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《中国科学院研究生院(武汉岩土力学研究所)》 2010年
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基于围岩累积损伤效应的大断面隧道施工参数优化研究

张国华  
【摘要】: 爆破以其经济、高效、快捷的特点广泛应用于地下岩体工程的开挖中,然而岩体中爆炸在造成爆区岩体破碎、剥离的同时,不可避免的也造成近区岩体的扰动、损伤,中远区岩体的振动等危害。岩体的损伤效应在多次频繁爆破作业的情况下更为突出,如大断面隧洞双侧壁导坑法开挖时围岩发生的累积损伤。损伤岩体的力学性能劣化,强度降低、完整性变差,从而对岩体的安全稳定造成威胁。因此,多次爆炸动荷载作用下岩体的累积损伤特征进而采取合理的控制方式是工程中关注的中心问题之一,在国内外爆破和岩石力学领域受到越来越多的关注。 本文依托大帽山大断面小净距隧道群,开展爆破振动、声波波速和围岩内部围岩的现场监控量测工作。研究表明:推进式往复爆破作业的双侧壁导坑法开挖的隧道必然导致围岩产生一定程度的损伤、破坏,尤其是小净距隧道间的中夹岩岩墙。任一固定断面上,在整个推进式往复的爆破过程中与爆源越近,损伤度和位移量越大,越远越小。 双侧壁导坑法开挖的大断面隧道,控制岩体的损伤程度和损伤范围是相互矛盾的。所以工程实践中,应根据实际工程的特点和围岩的特性,开展相关的研究工作来确定最优的施工方案。 双侧壁导坑法开挖的大断面隧道,任一固定断面上围岩的累积损伤是爆炸损伤和在此基础上叠加的振动损伤两部分组成。其演化过程是,在Ⅰ导洞逐渐接近断面时围岩发生爆炸损伤,并且与断面齐平的单次爆破导致的损伤增量远大于其它几次的损伤增量,围岩的累积损伤范围由与其齐平的单次爆破决定。振动损伤又包括变形损伤和岩体的疲劳损伤,变形损伤在开挖轮廓线附近的围岩中占主导地位。 通过DYNA、UDEC软件实现的爆炸动荷载、各向异性岩体爆炸损伤模型,可以较好地模拟推进式往复爆炸动荷载作用下围岩的累积损伤范围。根据此计算模型,综合考虑既有隧道的安全状况、新建隧道施工、支护参数和成本等因素,提出优化后的单循环开挖进尺是1.2m。 从围岩位移和结构应力的现场监测结果可以看出,大帽山隧道优化后的1.2m单循环开挖进尺开挖时,现有的施工工艺和支护参数是可行的,围岩变形可控,基本稳定,支护结构受力普遍较小,尽管施工工序复杂,但可以确保围岩的稳定。
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