爆破荷载作用下双螺旋公路隧道动力响应研究

摘要

我国由西到东地势落差很大，为了更好地联通我国的东西部，促进经济交流，在基础设施的建设中会遇到地势落差很大的交通建设项目。在公路隧道建设中，为了解决隧道进口和隧道出口高差较大的问题，隧道建设者们摒弃了以往“宁直勿弯”的设计理念，采用曲线隧道和螺旋隧道的展线形式，用隧道长度的延长来解决坡度一定时隧道进出口高差较大的问题。本文依托延崇高速金家庄特长螺旋隧道，螺旋隧道因其特殊的空间展布在爆破施工方案和既有隧道结构的动力响应与常规隧道有着较大差异，不同的展线半径和不同的隧道净距都会对爆破荷载下的螺旋隧道动力特性变化规律造成影响，针对爆破施工，提出基于控制超欠挖的螺旋隧道爆破新设计法以及施工优化方案；螺旋隧道空间布置比较新颖，展线半径、净距等参数取用比较灵活，现有研究多集中在隧道照明、通风等运营阶段，在设计、施工方面的研究成果较少。因此，本文通过理论分析、现场测试结合数值模拟方法，对双螺旋隧道在爆破荷载作用下，选取不同展线半径和不同净距的动力响应进行了较系统的研究。主要研究成果如下：　　(1)针对延崇高速金家庄特长螺旋隧道工程条件特别是螺旋隧道的展线特点，参考传统隧道光面爆破理论，对非对称轮廓造成的左右侧周边孔孔深进行理论推导，提出了螺旋隧道爆破新理念与新方法，能够合理修正循环进尺和调节周边孔孔深，进而确定所有螺旋爆破参数，为现场爆破试验奠定了基础。　　(2)为探明依托工况爆破振动效应及振动衰减规律，分别使用现场测试和数值模拟手段对依托工况进行分析，得到螺旋隧道在爆破荷载下振动速度衰减规律，综合分析出展线半径和隧道净距是影响螺旋隧道动力响应的重要因素。　　(3)分别对不同展线半径的螺旋隧道在爆破荷载作用下的动力响应进行数值模拟分析，得到以下结论：先行洞爆破时监测点位移随距爆源的距离增大而减小，展线半径很小时，变化曲线趋近线性变化，当展线半径变大，位移变化曲线趋近指数变化；后行洞爆破时，迎爆侧右拱腰位移最大，背爆侧位移最小，且随着展线半径减小，位移最大点向掘进方向移动。在剪切应力方面随着螺旋展线减小，先行洞爆破时剪切应力峰值增大但减小速率也变快；后行洞爆破时最大剪切应力随着展线半径的减小略有增大。在规划设计时展线半径参数不宜过小。　　(4)分别对不同净距的螺旋隧道在爆破荷载作用下的动力响应进行数值模拟分析，得到以下结论：随着净距减小，各测点位移、剪切应力显著增大，先行洞爆破对隧道衬砌位移的影响与隧道净距尚未发现明显关系，在剪切应力方面也并没有因为双螺旋隧道净距的变化而呈现出剪切应力分布的特殊规律；随着隧道净距进一步增大，各测点最大剪切应力变化减小，在个别测点甚至没有变化，这说明在隧道净距变化的过程中存在着临界净距，一旦超过该临界净距，最大剪切应力变化缓慢，该临界净距20m~30m之间。　　分析研究结果可以得出：螺旋隧道项目在规划设计阶段展线半径不宜过小，隧道净距应大于20m，方能保证既有隧道结构各点动力响应稳定；在施工阶段为控制螺旋隧道的超欠挖，应基于控制标准对爆破施工工法进行优化，对展线半径、隧道净距均较小的工况，应重点保护迎爆侧结构的安全。

目录

声明

第1 章绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 螺旋隧道研究现状

1.2.2 钻爆法研究现状

1.2.3 隧道爆破动力响应现场测试研究现状

1.2.4 隧道爆破动力响应数值模拟研究现状

1.3 主要研究内容

1.4 研究方法与技术路线

1.4.1 研究方法

1.4.2 技术路线

第2 章 双螺旋公路隧道空间展布与爆破新方法

2.1工程条件分析

2.1.1 地质条件

2.1.2 双螺旋隧道的空间关系

2.1.3 双螺旋隧道断面条件

2.2双螺旋隧道的爆破参数优化

2.2.1 光面爆破的理论分析

2.2.2 基于螺旋隧道的爆破参数优化

2.2.3 基于金家庄双螺旋隧道的爆破施工方案

2.3 本章小结

第3 章双螺旋隧道爆破振动效应及其衰减规律分析

3.1 现场测试螺旋隧道的振动衰减规律

3.1.1 现场爆破参数及监测点设置

3.1.2 实测数据分析

3.2 爆破荷载在有限元模拟软件中的转化的理论基础

3.2.1 荷载峰值的确定

3.2.2 爆破荷载作用的时间确定

3.2.3 模型加载形式的选择

3.3.1 模型设计

3.3.2 计算基本假定

3.3.3 参数选取

3.3.4 监测内容及监测点布置

3.4 双螺旋隧道爆破振动衰减规律数值模拟分析

3.4.1 先行洞爆破时双螺旋隧道爆破振动衰减规律分析

3.4.2 后行洞爆破时双螺旋隧道爆破振动衰减规律分析

3.4.3 双螺旋隧道振动衰减规律对比分析

3.5 实测数据与模拟数据对比分析

3.6本章小结

第4 章隧道螺旋展线半径对衬砌结构动力特性影响分析

4.1 隧道动力响应分析模型设计及工况划分

4.2 爆破荷载对不同展线半径的双螺旋半径隧道衬砌动力响应分析

4.2.1 展线半径为+∞时衬砌动力响应分析

4.2.2 展线半径为 800m 时衬砌动力响应分析

4.2.3 展线半径为 400m 时衬砌动力响应分析

4.2.4 展线半径为 100m 时衬砌动力响应分析

4.3 爆破荷载作用下不同展线半径双螺旋隧道数值模拟结果对比分析

4.3.1 各监测点衬砌的竖向（水平）位移对比分析

4.3.2 各监测点衬砌的剪切应力对比分析

4.4 本章小结

第5章不同净距对螺旋隧道衬砌动力响应分析

5.1 计算模型设计及工况划分

5.1.1 模型设计

5.1.2 工况划分

5.2 爆破荷载对不同净距的双螺旋半径隧道衬砌动力响应分析

5.2.1 净距为 10m时衬砌动力响应分析

5.2.2 净距为 20m时衬砌动力响应分析

5.2.3 净距为 40m的衬砌动力响应分析

5.3 爆破荷载作用下不同净距双螺旋隧道数值模拟结果对比分析

5.3.1 各监测点衬砌的竖向（水平）位移对比分析

5.3.2 各监测点衬砌的剪切应力对比分析

5.4 实测衬砌应力对比

5.5 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论文及科研成果