浅埋城市隧道爆破施工对地表及邻近既有隧道振动影响的研究

论文摘要

20世纪90年代以来,中国经济建设取得的巨大成就,我国的公路隧道数量逐渐增多。在公路隧道的建设中,经常会出现在既有隧道附近新建一条隧道的情况。新建隧道的爆破施工,必然会引起地表振动,从而对隧道上方既有建筑物安全造成影响;同时也可能会引起邻近既有隧道的振动,从而会影响邻近既有隧道的稳定与安全。本文以重庆大渡口双山隧道为研究背景,通过对新建隧道地表振动监控量测结果的分析,结合数值模拟对该隧道的爆破施工过程进行研究,并以圆形隧道为例探讨了爆破施工过程中围岩级别、新旧隧道间距、隧道埋深等对隧道爆破地震效应的影响,得到以下主要结论:①对新建隧道地表振动监测结果分析表明,爆破地震波随爆心距的增大而衰减;距离爆源越近地震波衰减越快,距离爆源越远地震波衰减也就越慢;运用统计学原理回归得出此场地地表质点振速的最佳衰减规律公式,并用此公式预测出施工中的最大单段炸药量,指导隧道爆破信息化设计与施工。②对双山隧道爆破施工过程进行数值模拟,结果表明邻近既有隧道最危险的部位为迎爆侧边墙,其水平振动速度、最大应力值均明显高于其他部位,是主要承受爆破荷载区域。③通过数值模拟探讨了隧道间距对邻近既有隧道受迫振动的影响:在隧道爆破振动影响下,邻近既有隧道边墙最大水平振速在0.5D～1.5D隧道间距内迅速衰减,在2.0D隧道间距外基本保持不变;在1.5D隧道间距内,既有隧道位移受爆破荷载影响较大,在1.5D隧道间距外,既有隧道位移受爆破荷载影响不大。④通过数值模拟探讨了围岩级别对邻近既有隧道受迫振动的影响:在隧道爆破振动影响下,各级围岩邻近既有隧道边墙主要以水平振动为主,其最大水平振速均大于垂直振速;Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ级围岩,隧道间距1.0D以内,邻近既有隧道边墙第一主应力受爆破荷载影响较大,边墙第一主应力由重力场中的压应力变为拉应力,其中Ⅱ级围岩,隧道间距为0.5D时,第一主应力超过混凝土的极限拉应力;围岩条件越差,邻近既有隧道衬砌位移越大。⑤通过数值模拟探讨了隧道埋深对邻近既有隧道受迫振动的影响:隧道埋深在2.0D范围以上,在隧道爆破振动影响下,邻近既有隧道最大振速受埋深影响较小,而在2.0D埋深范围内邻近既有隧道振速受埋深影响很大;隧道埋深变化对邻近既有隧道边墙主应力影响最显著,对拱顶、拱底主应力影响较小;邻近既有隧道衬砌的x、y方向位移均随埋深的增加而减小,在2.0D埋深范围内,位移变化值较大,在2.0D埋深范围以外数值变化较小。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 研究目的和意义
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 爆破对地表振动影响研究现状
• 1.3.2 爆破对既有隧道影响研究现状
• 1.3.3 国内外爆破衰减公式
• 1.3.4 我国爆破振动安全允许标准
• 1.4 主要内容和研究方法
• 2 岩石爆破破碎机理与应力波理论
• 2.1 引言
• 2.2 爆破对岩石介质破碎机理分析
• 2.2.1 固体介质爆破破碎原因
• 2.2.2 岩石爆破破碎的形式
• 2.3 岩石爆破的应力波理论
• 2.3.1 岩石爆破中应力波的产生及其传播范围
• 2.3.2 爆破地震波的分类
• 2.4 爆破地震波特征及其危害原因
• 2.4.1 爆破地震波特征
• 2.4.2 爆破地震波的危害原因
• 2.5 影响爆破地震波的因素
• 2.5.1 岩体性质对爆破地震波的影响
• 2.5.2 爆破装药耦合特征及其对地震波的影响
• 2.5.3 岩土地形特征对地震波的影响
• 2.5.4 爆破装药量对地震波的影响
• 2.5.5 爆破类型对爆破地震波的影响
• 2.6 本章小结
• 3 双山隧道爆破地表振动的现场测试与分析
• 3.1 陈庹路双山隧道工程概况
• 3.1.1 工程简介
• 3.1.2 施工爆破方案设计
• 3.2 隧道爆破监测安全判据
• 3.3 地表振动监测方案
• 3.3.1 地表振动监测仪器
• 3.3.2 爆破振动测试系统
• 3.3.3 地表振动测试方法
• 3.3.4 信号的采集和处理
• 3.4 地表测试数据分析处理
• 3.4.1 地表质点监测数据处理与分析
• 3.4.2 地表振动速度随距离的变化特征
• 3.4.3 地表质点振动主频分析
• 3.4.4 地表质点振速回归分析
• 3.5 本章小结
• 4 地表质点振动的动力有限元分析
• 4.1 有限元法的基本思想
• 4.2 动力有限元分析原理
• 4.2.1 动力方程
• 4.2.2 质量矩阵
• 4.2.3 阻尼矩阵
• 4.3 ANSYS 有限元动力分析特征
• 4.3.1 ANSYS 有线元动力响应分析方法
• 4.3.2 岩石材料特性
• 4.3.3 屈服准则
• 4.3.4 爆破荷载的模拟
• 4.3.5 围岩与衬砌的力学参数
• 4.4 双山隧道爆破对地表振动的数值模拟
• 4.4.1 模型的建立
• 4.4.2 地表质点振动速度波形分析
• 4.4.3 爆破中地震波地表衰减规律
• 4.5 不同围岩级别、不同埋深爆破施工对地表振动数值模拟
• 4.5.1 模型的建立
• 4.5.2 结构模态分析
• 4.5.3 地表最大振速分析
• 4.6 本章小结
• 5 隧道爆破施工对邻近既有隧道影响的数值模拟
• 5.1 引言
• 5.2 双山隧道对邻近既有隧道振动分析
• 5.2.1 计算模型及断面典型节点
• 5.2.2 典型节点最大振速分析
• 5.2.3 典型节点爆破应力分析
• 5.2.4 衬砌最终位移分析
• 5.3 不同围岩及不同隧道间距爆破施工对既有隧道影响分析
• 5.3.1 计算模型
• 5.3.2 结构模态分析
• 5.3.3 既有隧道衬砌最大振速分析
• 5.3.4 既有隧道衬砌主应力分析
• 5.3.5 衬砌最终位移分析
• 5.4 不同埋深爆破施工对既有隧道影响分析
• 5.4.1 计算模型
• 5.4.2 结构模态分析
• 5.4.3 既有隧道衬砌最大振速分析
• 5.4.4 既有隧道衬砌主应力分析
• 5.4.5 衬砌最终位移分析
• 5.5 本章小结
• 6 结论
• 6.1 研究成果与结论
• 6.2 对后续工作的建议
• 致谢
• 参考文献
• 附录