邻近隧道爆破施工引起的既有隧道衬砌振动速度阈值分析

摘要

新建隧道爆破开挖可能引起邻近既有隧道损伤的危险,在与既有隧道的间距比较小的情况下进行新隧道的爆破开挖,开挖产生的爆破地震波会危及既有隧道围岩和衬砌结构的安全和稳定。本文以新库鲁塔格隧道为背景,运用有限元基本方法,采用MIDAS/GTS软件对既有隧道受新建隧道爆破施工的影响进行了二维和三维数值分析,讨论了在不同进尺、有无导洞情况下,新建隧道爆破对既有隧道变形、振速、应力的影响。
　　本文首先对既有隧道受临近隧道爆破影响及既有隧道安全评估的研究价值,国内外的研究现状,新老研究方法的对比进行了详尽的概括和阐述。通过查阅相关文献,较为系统地介绍了岩石爆破的破坏理论和应力波理论,针对爆破振动的模拟,边界条件的处理,动力有限元计算和分析方法、非线性分析和求解等一系列问题进行了探讨。以岩石爆破的破坏理论、应力波理论和动力有限元法为基础,通过MIDAS/GTS的瞬态动力学分析,对不同的工况进行了邻近爆破施工对既有隧道影响的二维和三维数值模拟分析,其中主要考虑了Ⅲ级围岩条件下不同爆破进尺、有导洞和无导洞段,新建隧道爆破对既有隧道变形、振速、应力和应变的影响。主要分析了既有隧道衬砌和围岩在受邻近爆破影响下的振动速度、应力、应变、衬砌变形,并将各种不同情况的计算结果进行比较和分析,得出以下几点结论。
　　(1)新建隧道爆破振动作用下,既有隧道迎爆侧墙腰至拱脚范围内的边墙衬砌振动速度和位移最大,对爆破进尺变化的敏感度较高,拱圈和墙腰以下部位振动速度和位移相对较小;既有隧道衬砌迎爆侧拱腰至拱顶、墙脚至底板部位的第一主应力较大,对爆破进尺变化的敏感度较高,边墙的第一主应力较小,这一点与振动速度和位移的分布正好相反。
　　(2)从爆破振动产生的响应沿既有隧道纵向的分布来看,与爆破源相近的断面衬砌振速大,反之则越小,沿既有隧道纵向分布的最大振速曲线、最大位移曲线、最大拉应力曲线基本上关于中心断面(与爆破掌子面平行的既有隧道断面)对称。最大振速区主要分布在中心断面前后各5米范围内,最大变形区主要分布在中心断面前后各8米范围内,最大应力区主要分布在中心断面前后各5米范围内。
　　(3)既有隧道衬砌振动速度峰值主要集中在前4段,并且段数越靠后,振动衰减越慢。因此为了降低最大爆破振动速度,应对前4段的爆破进行控制。
　　(4)爆破进尺相同时,有导洞条件下新建隧道爆破后,既有隧道迎爆侧衬砌的响应(振动速度、位移、应变、应力)明显比无导洞条件下爆破时小很多。这说明新建隧道爆破所引起的爆破振动响应受爆破临空面的夹制条件的制约。爆破临空面的夹制条件越小(如有导洞时),所引起的邻近既有隧道的爆破振动响应越小。
　　(5)新建隧道爆破时,通过对2.0m、2.5m、3.0m、3.5m、4.0m不同爆破进尺工况的爆破振动的二维和三维弹塑性有限元数值模拟分析,得到在无导洞条件下爆破时既有隧道衬砌振动速度的阈值为10.7cm/s,在有导洞条件下爆破时既有隧道衬砌振动速度的阈值为11.1cm/s。

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1.绪论

1.1选题依据与研究意义

1.2 国内外研究现状

1.3本文的主要研究内容

2. 爆破作用分析和爆破振动的数值模拟

2.1 爆破作用分析

2.2 爆破振动的数值模拟

3. 现场爆破振动测试

3.1 工程概况

3.2 爆破方案

3.3 测试设备及测点布置

3.4 测试结果及分析

4 动力有限元理论和计算方法

4.1 引言

4.2 动力平衡方程的建立

4.3 动力平衡方程的求解

5.二维弹塑性有限元爆破振动分析

5.1 模型的建立

5.2 参数的选取

5.3 边界条件的处理

5.4 爆破荷载确定

5.5 有限元体系的振型分析

5.6 Ⅲ级围岩爆破振动数值模拟分析

5.7 阈值确定

6.三维弹塑性有限元爆破振动分析

6.1 模型的建立

6.2 Ⅲ级围岩爆破振动数值模拟分析

6.3 阈值分析

7. 结论与建议

7.1 结论

7.2 建议

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果