铁路立体交叉隧道爆破震动影响与分区研究

摘要

随着我国经济持续高速发展，带来的对交通基础设施总需求量的不断增长。在既有铁路或公路线邻近增建新的高速铁路或高速工程的工程现象正大量涌现，从而新建隧道近距离跨越既有隧道，形成立体交叉隧道不可避免。这类隧道在采用矿山法的建造过程中，必然存在施工爆破的相互影响。因此，对既有隧道结构所受动力影响进行分析，进而提出行之有效的爆破施工控制安全判别标准，合理的交叉隧道影响程度分区是亟待解决的问题。
　　本文以国家自然科学基金高铁联合基金重点项目《高速铁路交叉隧道动力特性及结构安全性研究》为依托，依据丹东锦江山隧道立体交叉隧道为背景，采用波动力学理论、动力强度理论与显式动力数值模拟相结合的方法，综合分析了交叉隧道爆破震动作用下既有隧道及地震波传播介质的动力响应，提出了交叉隧道安全判别准则与判据，并确立了交叉隧道爆破震动影响因素与分区。主要研究内容如下:
　　(1)深入探讨了交叉隧道爆破机理及爆破地震波在两者之间介质中的传播规律，结合波动力学理论在交叉隧道中的应用，确定爆破震动与分区影响因素。
　　(2)应用动力强度理论确立了以震动速度为交叉隧道爆破震动影响的判别准则，并联系所依托工程实际，综合数值模拟计算判据和工程类比经验判据结论，确定了爆破震动安全判据（阀值）。
　　(3)依据所依托工程实例，设计新建隧道下穿既有线条件下，不同间距、不同交叉角度和不同围岩级别工况，进行爆破震动数值模拟，得到以既有隧道衬砌关键位置竖直方向最大振速和最大主应力为特征的交叉隧道爆破震动响应规律。
　　(4)在交叉隧道爆破安全判据（阀值）的基础上确立影响分区标准，运用理论和数值模拟相结合的方法评价影响因素及其影响程度，确定爆破震动影响度和分区影响因素表达式。
　　(5)根据爆破震动影响度和影响分区标准，运用统计力学方法，得到基于爆破震动速度准则的，以几何近接度和交叉角度为变量的爆破震动影响分区。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究意义与选题依据

1．2 依托工程简介

1．3 国内外研究现状

1．3．1 交叉隧道爆破地震作用下波动力学理论

1．3．2 爆破地震波特征及传播规律研究

1．3．3 爆破震动安全判别准则和安全判据研究现状

1．3．4 交叉隧道爆破动力特性研究

1．3．5 爆破震动影响分区

1．4 本文主要研究内容及技术路线

1．4．1 主要研究内容与方法

1．4．2 研究技术路线

第2章 交叉隧道爆破地震波作用基本理论

2．1 爆破机理与作用分区

2．2 爆破地震波的形成及传播规律

2．2．1 爆破地震波的产生机理

2．2．2 地震波的波型及其参数

2．2．3 爆破地震波传播的能量传播特点

2．3 波动力学理论分析地震波对既有隧道的影响

2．4 交叉隧道爆破震动影响因素

2．5 小结

第3章 交叉隧道爆破震动安全判据及判别准则表达式

3．1 动力强度理论与交叉隧道爆破震动安全判据

3．1．1 动力强度理论

3．1．2 基于动力强度理论的交叉隧道爆破震动安全判别准则

3．2 交叉隧道或邻近构筑物爆破震动安全判据研究现状

3．2．1 交叉隧道的爆破震动安全判据

3．2．2 新浇混凝土的交叉隧道或水利工程爆破震动安全判据

3．2．3 其他地下洞室的爆破震动安全判据

3．2．4 交叉隧道基岩爆破震动安全判据

3．3 基于动力强度理论的交叉隧道爆破安全判据的确立

3．4 爆破震动影响分区判别准则的研究

3．4．1 影响分区判别准则的研究现状

3．4．2 基于现代动力强度理论的影响分区速度准则

3．5 交叉隧道爆破分区影响因素及判别准则表达式

3．6 小结

第4章 交叉隧道爆破震动影响规律分析

4．1 动力有限元软件及其算法

4．1．1 ANSYS LS-DYNA程序简介

4．1．2 爆炸模拟算法

4．2 有限元模型的建立

4．2．1 工况设计

4．2．2 模型网格

4．2．3 爆破设计

4．2．4 材料模型及状态方程

4．2．5 边界条件

4．3 光面爆破的实现

4．4 平行交叉震动影响分析

4．4．1 环向震动影响分析

4．4．2 纵向震动影响分析

4．4．3 衬砌应力分析

4．5 30°交叉震动影响分析

4．5．1 环向震动影响分析

4．5．2 底面震动影响分析

4．5．3 衬砌应力分析

4．6 60°交叉震动影响分析

4．6．1 底面震动影响分析

4．6．2 衬砌应力分析

4．7 垂直交叉震动影响分析

4．7．1 环向震动影响分析

4．7．2 底面震动影响分析

4．7．3 衬砌应力分析

4．8 角度、距离影响综合分析

4．8．1 既有隧道中心断面拱底震动速度分析

4．8．2 既有隧道中心断面墙脚震动速度分析

4．8．3 既有隧道中心断面拱底最大主应力分析

4．9 围岩性质影响分析

4．9．1 净距0．5D交叉隧道岩柱爆破地震波传播规律

4．9．2 净距1D交叉隧道岩柱爆破地震波传播规律

4．9．3 净距2D交叉隧道岩柱爆破地震波传播规律

4．10 小结

第5章 交叉隧道爆破震动影响分区

5．1 爆破震动影响分区标准

5．1．1 爆破震动安全判据

5．1．2 分区标准的确立

5．2 影响分区

5．2．1 爆破震动判别准则式与爆破震动影响度

5．2．2 影响修正系数的确定

5．2．3 交叉隧道爆破震动影响分区的确立

5．3 小结

第6章 主要结论与建议

6．1 主要结论

6．2 进一步研究的建议

参考文献

攻读学位期间主要的研究成果

致谢