爆破动力作用下锚碇隧道围岩振动效应分析研究

论文摘要

隧道式锚碇较重力式锚碇具有开挖方量小,造价低等特点,能最大限度的保护工程区域内的生态环境,越来越多的运用于大跨度悬索桥结构之中。其隧道的开挖爆破质量日益受到桥梁工程和爆破工程界的关注,特别是双洞小净距、大断面隧道锚碇在大型悬索桥中的使用,如何保障隧洞围岩和中隔岩墙的完整性、连续性,尽可能削弱乃至消除爆破作用对围岩的损伤扰动,既是保证桥梁施工安全和施工质量的前提,又是目前爆破工程施工领域亟待解决的一个科学技术问题。因此,有必要对锚碇隧道掘进爆破时围岩的振动效应进行研究。本文依托南溪长江大桥南岸锚碇隧道掘进爆破工程,采用现场试验、数理统计和数值模拟等方法对爆破作用下锚碇隧道围岩的振动效应进行分析研究,其研究工作及成果主要体现为如下几个方面。根据锚碇隧道的施工难点、特点及设计要求,提出了锚碇隧道宜采用短台阶掘进开挖爆破方案,并对锚碇隧道采用该爆破方案时中隔岩墙的振动情况进行现场监测。振动测试结果表明,掘进爆破时掏槽孔起爆引起中隔岩墙的振动强度最大,通过对比不同掌子面掘进爆破时各测点的振动速度峰值,发现当两侧锚碇隧道开挖深度一样时,掌子面前方岩体对中隔岩墙具有夹制作用。此外,通过对振动速度的回归分析发现,中隔岩墙的振动速度衰减规律并不能用萨道夫斯基公式进行描述。为全面的研究掘进爆破时锚碇隧道中隔岩墙等围岩振动特性,本文利用LS-DYNA对两种典型爆破掘进工况进行了数值模拟计算,并结合实测振动速度验证了数值计算的可行性。计算结果表明：后序洞锚碇隧道掘进爆破时,先行洞各断面内拱脚位置的振动速度最大,边墙与拱脚位置的振动速度的差异较小,同时各位置间的振动速度差值与该横断面同后序洞掌子面的轴向距离反相关；当后序隧道在距洞口27m位置爆破开挖时（即两隧道掌子面相距30m）,先行隧道中隔岩墙在开挖掌子面前方的振动强度大于后方中隔岩墙的振动强度；当后序锚碇隧道在距洞口57m开挖时（即两锚碇隧道掌子面位于同一隧轴线位置）,因掌子面前方岩体对中隔岩墙具有一定的夹制作用,致使爆侧掌子面拱脚位置隧道掘进爆破引起的振动速度值小于其后方1-5m范围拱脚位置的振动速度,这与实际振动监测结果一致。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 选题依据及研究意义
• 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
• 1.3 主要研究内容及技术路线
• 第2章 锚碇隧道工程爆破开挖及振动测试
• 2.1 南溪长江大桥南岸锚碇隧道工程概况
• 2.1.1 工程概述
• 2.1.2 工程地质概况
• 2.2 锚碇隧道爆破开挖方案
• 2.2.1 开挖区工程特点
• 2.2.2 锚碇隧道爆破开挖方案
• 2.3 爆破振动测试
• 2.3.1 爆破振动测试目的
• 2.3.2 爆破振动测试原理
• 2.3.3 测试系统
• 2.4 爆破振动监测结果分析
• 2.4.1 中隔岩墙振动效应分析
• 2.4.2 中隔岩墙振动传播规律分析
• 2.4.3 主振频率分析
• 2.5 小结
• 第3章 锚碇隧道掘进爆破数值模拟方法研究
• 3.1 动力有限元方法简介
• 3.2 LS-DYNA程序算法原理
• 3.2.1 LS-DYNA控制方程组
• 3.2.2 时间积分和时间步长控制
• 3.2.3 应力波与人工体积粘性
• 3.2.4 高斯单点积分与沙漏控制
• 3.2.5 应力计算
• 3.3 锚碇隧道掘进爆破数值模型建立
• 3.3.1 基本假设
• 3.3.2 单位系统
• 3.3.3 单元类型及网格划分
• 3.3.4 模型材料的选择
• 3.3.5 模拟方法及算法选择
• 3.3.6 边界条件
• 3.3.7 求解控制
• 3.4 小结
• 第4章 锚碇隧道掘进爆破数值模拟
• 4.1 工况1：后序锚碇隧道掌子面距洞口27m位置
• 4.1.1 模型建立与网格划分
• 4.1.2 数值模拟结果及分析
• 4.2 工况2：后序锚碇隧道掌子面距洞口57m
• 4.2.1 模型建立与网格划分
• 4.2.2 数值模拟结果及分析
• 4.3 工况1和工况2振动速度对比分析
• 4.4 小结
• 结论及展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及科研实践