层状围岩小净距隧道掘进爆破振动效应及围岩稳定性研究

摘要

在工程地质中，对于具有一组近似平行的主导结构面的岩体称为层状岩体，自然界中层状岩体分布十分广泛。在层状岩体内开挖小净距隧道，后行洞掘进爆破不可避免的会对先行洞已建支护结构的安全和隧道围岩的稳定性产生影响。对掘进爆破产生的振动效应和爆破施工对隧道围岩稳定性的影响机制进行研究，寻求一种适用于层状围岩小净距隧道的掘进爆破开挖方法有重要理论和实际意义。
　　结合鸭江隧道的工程实际，采用现场振动监测和数值模拟相结合的方法对层状围岩小净距隧道后行洞掘进爆破产生的振动效应进行了研究。后行洞采用常规楔形掏槽孔爆破，其爆破产生的振动强度是最大的，约为其它各类炮孔的2～3倍，控制掏槽孔爆破的振动强度是减震爆破的关键;当采用楔形掏槽时，掏槽孔与掌子面间的夹角越大，最大振动强度出现的位置越接近爆破掌子面，且振动强度越大;各测点的水平径向振动速度峰值监测结果约为垂向的2～3倍，现场振动监测应以水平径向振动速度为主。
　　采用AUTODYN动力有限元和UDEC离散元法相结合的方法，研究了隧道掘进爆破过程中各类爆破孔爆破对隧道围岩稳定性的影响。首先利用AUTODYN分别计算掏槽孔、掘进孔和周边孔爆破产生的动力荷载，然后将爆破动力荷载按开挖顺序加载到隧道离散元数值模型上，以研究各类炮孔爆破对隧道围岩稳定性的影响机制。隧道掘进爆破有可能造成层状围岩隧道失稳，且在整个掘进爆破过程中各类炮孔爆破对隧道围岩稳定性的影响机制存在差异;周边孔爆破产生的荷载幅值最大，作用时间最短。掏槽孔爆破产生的荷载幅值最小，作用时间最长;周边孔爆破对隧道开挖轮廓周边的围岩稳定性影响最大，控制掘进爆破过程中周边孔的爆破影响是保持隧道围岩稳定的关键。
　　综合考虑层状围岩的结构特征和周边孔的爆破作用，将层状围岩在周边孔爆破动力作用下的失稳形式进行了分类，针对各类失稳形式提出了稳定性分析方法;为每种失稳形式选择适当的支护加固措施，并分别给出了支护结构参数的计算方法。第一类为岩石块体沿节理面发生滑动，爆破地震波在节理分界面产生的反射荷载可能增加块体的下滑力而导致失稳;第二类为岩层于隧道开挖临空面处发生类似于梁体弯曲折断，当周边孔爆破产生的裂隙范围小于岩层厚度时，在节理分界面产生的反射荷载增加了梁体的弯曲应力，另外爆破产生的裂隙削弱了梁体承载能力，在这两方面的共同作用下梁体发生失稳。当周边孔爆破产生的裂隙范围大于岩层厚度时，爆生气体经裂隙直接作用于节理面内的软弱填充物，周边孔之间的岩体被割裂形成体积较小的块体掉落，其失稳形式最终表现为成片的岩层破坏，并伴随有完整的岩层结构面出露;对失稳状态下的岩石块体应实施锚杆支护，锚杆主要起悬吊作用;当岩层厚度大于周边孔爆破裂隙范围SPH支护方式应选择锚杆加固，锚杆主要起减跨作用;对于岩层厚度小于周边孔爆破裂隙范围的情况，宜采用超前注浆小导管注浆进行加固。
　　采用SPH算法，对掏槽孔实施孔内微差爆破方法的可行性进行了研究;对周边孔的装药结构和节理裂隙对隧道爆破成型的影响进行了研究。隧道掘进爆破掏槽孔采用孔内微差的方法，可以实现破碎岩体并为后续爆破提供自由面条件的目的，其爆破产生的振动强度比常规楔形掏槽的小，层状围岩隧道采用孔内微差爆破技术是可行的;周边孔采用不耦合装药结构时，可以有效的缩小其爆破产生的裂隙范围，能获得较为平整的开挖面，减少超欠挖现象;周边孔不宜设置在节理面的附近，且周边孔之间不宜同时存在两条及以上节理。在节理比较发育的条件下，为获得更好的光爆效果，应减少周边孔的单孔装药量，降低炮孔的布置间距。
　　根据层状围岩小净距隧道振动效应和围岩稳定性的研究成果，提出了适用于Ⅲ～Ⅳ级层状围岩隧道的孔内微差爆破方案设计方法。并将此方法应用于重庆南涪高速鸭江隧道进口段和分水岭隧道出口段，鸭江隧道最大振动强度从11.85cm/s降低为7.47cm/s。分水岭隧道的最大振动强度从17.63cm/s降至7.31cm/s。孔内微差爆破方案在两座隧道工程中成功的应用，为类似隧道提供了一种可以借鉴的减振爆破方法。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 问题的提出和研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 爆破振动效应研究现状

1．2．2 隧道爆破振动效应研究现状

1．2．3 隧道围岩稳定性研究现状

1．2．4 隧道减震施工技术研究现状

1．3 研究内容与方法

第2章 层状围岩小净距隧道掘进爆破振动效应研究

2．1 监测条件

2．1．1 工程概况

2．1．2 隧道掘进爆破方法

2．2 振动监测方案

2．2．1 振动速度监测系统

2．2．1 监测点布置

2．3 振动速度监测结果及分析

2．4 隧道振动效应数值模拟分析

2．4．1 ANSYS AUTODYN程序简介

2．4．2 建立模型

2．4．3 计算结果及分析

2．5 本章小结

第3章 掘进爆破过程对隧道围岩稳定性的影响

3．1 离散单元法简介

3．1．1 块体的表示

3．1．2 块体的运动方程

3．1．3 块体的接触问题

3．1．4 节理的本构模型

3．2 无扰动开挖条件下隧道围岩稳定性分析

3．2．1 建立模型

3．2．2 计算结果及分析

3．3 掘进爆破对隧道围岩稳定性的影响

3．3．1 爆破动荷载

3．3．2 建立UDEC数值模型

3．3．3 计算结果及分析

3．4 本章小结

第4章 爆破动力作用下层状围岩隧道稳定性及对策研究

4．1 层状围岩隧道失稳特征

4．2 周边孔的爆破作用

4．2．1 周边孔爆破荷载

4．2．2 周边孔爆破的破坏范围

4．3 隧道预支护方法研究

4．4 块体稳定性分析及支护方法

4．4．1 基本假设

4．4．2 块体稳定性分析

4．4．3 支护结构计算

4．5 岩层厚度大于周边孔破坏范围时的稳定性分析

4．5．1 基本假设

4．5．2 岩层稳定性分析

4．5．3 支护结构计算

4．6 岩层厚度小于周边孔破坏范围时的稳定性分析

4．6．1 基本假设

4．6．2 支护结构计算

4．7 锚杆预支护技术在仙女岩隧道的应用

4．8 本章小结

第5章 孔内微差掘进爆破方案的关键问题研究

5．1 隧道掘进爆破减振原理

5．2 掏槽孔爆破

5．3 掏槽孔孔内微差技术

5．3．1 孔内微差可行性研究

5．4 周边孔爆破成型技术

5．4．1 周边孔装药结构对爆破效果的影响

5．4．2 节理对周边孔爆破作用的影响

5．5 本章小结

第6章 孔内微差掘进爆破方案设计方法及应用实例

6．1．1 隧道开挖顺序

6．1．2 上台阶掘进爆破

6．1．3 下台阶水平浅孔爆破

6．1．4 孔内微差爆破方案应用说明

6．2 孔内微差爆破在鸭江隧道的应用

6．2．1 鸭江隧道孔内微差掘进爆破方案

6．2．2 鸭江隧道孔内微差爆破现场振动监测

6．2．3 鸭江隧道孔内微差爆破效果分析

6．3 孔内微差爆破在分水岭隧道的应用

6．3．1 分水岭隧道常规掘进爆破方法

6．3．2 分水岭隧道常规爆破现场振动监测

6．3．3 分水岭隧道孔内微差掘进爆破方案

6．3．4 分水岭隧道孔内微差爆破现场振动监测

6．3．5 分水岭隧道孔内微差爆破效果分析

6．4 本章小结

结论及展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及科研成果