de ondas sónicas. Según los hallazgos de la investigación, toda la roca circundante reservada tiene características de daño periódico. Cada área de daño periódico tiene forma de embudo a lo largo de la dirección longitudinal del túnel, con una longitud de 160 cm y 1,07 veces el metraje de excavación. El efecto de voladura del último metraje de excavación en el área dañada de la roca del metraje anterior es de 40 cm de largo, con tres patrones de daños acumulativos. Los tres patrones de daño acumulativo revelan más claramente la ley de daño adicional de la roca circundante, el grado de daño adicional es mayor con la distancia de 5 a 20 cm desde el último metraje de excavación. La investigación puede proporcionar una guía teórica adecuada para el diseño del esquema de voladura y el revestimiento del túnel de construcción de voladura escalonada.

La excavación con voladuras se usa ampliamente en la ingeniería de túneles debido a su alta eficiencia y ventajas económicas. Cuando la energía de una explosión explosiva rompe y arroja la masa rocosa excavada, inevitablemente dañará la roca circundante reservada, reduciendo su integridad y degradando sus propiedades mecánicas, afectando la seguridad de la construcción del túnel. Además, se aplicarán cargas de voladura adicionales a la roca circundante reservada, lo que provocará una acumulación continua de daños. Por lo tanto, estudiar las características del daño dinámico acumulativo de la voladura de la roca circundante es crucial para la construcción segura de túneles de perforación y voladura.

El modelo de daño por voladura de rocas ha sido estudiado extensamente por académicos. Langefors1 cree que el daño por voladura es creado por la propagación, la reflexión y el contacto de la onda de tensión de la explosión. Estimula y amplía las fisuras de las rocas, rebajando sus características mecánicas. Sobre la base de esta comprensión, los investigadores pertinentes desarrollaron tres modelos de daños por voladuras: el modelo GK2, el modelo TCK3 y el modelo KUS4. HAMDI5 y LI6 utilizaron los tres modelos de daños por voladuras y métodos de simulación numérica para estudiar la evolución de los daños, la medición y la evaluación de la masa rocosa bajo voladuras. De acuerdo con la mecánica de daño continuo y el criterio de deformación por tracción crítica, YANG7 y LIU8 propusieron un modelo de daño por voladura que puede reflejar de manera integral la correlación entre las variables de daño, la densidad de grietas y la tasa de deformación.

Además, el macizo rocoso existe en el esfuerzo in situ inicial junto con el esfuerzo gravitatorio y el esfuerzo tectónico, lo que tiene una influencia significativa en la propagación de ondas de tensión explosivas, el desarrollo de grietas en la roca y el daño a la roca circundante. Existe un macizo rocoso en la tensión in situ inicial junto con la tensión de la gravedad y la tensión tectónica, que tiene una influencia significativa en la propagación de las ondas de tensión explosivas y el daño de la roca circundante. Por lo tanto, la tensión in situ no se puede ignorar al estudiar el daño causado por las voladuras, y muchos académicos lo han estudiado. A través de la investigación experimental, HE9 y ZHANG10 encontraron que las grietas bajo la carga de voladura a menudo se propagan a lo largo de la dirección de la tensión principal. Además, el estudio de HE9 mostró que la zona de fractura de la roca disminuiría con el aumento de la tensión de compresión. XIE11 y YI12 estudiaron el daño por voladura del macizo rocoso bajo tensión in situ mediante simulación numérica y obtuvieron la misma regla de desarrollo de fisuras que la anterior. TAO13 simuló la voladura de un solo pozo de masa rocosa bajo tensión in situ y descubrió que podía reducir el agrietamiento. En un proyecto de túnel específico, RAMULU14 usó pruebas de extensómetro y cámara estenopeica para investigar la influencia de las voladuras cíclicas en el daño de la roca. La investigación encontró que los daños en las rocas cerca del área de voladura fueron causados ​​por vibraciones de alta frecuencia, mientras que los daños en rocas lejos del pozo de voladura fueron causados ​​por vibraciones de baja frecuencia. LUO15 llevó a cabo una simulación numérica de la excavación con voladura de un túnel de desvío y comparó los resultados con los valores medidos en campo. Se encontró que la velocidad de vibración de la voladura y la deformación de la roca circundante estaban más cerca de los valores medidos después de considerar el daño acumulado de la roca circundante. El efecto de daño acumulativo de la roca circundante debe considerarse en la simulación numérica.

Los estudios anteriores indican que se debe seleccionar el modelo de daño de roca apropiado y se debe considerar el efecto de la tensión in situ para explorar el daño acumulativo de la roca circundante reservada. Sin embargo, el estado de la investigación se centra en la teoría del daño de la roca bajo la carga de voladura, el monitoreo en el sitio y la evaluación de la seguridad. Hay pocos estudios sobre el daño dinámico acumulativo de la roca circundante reservada en la construcción de voladuras cíclicas con método escalonado. El modelo de roca JH-2 integrado en el software ABAQUS se utilizó para realizar una simulación numérica precisa de la excavación con voladura cíclica de un túnel. Los resultados del cálculo se compararon con los resultados de la prueba sónica de campo para estudiar las características de daño acumulativo de la roca circundante reservada.

El túnel Jinjing está ubicado en la ciudad de Sanming, provincia de Fujian, China. Se trata de un túnel de vía única de 7292 m de longitud. Atraviesa las rocas circundantes de clase II, III, IV y V, y la longitud de la roca circundante de clase II es de 1540 m. Para disminuir la vibración producida por las voladuras a las estructuras cercanas, se eligió un método de construcción de arco invertido temporal paso a paso para la parte poco enterrada de clase II. El diagrama de construcción del túnel se muestra en la Fig. 1, y el diagrama de dimensiones del túnel se muestra en la Fig. 2.

El diagrama de construcción del túnel.

El gráfico de la dimensión del túnel (cm).

La construcción se realizó de acuerdo con la teoría de "excavación corta, voladura débil" y se utilizaron las técnicas de microdiferencia, división, multisegmento y voladura débil múltiple. Para la construcción se utilizó el método de inversión temporal de escalones inferiores y descendentes, con una sola excavación cíclica de 1,5 m. El orificio de corte tiene forma de cuña compuesta, y el diseño se muestra en la Fig. 3. En la Fig. 3, la parte superior es la vista frontal, que muestra la disposición de los orificios de corte en la cara del túnel. La cara inferior es la vista superior, que muestra la posición y la longitud de los agujeros de corte en la roca.

Esquema de disposición de orificios de corte en forma de cuña compuesta (cm).

Los cambios en la velocidad de las ondas sónicas en un macizo rocoso pueden reflejar mejor el grado y el rango de daño del macizo rocoso después de la voladura y brindar datos para estudios de sitios de construcción16. El detector RSM-SY6 se usa para realizar pruebas sónicas en la roca circundante, y el esquema de prueba se muestra en la Fig. 4. Los orificios de prueba están dispuestos en la parte plana de la cintura del arco. La profundidad de los agujeros de prueba es de 4 my los agujeros de prueba están inclinados hacia abajo y en un ángulo de 5° con el plano horizontal. Los agujeros de prueba son paralelos y el espacio adyacente es de 60 cm. No hubo escombros de roca en la cámara de prueba durante la prueba, y la cavidad estaba acoplada con agua. La sonda sónica se movió hacia afuera 20 cm para cada prueba y se realizaron 21 pruebas en cada grupo.

Plan de prueba del método de ondas sónicas de dos orificios.

Para obtener las velocidades de las ondas longitudinales de la roca circundante dañada e intacta, se prueba la velocidad de las ondas sónicas del macizo rocoso excavado. La curva de la velocidad de las ondas que varía a lo largo de la profundidad del pozo de prueba se muestra en la Fig. 5. En la Fig. 5, #2–1 representa la velocidad de la onda sónica de la roca entre el orificio 2# y el orificio 1#, la #2–3 representa la velocidad de la onda sónica de la roca entre el orificio 2# y el orificio 3#. Debido a la filtración de agua en la abertura del pozo, los datos de velocidad de las olas en la abertura del pozo están incompletos. La curva de velocidad de la ola de la roca circundante reservada muestra que la velocidad de la ola varía significativamente en el rango de profundidad de 0,4 a 2,5 m, y la velocidad de la ola aumenta de 2145 a 4845 m·s−1. Cuando la profundidad es superior a 2,5 m, la variación de la velocidad de la onda sónica tiende a ser estable. A juzgar por la tendencia de variación de la velocidad de la onda, la velocidad de la onda de la roca circundante no dañada puede tomarse como la velocidad de la onda promedio de 4817 m·s−1 a una profundidad de 2,5 a 4 m del pozo de prueba.

Curvas de velocidad-profundidad sónica de la roca circundante.

Dado que la carga de voladura es simplemente un tipo de fuerza, la reacción de la roca circundante depende de sus características mecánicas y modelo de daño. Como resultado, el modelo de daño de la roca circundante es crucial para el análisis de este trabajo.

En la simulación numérica, el modelo HJC17, el modelo JH-118 y el modelo JH-219 se utilizan a menudo para describir el comportamiento mecánico dinámico de materiales frágiles bajo una deformación considerable, una tasa de deformación alta y cargas de alta presión. El modelo JH-2 es una mejora sobre el modelo JH-1. En el modelo JH-220 se tienen en cuenta la resistencia dependiente de la presión, el daño, la fractura, el abultamiento, los efectos de la velocidad de deformación y una resistencia significativa después de la fractura. El modelo consta de fuerza, daño y presión. Las ecuaciones de estado de resistencia, daño y presión del modelo JH-2 se describen a continuación21,22.

La curva de resistencia del modelo continuo de JH-2 se muestra en la Fig. 6, donde tres curvas diferentes describen tres estados de los materiales: el estado intacto, el estado dañado y el estado fracturado. El estado del material tiene su correspondiente ecuación de resistencia, que representa la relación entre la tensión equivalente normalizada y la presión normalizada. La ecuación de la tensión equivalente normalizada es la siguiente:

donde \(\sigma_{\text{i}}^{*}\) es la tensión equivalente intacta normalizada; \(\sigma_{{\rm f}}^{*}\) es la tensión de fractura normalizada; D es el factor de daño (0 < D < 1); σ es la tensión equivalente real; \(\sigma_{{{\rm HEL}}}\) es la tensión equivalente en el estado límite elástico de Hugoniot. Representa la tensión de compresión neta que incluye la presión hidrostática y los componentes de la tensión del desviador19.

Modelo de fuerza del modelo constitutivo JH-2.

0 < D < 1, el material está en estado dañado y la tensión equivalente normalizada \(\sigma^{*}\) se calcula mediante la fórmula (1), correspondiente a la curva naranja de la Fig. 6. D = 0, el material está en el estado intacto. Sustituyendo D = 0 en la fórmula (1), se obtiene \(\sigma^{*} { = }\sigma_{\text{i}}^{*}\), y \(\sigma_{\text{i} }^{*}\) se calcula mediante la fórmula (3), que corresponde a la curva azul de la Fig. 6. D = 1, el material está en estado fracturado. Sustituyendo D = 1 en la fórmula (1), se obtiene \(\sigma^{*} { = }\sigma_{{\rm f}}^{*}\), y \(\sigma_{\rm {f} }^{*}\) se calcula mediante la fórmula (4), que corresponde a la curva verde de la Fig. 6.

La fórmula de cálculo de σ es la siguiente:

donde \(\sigma_{1}\) y \(\sigma_{2}\) son \(\sigma_{3}\) tres tensiones principales.

La fórmula de cálculo de \(\sigma_{i}^{*}\) y \(\sigma_{f}^{*}\) es la siguiente:

donde A, B, C, M y N son parámetros materiales; \(\sigma_{i}^{\max }\) es el valor límite de \(\sigma_{i}^{*}\); \(P^{*}\) es la presión normalizada, la fórmula de cálculo de \(P^{*}\) es la siguiente:

donde P es la presión hidrostática real; \(P_{HEL}\) es la presión hidrostática en el estado límite elástico de Hugoniot.

\(T^{*}\) es la presión hidrostática de tracción máxima normalizada, y su fórmula de cálculo es la siguiente:

donde T es la presión hidrostática de tracción máxima del material y \(T_{HEL}\) es la presión hidrostática de tracción en el estado límite elástico de Hugoniot.

\(\dot{\varepsilon }^{*}\) es la velocidad de deformación adimensional, que se calcula de la siguiente manera:

donde \(\dot{\varepsilon }\) es la tasa de deformación equivalente real, \(\dot{\varepsilon }_{0}\) es la tasa de deformación de referencia y toma el valor de 1 s−1.

La fórmula de cálculo de \(\dot{\varepsilon }\) es la siguiente:

donde \(\dot{\varepsilon }_{x}\),\(\dot{\varepsilon }_{y}\) y \(\dot{\varepsilon }_{z}\) son tres velocidades de deformación principales ; \(\dot{\gamma }_{xy}^{2}\),\(\dot{\gamma }_{xz}^{2}\) y \(\dot{\gamma }_{yz} ^{2}\) son tres velocidades de deformación por corte.

La curva de daño del modelo continuo JH-2 se muestra en la Fig. 7. De la Fig. 7, el daño del material aumenta con el desarrollo de la fractura, y el crecimiento del daño presenta características no lineales. La ecuación es la siguiente:

donde \(\Delta \varepsilon^{p}\) es la tasa de deformación plástica equivalente;\(\Delta \varepsilon_{f}^{p}\) es la deformación plástica equivalente en la falla; D1 y D2 son factores de daño, que se determinan mediante el siguiente método.

donde \(\varepsilon_{p}^{f}\) es la deformación plástica a fracturar bajo una presión constante. De acuerdo con la fórmula (10), la curva de la tensión de fractura dependiente de la presión que sigue a la presión normalizada puede determinarse mediante ensayo, y los factores de daño D1 y D2 pueden determinarse mediante la curva21.

Modelo de daño del modelo constitutivo JH-2.

La curva de ecuación de estado de presión del modelo continuo JH-2 se muestra en la Fig. 8. La ecuación de estado de presión refleja la presión hidrostática y la deformación volumétrica, incluidas las etapas de falla plástica y elástica pura. La ecuación es la siguiente:

donde K1, K2 y K3 son constantes materiales, μ se puede calcular de la siguiente manera:

donde \(\rho_{0}\) es la densidad inicial del material; ρ es la densidad de corriente.

Modelo EOS del modelo constitutivo JH-2.

Teniendo en cuenta la energía de carga, el incremento de presión ΔP se tiene en cuenta en la ecuación de estado. Cuando el material se daña, la resistencia del material se debilitará y la energía elástica del material también disminuirá. La energía elástica reducida se convertirá en energía potencial 20, aumentando el incremento de presión ΔP. La ecuación de ΔP es la siguiente:

donde ΔU es la energía elástica del desviador; β es la parte de la energía elástica incremental que se convierte en energía potencial (0 ≤ β ≤ 1).

La ecuación de relación entre la variable de daño de la roca y la velocidad de la onda sónica antes y después del daño de la roca se puede obtener:23

donde \(\overline{{V_{p} }}\) es la velocidad de la onda sónica de la masa rocosa sujeta a la carga de voladura; \(V_{p}\) es la velocidad de la onda sónica de la roca; D es la variable de daño de la roca después de la voladura.

La fórmula de cálculo de la tasa de cambio de la velocidad de la onda sónica es la siguiente:

Criterios para juzgar el daño de la roca circundante bajo carga explosiva mediante la prueba de ondas sónicas23: cuando la tasa de cambio de la velocidad de la onda sónica no supera el 10 %, el daño de la roca circundante es mínimo. Cuando la tasa de cambio de la velocidad de la onda sónica es superior al 10 % pero inferior al 15 %, se considera que la roca circundante está levemente dañada por la voladura. Cuando la tasa de cambio de la velocidad de la onda sónica es superior al 15%, se considera que la roca circundante está dañada por la voladura. Cuando la tasa de cambio de la velocidad de la onda sónica es del 10 %, la variable de daño de la roca es 0,19. Cuando la tasa de cambio de la velocidad de la onda sónica es del 15 %, la variable de daño de la roca es 0,28.

Tomando como ejemplo la construcción de voladura escalonada en el túnel de Jinjing, se establece el modelo numérico. El tamaño del modelo es de 40 m × 37 m × 37 m, y el elemento C3D8R se usa para la roca y el revestimiento. El elemento viga se utiliza para el anclaje. El método de transferencia de datos entre solucionadores en el software ABAQUS se utiliza para realizar la construcción de excavación con voladura cíclica del túnel. Durante la simulación de voladuras cíclicas, la carga de voladura se aplica al límite de la excavación. Antes de comenzar la operación de voladura, se eliminan los elementos de roca de la excavación de voladura cíclica. La siguiente voladura cíclica se calcula en base a todos los resultados de cálculo de la voladura cíclica anterior. El diagrama esquemático del modelo numérico se muestra en la Fig. 9.

Esquema del modelo numérico.

Dado que la voladura provoca principalmente vibraciones en los anclajes del túnel, el revestimiento primario y el revestimiento secundario, no se puede considerar el daño. Solo se consideran los parámetros de elasticidad del material, como se muestra en la Tabla 1.

El modelo JH-2 se utiliza para el macizo rocoso, y sus parámetros específicos se muestran en la Tabla 2 de acuerdo con la literatura20 y los datos de estudios geológicos de ingeniería.

El costo del cálculo se puede reducir considerablemente aplicando la carga de voladura equivalente en el límite elástico en lugar de modelar la explosión y el orificio del cañón. En este documento se adoptará la carga explosiva equivalente triangular. La curva de carga explosiva se muestra en la Fig. 10.

Curva de carga explosiva.

La cantidad de carga y la disposición de los orificios determinan el valor de la carga de voladura, y el metraje determina el rango de la carga de voladura. Como factores que influyen en la carga de voladura, afectan el daño de la roca circundante.

La presión de detonación inicial en la pared del agujero se puede calcular para cargas desacopladas mediante la siguiente fórmula24.

donde P0 es la presión de detonación inicial;\(\rho_{e}\) es la densidad explosiva; D es la velocidad de detonación del explosivo; γ es el índice isoentrópico de los explosivos, tomando el valor de 3,0; dc es el diámetro de la carga; db es el diámetro del agujero. Para la detonación de un grupo de agujeros, la carga de explosión equivalente aplicada en el límite elástico se puede calcular de la siguiente manera21:

donde k es el coeficiente de influencia de la iniciación del pozo de corte, que se toma como 10; \(r_{0}\) es el radio del agujero; \(r_{1}\) es el radio de la zona de aplastamiento; \(r_{2}\) es el radio del área de trituración; μ Relación de Poisson de la roca circundante.

El explosivo de emulsión 2# se utiliza en la construcción de la explosión del túnel de Jinjing, su densidad es de 1100 kg/m3 y la velocidad de detonación es de 4000 m/s; de acuerdo con los datos de ingeniería relevantes, la carga de voladura equivalente P1 en el límite elástico es de 200 Mpa, según lo calculado por la ecuación. (17).

Una sola operación de voladura dañará un cierto rango de rocas adyacentes en esta área de excavación. A medida que aumenta la frecuencia de las operaciones de voladura, el daño a las rocas circundantes en la sección de construcción de voladuras cíclicas se acumulará en función del daño producido por cada operación de voladura individual, exhibiendo las características del daño general a las rocas circundantes. El daño causado por las voladuras en esta sección se verá agravado por las voladuras posteriores. Esta sección analiza y discute las características del daño acumulativo de la sección de construcción de una sola explosión y la roca circundante de la explosión cíclica.

La velocidad de la onda sónica de la roca circundante reservada obtenida de la prueba sónica se sustituye en la ecuación. (14) para obtener la variable de daño en el campo, que se compara con la variable de daño en la simulación, como se muestra en la Fig. 11. El valor de daño de la simulación numérica se extrae mediante la función de procesamiento posterior del software ABAQUS. Puede verse en la Fig. 11 que el valor de simulación es consistente con el valor de medición de campo. Cuando la variable de daño es 0.19, las profundidades de daño en simulación numérica, prueba de campo 1 y prueba de campo 2 son 130 cm, 143 cm y 144 cm, respectivamente. Cuando la variable de daño es 0,28, las profundidades de daño en simulación numérica, prueba de campo 1 y prueba de campo 2 son 110 cm, 117 cm y 115 cm, respectivamente. La desviación de profundidad promedio para los dos grupos de variables de daño es de 13,5 cm y 6 cm, respectivamente. Claramente, el método de simulación numérica utilizado en esta investigación tiene un grado de confiabilidad.

Comparación de pruebas de campo y resultados de simulación numérica.

La Figura 12 muestra la distribución de los factores de daño a lo largo de la dirección longitudinal del túnel durante los siete ciclos de excavación de la construcción con voladuras. La figura 12 es la imagen de la nube de daños del modelo JH-2, que se obtuvo mediante la función de procesamiento posterior.

Variables de daño de la roca circundante total reservada a lo largo del túnel longitudinal.

De acuerdo con la Fig. 12, a lo largo del eje longitudinal del túnel, la distribución del daño de la roca circundante total reservada es uniforme y simétrica, exhibiendo características de daño periódico. El rango de construcción de voladura simple es el área de daño principal en cada período de daño. La longitud del área de daño periódico es de 160 cm, que es un poco más larga que la longitud del metraje de excavación de una sola voladura. La profundidad de daño periódico de la bóveda es de 202 cm y la profundidad de daño periódico del fondo es de 217,5 cm. A lo largo de la dirección longitudinal del túnel, el área de daño periódico de la roca circundante reservada exhibe una forma de embudo. El valor de la variable de daño y la profundidad del daño en los extremos del agujero son menores que en el centro del agujero. El valor de la variable de daño de poca profundidad de la roca circundante es más significativo y el grado de daño es mayor. Con el aumento de la profundidad, la variable de daño de la roca circundante disminuye gradualmente. La Figura 13 muestra la relación entre las variables de daño en el borde y centro del área de daño periódico y la profundidad.

La curva entre la variable de daño en el borde y el centro del área de daño periódico y la profundidad.

De acuerdo con la Fig. 13, cuando crece la profundidad de la roca circundante, la variable de daño demuestra una atenuación no lineal y el grado de atenuación aumenta continuamente. La variable de daño de la roca que rodea la bóveda se atenúa más rápido que la variable de daño de la roca que rodea el fondo, y el grado de daño de la roca que rodea el fondo del arco es ligeramente mayor que el de la bóveda. La tasa de atenuación de la variable de daño en el margen de daño periódico es significativamente mayor que en la roca intermedia, lo que se correlaciona con las características de distribución de daño en forma de embudo. Las pautas anteriores muestran que la voladura de carga tendrá un impacto sustancial en la roca circundante en la región media del pozo.

Para observar y analizar visualmente el daño en la sección transversal de la excavación única y para obtener las características acumulativas del daño, se utilizó la función de vista de sección en el posprocesamiento de ABAQUS para cortar la primera excavación. En las Figs. 14 y 15.

Distribución de daños de la roca circundante en diferentes secciones del escalón superior del primer metraje de excavación.

Distribución de daños de la roca circundante en diferentes secciones del escalón inferior del primer metraje de excavación.

Como se muestra en las Figs. 14 y 15, el valor y la profundidad de la variable de daño aumentarán a medida que la sección de la vista se acerque al centro del agujero, correspondiente al daño en forma de embudo del túnel. La fuerza explosiva del último metraje de excavación tendrá un efecto acumulativo aparente sobre el daño de la roca circundante reservada del metraje de excavación anterior. La longitud del área afectada es de 40 cm, lo que representa el 26,7% del metraje de excavación. Como se ilustra en las Figs. 16, 17 y 18, se determina el incremento de la profundidad del daño y el valor del daño en varias secciones de la bóveda del escalón superior y el fondo del escalón inferior.

Incremento de la profundidad del daño de la roca circundante en diferentes secciones de la bóveda y el fondo.

Distribución del incremento de daño a lo largo de la profundidad de la roca circundante en diferentes secciones de la bóveda.

Distribución del incremento de daño a lo largo de la profundidad de la roca circundante en diferentes secciones del fondo.

De acuerdo con la Fig. 16, la voladura de la última estructura tendrá un impacto considerable en la profundidad del daño de la roca circundante dentro de los 15 cm del fondo del pozo de la excavación anterior. El aumento de profundidad de daño máximo del escalón superior es de 30,7 cm, mientras que el incremento de profundidad de daño máximo del escalón inferior es de 41,7 cm. Cuando la distancia desde el fondo del pozo excede los 15 cm, la profundidad del daño de la roca circundante cae significativamente. Cuando la distancia desde el fondo del agujero supera los 40 cm, la profundidad del daño de la roca circundante no aumenta.

Según las Figs. 17 y 18, el incremento de daño de la roca circundante es mayor dentro de los 5 cm del fondo del pozo, y el incremento máximo de los escalones superior e inferior es 0,958. En el rango de 5 a 40 cm desde el fondo del hoyo, el incremento de daño acumulativo de la roca circundante se reduce constantemente, de 0,74 a 0,021 para el escalón superior y de 0,502 a 0,023 para el escalón inferior. El daño acumulado de la roca circundante no ocurrirá si la distancia desde el fondo del pozo es mayor a 40 cm. El rango de profundidad del daño acumulado de la roca circundante dentro de los 0 a 5 cm del fondo del pozo es limitado. La profundidad promedio del daño acumulado del escalón superior es de 33,4 cm, y la profundidad promedio del daño acumulado del escalón inferior es de 40,5 cm. El rango de profundidad del daño acumulado dentro de los 5 a 20 cm del fondo del pozo es amplio. El escalón superior tiene una profundidad de daño acumulativo promedio de 81,5 cm, mientras que el escalón inferior tiene una profundidad de daño acumulativo promedio de 75,6 cm. El rango de profundidad del daño acumulado dentro de los 20 a 40 cm del fondo del pozo es limitado. La profundidad de daño acumulativo promedio del escalón superior es de 26,8 cm, y la profundidad de daño acumulativo promedio del escalón inferior es de 49,8 cm.

La ocurrencia antes mencionada refleja los tres patrones de daños acumulativos observados en imágenes de excavaciones anteriores. El modo de daño acumulativo de la roca circundante en el rango de 0 a 5 cm desde el fondo del pozo es que el incremento del daño es mayor a poca profundidad. El patrón de daño acumulativo de la roca circundante dentro de los 5 a 20 cm del fondo del pozo indica que el mayor incremento de daño ocurre a mayores profundidades. El modo de daño acumulado de la roca circundante dentro de los 20 a 40 cm del fondo del pozo es un pequeño incremento de daño en una profundidad superficial de la roca circundante.

El incremento de la profundidad del daño y la ley de distribución del incremento del daño de la sección transversal de la roca circundante revelan que el daño en forma de embudo de la excavación anterior se intensifica.

En este estudio, se utiliza el método de prueba de ondas sónicas y simulación numérica para calcular y analizar las características de daño acumulativo de la roca circundante reservada después de la voladura cíclica. Los resultados pueden ofrecer una dirección teórica pertinente para el diseño del esquema de voladura de la construcción del túnel de voladura escalonada y el diseño del soporte del revestimiento. La siguiente es la conclusión:

El valor de daño acumulativo de la voladura cíclica basado en el modelo de daño de roca JH-2 es compatible con los resultados de la prueba sónica, y el modelo de daño puede representar con mayor precisión el comportamiento mecánico dinámico de los materiales rocosos.

Toda la roca circundante reservada en la sección de excavación con voladura cíclica tiene características de daño periódico, y la longitud de cada región de daño periódico es de 160 cm, 1,07 veces el metraje de excavación, y toma la forma de un embudo a lo largo de la dirección longitudinal del túnel. La profundidad del daño es de 202 cm en la bóveda y 217,5 cm en el fondo. Cada región de daño periódico es generada por la acción combinada de la construcción de voladura de esta sección de metraje y la construcción de voladura de la sección de metraje posterior.

El efecto de voladura de la última construcción del metraje de excavación en el área dañada de la roca circundante reservada del metraje de excavación anterior es de 40 cm de largo, lo que representa el 26,7% del metraje de excavación. En el área de influencia de 40 cm, hay tres patrones de daño acumulativo. La roca circundante tiene el mayor incremento de daño a una profundidad superficial de 0 a 5 cm desde el fondo del pozo. A gran profundidad, la roca circundante tiene un mayor incremento de daño entre 5 y 20 cm desde el fondo del pozo. La roca circundante muestra un ligero incremento de daño a una pequeña profundidad entre 20 y 40 cm desde el fondo del pozo. Los tres patrones de daño acumulativo muestran más claramente la ley de daño adicional de la roca circundante en el metraje de excavación anterior causado por la actividad de voladura en el metraje de excavación posterior. Contrariamente a la creencia común, cuanto más cerca esté la distancia a la última grabación de excavación, mayor será el daño acumulativo a la roca cercana. Este descubrimiento tiene implicaciones para el diseño de voladuras de túneles y el diseño de soporte de túneles.

Los conjuntos de datos generados y/o analizados durante el estudio actual no están disponibles públicamente, pero están disponibles a través del autor correspondiente a pedido razonable.

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Este trabajo fue apoyado por la Fundación de Ciencias Naturales de China (Concesión No.: 52168055); la Fundación de Ciencias Naturales de la provincia de Jiangxi (Núm. de subvención: 20212ACB204001); el Proyecto de talento líder en innovación "Double Thousand Plan" de la provincia de Jiangxi (Núm. de subvención: jxsq2020101001).

Facultad de Ingeniería Civil y Arquitectura, Universidad de Guangxi, Nanning, 530004, Guangxi, China

Yaozhong Cui, Bo Wu, Guowang Meng y Shixiang Xu

Escuela de Ingeniería Civil y Arquitectónica, Universidad Tecnológica de China Oriental, Nanchang, 330013, Jiangxi, China

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YC: Conceptualización, Metodología, Software, Análisis formal, Redacción-borrador original. BW: Curaduría de datos, Metodología, Supervisión. GM y SX: Investigación.

Correspondencia a Bo Wu.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Cui, Y., Wu, B., Meng, G. et al. Investigación sobre el daño dinámico acumulativo de la voladura de la roca circundante en la construcción de túneles escalonados. Informe científico 13, 1974 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-28900-w

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Recibido: 19 Octubre 2022

Aceptado: 27 de enero de 2023

Publicado: 03 febrero 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-28900-w

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