开挖爆破作用下锚碇隧道围岩稳定性的应用研究

摘要

隧道式锚碇在公路悬索桥建设中得到越来越多的重视，其施工质量要求也越来越严格。锚碇隧道是利用隧道围岩体对锚塞体的作用平衡拉力，因其具有变截面、小净距等工程特点，因此，对锚碇隧道围岩的完整性和稳定性要求更高。钻爆法是隧道开挖的主要手段，所以研究开挖爆破作用下锚碇隧道围岩稳定性具有重要意义。
　　本文结合雅康高速大渡河特大悬索桥雅安岸锚碇隧道爆破施工项目，分别利用现场监测和数值计算方法分析隧道围岩稳定性，归纳出具有实践意义的结论，以指导类似隧道工程的施工建设。本文研究内容和取得成果具体如下:
　　根据锚碇隧道的工程特点，基于上台阶掘进爆破施工现场监测数据，研究分析先行洞迎爆侧的振速峰值、振动频率、振动衰减规律，并用围岩变形数据验证隧道围岩稳定性。由分析结果可知，后行洞爆破施工时，先行洞迎爆侧最大振动速度由掏槽孔爆破引起;为保证各微差爆破段相互独立，各段延迟时间应大于最大振速的振动持续时间;振动速度峰值以后行洞掌子面平行断面处为中心向前后方随距离的增大表现为衰减趋势，且掌子面后方振速峰值衰减速度大于掌子面前方;振动衰减规律不满足萨道夫斯基公式;先行洞拱顶沉降为11.5mm，沉降速率最大值为1.5mm/d，后行洞拱顶沉降为8mm，沉降速率最大值为2mm/d，均满足安全要求，围岩稳定性较好。
　　本文利用ANSYS/LS-DYNA软件建立与工程实际相符的数值模型，岩石损伤的质点峰值振速临界值选取30cm/s，计算周边孔爆破时围岩的损伤范围。由计算结果可知，随质点与炮孔壁的距离增大，质点振速峰值迅速衰减，距离超过20cm之后，衰减幅度明显减小。30cm处的质点振速峰值为33cm/s，35cm处的质点振速峰值为28cm/s，则可以推测周边孔爆破产生的围岩损伤范围在33cm左右。
　　为分析各因素对隧道围岩稳定性的影响，本文利用有限元软件以控制变量法模拟讨论了埋深、净距、隧道断面尺寸、先后洞掌子面纵向间距等工况。分别得到以下结论:隧道处于浅埋状态时，随埋深增大，则先行洞迎爆侧拱腰位置的振速会随之减小，当埋深增加到20m后，振动速度基本不再变化;净距越大，振动速度越小;断面尺寸对先行洞迎爆侧拱腰处的振动速度基本没有影响;先后洞掌子面间距变化对先行洞迎爆侧振速峰值的影响不明显，掌子面前方围岩受影响范围在15m以内，掌子面后方围岩受影响范围在7m以内。同时，还分析了掌子面纵向间距对先行洞拱顶沉降的影响，得出结论:前三施工步对先行洞拱项沉降影响最大，且间距越小，前期沉降量越大，占总沉降量的比例也越大;隧道施工对围岩拱顶沉降影响范围在12m左右，为保证工程安全，本工程先后洞掌子面纵向间距取15m。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 国内外研究现状分析

1．2．1 隧道围岩稳定性的研究

1．2．2 隧道爆破振动的研究

1．2．3 隧道爆破开挖损伤区的研究

1．2．4 小净距隧道掌子面间距的研究

1．2．5 存在问题

1．3 主要研究内容和技术路线

1．3．1 主要内容

1．3．2 技术路线

第2章 锚碇隧道工程背景及开挖方案

2．1 工程概况

2．2 地质条件

2．3 水文气候条件

2．4 开挖施工方案

2．5 爆破方案

2．5．1 工程特点

2．5．2 上台阶爆破参数设计

2．5．3 上台阶爆破施工设计

2．6 本章小结

第3章 锚碇隧道现场振动监测

3．1 监测仪器

3．2 监测方案

3．3 监测数据分析

3．3．1 振速分析

3．3．2 地震波衰减规律

3．3．3 围岩变形

3．4 本章小结

第4章 锚碇隧道开挖损伤区模拟

4．1 LS-DYNA软件介绍和原理

4．1．1 LS-DYNA软件介绍

4．1．2 沙漏控制

4．1．3 阻尼

4．1．4 控制方程组

4．1．5 空间有限元离散化

4．2 模型的建立

4．2．1 模型尺寸及单元

4．2．2 材料参数

4．2．3 无反射边界

4．2．4 时间步控制

4．3 关键字文件介绍

4．4 模拟结果分析

4．5 本章小结

第5章 锚碇隧道围岩稳定性分析

5．1 建模过程

5．2 围岩稳定性影响因素分析

5．2．1 埋深对围岩稳定性的影响分析

5．2．2 净距对围岩稳定性的影响分析

5．2．3 断面尺寸对围岩稳定性的影响分析

5．3 掌子面纵向间距的确定

5．3．1 爆破振动研究

5．3．2 拱顶沉降研究

5．4 本章小结

结论与展望

结论

展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研实践