隧道爆破施工对邻近既有隧道结构安全的影响分析与控制研究

摘要

随着我国交通网络的迅速发展,大量的单线隧道需增建二线隧道。增建铁路隧道与既有隧道的间距偏小是十分普遍的情况,研究如何既能保障新建隧道爆破施工不危及既有隧道的结构及其正常运营安全,又能保证新建隧道的施工质量及进度,具有重要的科学意义和实用价值。
　　 在参阅大量已有的研究成果及相关文献上,本文以在建的石(门)长(沙)铁路增建二线汪家山隧道项目为依托,开展隧道爆破施工对邻近既有隧道结构安全的影响分析与控制研究。主要研究内容和成果如下:
　　 (1)通过对现场爆破振动监测试验与理论分析,获得了适用于该隧道Ⅳ级围岩区域的爆破振动速度传播与衰减规律的经验公式。
　　 (2)运用ANSYS瞬态动力学方法,研究拱顶有裂缝缺陷的衬砌结构在爆破荷载冲击作用下的动态反应,获得存在不同深度裂缝缺陷的衬砌在不同爆破荷载冲击速度下的应力分布规律和容许安全系数。
　　 (3)运用ANSYS/LS-DYNA有限元软件建立三维模型,针对拱顶存在不同高度的脱空情况,研究现有爆破荷载作用下隧道衬砌结构的动力响应,获得在集中耦合装药量为8.0kg时,衬砌处于安全状态,并得出拱顶有不同高度脱空衬砌模型关键部位质点的振动速度、位移及应力分布状态。
　　 (4)以控制爆源因素为基础,针对不同围岩级别段设计不同的炮孔布置方案及爆破工艺;在没有全面获得爆破振动速度传播与衰减经验公式的条件下,通过DYNA逆向模拟分析出基于最大爆破振速下的最大段药量上限值为9.8kg,并分析出该药量下衬砌质点振动速度、位移矢量的分布规律,及最大主应力分布状态。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.1.1 研究背景

1.1.2 研究意义

1.2 国内外研究现状与水平

1.2.1 爆破对邻近隧道影响研究方法

1.2.2 爆破对邻近隧道影响监测

1.2.3 爆破对邻近隧道响数值模拟

1.3 研究内容及技术路线

1.3.1 研究内容

1.3.2 研究方法及技术路线

第二章 隧道爆破振动监测与分析

2.1 工程概况

2.1.1 工程简介

2.1.2 工程地质特征

2.1.3 隧道施工及爆破方案

2.2 爆破测振监测方案

2.2.1 爆破测振系统

2.2.2 测点布置

2.2.3 爆破安全判据

2.3 爆破振动监测结果分析

2.3.1 监测结果分析

2.3.2 萨道夫斯基回归分析

2.4 本章小结

第三章 爆破作用下隧道衬砌裂缝对其安全影响的分析

3.1 裂缝结构有限元模拟

3.1.1 衬砌结构裂纹有限元研究现状

3.1.2 裂纹区域的模拟方法

3.1.3 应力强度因子的确定

3.2 计算理论基础

3.2.1 瞬态动力学分析

3.2.2 振动载荷的确定

3.2.3 阻尼的确定

3.3 有限元模型的建立及分析

3.3.1 有限元模型建立

3.3.2 动荷载下不同深度裂缝模型分析比较

3.3.3 既有隧道衬砌强度安全性分析

3.4 本章小结

第四章 爆破作用下隧道衬砌背后脱空对其安全影响的分析

4.1 隧道衬砌脱空有限元模拟。

4.1.1 隧道衬砌脱空研究现状

4.1.2 衬砌背后脱空的隧道计算模型

4.2 有限元模型建立及分析

4.2.1 DYNA动力学计算基础

4.2.2 材料及状态方程

4.2.3 建立模型

4.3 爆破荷载下不同脱空区域大小动力响应模拟分析

4.3.1 速度分析

4.3.2 位移分析

4.3.3 应力分析

4.4 本章小结

第五章 爆破参数优化设计及安全分析

5.1 爆破优化设计

5.1.1 爆破设计及工艺

5.1.2 不同围岩级别段的爆破掘进设计

5.2 基于最大振速要求下耦合装药最大段药量优化的逆向模拟分析

5.2.1 爆破参数的选择

5.2.2 基于爆破安全振动允许标准最大段药量确定分析

5.2.3 最大段药量下速度、位移和应力空间对比

5.3 爆破安全保证措施

5.3.1 爆破物品的安全管理

5.3.2 爆破作业安全措施

5.3.3 对既有隧道的安全防护措施

5.4 本章小结

第六章 总结及展望

6.1 主要结论

6.2 本文创新

6.3 研究展望

参考文献

致谢

攻读学位期间主要的研究成果