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爆破振动作用对隧道初支混凝土喷层的影响研究

王要武  
【摘要】:现今国内的山岭隧道掘进开挖多采用钻爆法,该方法开挖隧道具有经济高效的优点;但开挖过程中附带的爆破振动效应会影响隧道结构及其围岩的稳定性,特别是对于围岩性质较差的隧道。隧道初支混凝土喷层作为紧邻掌子面的支护结构,受爆破振动的影响最大,据此研究分析爆破振动对初支混凝土喷层的影响是亟需且必要的。本文依托于成昆铁路峨眉至米易段扩能工程沈家坝1号隧道,通过理论分析、现场试验和数值模拟等手段,研究了爆破振动作用下隧道初支混凝土喷层的振动响应,以及初支混凝土喷层的振速和应力分布规律;并在初支混凝土喷层爆破振动衰减规律研究的基础上,进一步研究了爆破振动作用下短龄期(6h、12h、24h、48h、72h)初支混凝土损伤规律,据此规律对短龄期初支混凝土喷层与掌子面之间的安全步距,以及短龄期初支混凝土喷层的安全振速阈值进行了定量分析。研究主要内容如下:(1)对沈家坝1号隧道的工程概况、地质水文条件和钻爆施工方案进行了调研。根据调研内容设计爆破振动监测方案,对钻爆施工时初支混凝土喷层的振动响应进行监控量测。使用小波变换方法对爆破振动信号进行时-频分析,得到了爆破振动信号的时频特征。并依据萨道夫斯基经验公式对试验的振速数据进行线性回归分析,得到沈家坝1号隧道爆破振动衰减规律,并拟合出爆破动载作用下初支混凝土喷层振速与药量、爆心距之间的关系曲线,用于指导隧道的钻爆施工。(2)建立了沈家坝1号隧道的有限元数值模型,模拟分析了隧道钻爆施工时初支混凝土喷层的振动响应情况。通过对比分析隧道初支混凝土喷层的拱脚、拱腰、拱顶的振速和应力分布状况,得到了初支混凝土喷层在爆破作用下的振速和应力分布规律;并将初支混凝土喷层的数值振速结果与经验公式拟合振速进行对比,验证了数值模拟的正确性和有效性。(3)设计爆破振动对短龄期初支混凝土影响试验方案。进行试验时,以现场爆破开挖作为试验振源,将试验制作的短龄期初支混凝土试块,放置在距爆心不同距离的测点位置接受爆破动载作用。研究分析爆破作用下初支混凝土试块的纵波波速变化、抗压强度折减与爆心距、混凝土龄期之间的关系,并依据初支混凝土爆破损伤规律分析得到初支混凝土喷层的爆破振速安全阈值。(4)通过对初支混凝土材料模型参数进行修改,得到6h、12h、24h、48h、72h这5个不同短龄期的初支混凝土喷层模型。模拟分析爆破动载作用下不同短龄期初支混凝土喷层的损伤范围,进而得到短龄期初支混凝土喷层和掌子面之间安全步距以及不同短龄期初支混凝土喷层的安全振速阈值。并将数值模拟得到的初支混凝土喷层安全振速和试验得到的初支混凝土的安全振速进行对比分析,优化得到短龄期初支混凝土喷层的安全振速建议值。


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