隧洞爆破开挖围岩损伤阈值研究

摘要

爆破是铁路、水利、公路隧道及矿井巷道开挖的主要方法。在爆破开挖过程中，除部分爆破荷载破岩外，还有部分荷载会对隧洞或巷道围岩造成一定范围的损伤。本文以台山核电站取水隧洞爆破掘进工程为实例，通过现场爆破振动试验及监测、现场声波试验，结合大型动力有限元软件ANSYS/LS-DYNA，对爆破开挖过程进行模拟。提出以爆破震动速度表征的台山核电站取水隧洞爆破掘进围岩损伤安全阈值。
　　通过对隧洞爆破开挖围岩损伤相关理论进行分析，结合现场得出：隧洞爆破开挖时，掘进面后方围岩损伤主要是爆破对围岩产生的初始损伤。但在连续的爆破作用下，后方一定范围内的隧洞围岩会受到爆破地震波的累积损伤。文章通过分析围岩损伤理论及爆破震动传播和衰减规律等充分论证了隧洞围岩累积损伤的危害性，提出了以爆破震动速度表征的控制方法。
　　通过LS-DYNA软件对隧洞爆破开挖进行了数值模拟。通过对震动速度时程曲线和应力时程曲线进行分析，得出：震动速度和应力的传播是一个短时间内快速衰减的过程，距掘进面约20米的后方围岩处岩体损伤趋于定值时，振动速度为1.39cm/s时，计算出隧洞轮廓围岩损伤范围约为1.97m。
　　采用TC-4850测振仪进行现场爆破振动试验及监测。对现场试验数据进行分析得出现场爆破振动衰减规律，给出了回归分析的水平方向和垂直方向的萨道夫斯基形式的经验公式。监测得出围岩处岩体损伤趋于定值时距离掘进面20米时的爆破震动速度接近1.5cm/s。
　　采用RSM-SY5智能型声波仪进行现场声波试验，得到围岩损伤发展规律，得出：岩体损伤度的累积效应和爆破冲击荷载(本文用振动速度表征)的等级有关，荷载越大，累积效应越明显，而低于某一阈值的爆破荷载，可以忽略其对岩体损伤度的累积效应。隧洞爆破次数达到20次时，一次进尺1米，也就是爆心距接近20米时，损伤累积增量趋于零。
　　结合前面所得结论提出台山核电站取水隧洞爆破掘进围岩损伤安全阈值。即：隧洞爆破开挖时，距离爆源20m处质点震动速度峰值不超过1.5cm/s。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪论

1.1 问题的提出和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文研究的内容及技术路线

第二章 隧洞开挖围岩损伤机理

2.1 岩石爆破的本构模型

2.2岩石爆破机理研究

2.3爆破岩石的破坏特征

2.4本章小结

第三章 爆破地震效应及围岩稳定性基本理论

3.1爆破地震波产生与传播

3.2爆破地震波的观测与强度预报

3.3本章小结

第四章 隧洞爆破掘进围岩损伤数值模拟

4.1前言

4.2 ANSYS/LS-DYNA程序介绍

4.3数值模拟结果及分析

4.4本章小结

第五章 爆破现场测试

5.1工程概况

5.2、隧洞施工方法

5.3测试设备及测点布置

5.4现场试验结果及分析

5.5安全阈值

5.6本章小结

第六章 结论与展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

致谢

附录（攻读学位期间发表论文目录)