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隧道2扩4扩挖爆破振动效应及安全判据研究

作　者: 孟凡兵
导　师: 林从谋
学　校: 华侨大学
专　业: 工程力学
关键词: 小净距大跨度隧道扩挖爆破振动有限元动力分析数值模拟安全判据
分类号: U455.6
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
下　载: 45次
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内容摘要

随着铁路、公路等交通工程的大力发展，目前在我国许多地区原有的二车道隧道已不能满足运输和安全的需求。在扩建过程中，受地形地质条件、环保和征地的限制，通常要求两隧道的间距尽可能减小或只能在原有二车道隧道基础上扩建成四车道。在我国，对隧道进行2扩4的工程实例还很少，且小净距条件下的隧道2扩4未见有公开报道。为了给沈海高速公路泉厦段大帽山隧道新建右洞的扩挖爆破提供理论与技术支持，本课题采用现场测试和数值模拟方法，针对扩挖爆破对既有的四车道隧道和扩挖隧道的动力响应规律、围岩稳定性及其安全判据开展研究，并对比模拟结果和现场测试结果。所作工作及取得的创新性成果如下：1、分析总结了小净距隧道2扩4爆破动力响应及安全判据的研究进展和存在的不足，提出了解决途径。2、现场监测了大帽山隧道2扩4爆破对临近既有四车道隧道的振动效应，得到爆破地震波在中夹岩和沿隧道轴向的传播规律。3、建立了基于柱状炮孔的隧道2扩4爆破三维数值模型。4、模拟计算了隧道扩挖爆破对既有隧道和扩挖隧道的动力响应和围岩稳定性影响，获得了如下规律：(1)大跨度扩挖隧道爆破振动对自身已建隧道动力响应，得到了应力、质点振动速度极值出现的时间和位置，总结了它们各自的衰减规律；(2)对大跨度扩挖隧道上覆层围岩稳定性进行分析；(3)2扩4隧道爆破对临近四车道大跨度既有隧道的振动影响，总结了扩挖爆破过程中既有四车道隧道速度及应力场的变化规律，同时也对中夹岩动力特性进行总结归纳；5、通过比较，建立了考虑频率影响的隧道爆破安全判据，最后提出改进后的动态应力比安全判据。研究成果为大帽山隧道2扩4爆破施工提供了指导，同时丰富了隧道爆破动力响应理论。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-11
第一章绪论  11-22
  1.1 课题意义和背景  11-13
    1.1.1 课题意义  11-12
    1.1.2 课题背景与项目支撑  12-13
  1.2 研究进展与现状  13-19
    1.2.1 隧道原位扩挖、大跨度隧道和小净距隧道建设现状  13-15
    1.2.2 隧道扩挖理论及研究热点  15
    1.2.3 小净距隧道爆破施工关键问题  15-16
      1.2.3.1 小净距隧道爆破作业和现场试验研究  15-16
      1.2.3.2 隧道爆破振动时的中夹岩动力响应  16
    1.2.4 隧道爆破振动效应研究现状；  16-18
      1.2.4.1 爆破振动影响控制标准  16-17
      1.2.4.2 用数值计算方法研究隧道爆破振动响应  17-18
    1.2.5 隧道爆破地震效应理论研究趋势和特点  18-19
  1.3 本文主要研究内容  19-22
第二章隧道 2 扩 4 爆破振动现场测试研究  22-38
  2.1 大帽山隧道工程概况  22-24
    2.1.1 水文及工程地质情况  23
    2.1.2 大帽山隧道施工重难点  23
    2.1.3 施工方法  23-24
  2.2 监测方案  24-29
    2.2.1 监测设备  24-26
    2.2.2 监测原则  26
    2.2.3 测点布置  26-29
      2.2.3.1 沿隧道轴线布置  26-28
      2.2.3.2 沿隧道断面布置  28-29
  2.3 监测成果  29-32
    2.3.1 沿既有四车道隧道轴线监测  29-30
    2.3.2 沿既有四车道隧道断面监测  30
    2.3.3 典型波形  30-32
  2.4 监测成果分析  32-36
    2.4.1 爆破地震波衰减规律  32-34
    2.4.2 萨道夫斯基公式回归  34
    2.4.3 沿隧道轴向分布规律  34-35
    2.4.4 同断面质点振动速度分布规律  35-36
  2.5 小结  36-38
第三章基于延长药包的隧道爆破数值仿真模型  38-51
  3.1 有限元法  38
  3.2 ANSYS/LS-DYNA 基本理论  38-43
    3.2.1 控制方程组  38-40
    3.2.2 时间积分  40-41
    3.2.3 控制人工体积粘性  41-42
    3.2.4 沙漏控制与高斯积分  42
    3.2.5 计算应力  42-43
  3.3 隧道扩挖爆破振动数值模拟模型  43-47
    3.3.1 动力有限元空间离散化  43
    3.3.2 岩体介质力学模型  43-45
    3.3.3 控制炸药爆炸模型  45-46
    3.3.4 控制时间步长  46
    3.3.5 无反射边界  46-47
    3.3.6 选择算法  47
  3.4 模型  47-49
  3.5 比较数值计算与实测  49-50
  3.6 本章小结  50-51
第四章隧道 2 扩 4 扩挖爆破振动效应  51-71
  4.1 扩挖隧道断面动力特性  51-56
    4.1.1 质点振动速度  51-54
    4.1.2 位移分布规律  54-55
    4.1.3 应力分布规律  55-56
  4.2 沿扩建隧道轴向动力特性  56-64
    4.2.1 质点振动速度  56-63
    4.2.2 爆破振动应力  63-64
  4.3 炮孔周围岩石应力分析  64-67
  4.4 扩建隧道上覆围岩稳定性  67-70
  4.5 小结  70-71
第五章扩挖爆破振动对临近既有隧道影响  71-86
  5.1 扩建隧道与既有隧道之间中夹岩动力特性  71-74
    5.1.1 中夹岩质点振动速度分析  71-73
    5.1.2 中夹岩位移  73
    5.1.3 中夹岩应力  73-74
  5.2 自由面对地震波传播的影响  74-76
  5.3 分析既有隧道断面动力特性  76-82
    5.3.1 分析质点振动速度  76-78
    5.3.2 分析振动加速度  78-79
    5.3.3 分析位移  79-81
    5.3.4 分析既有隧道最大主应力  81-82
  5.4 分析沿既有隧道轴向动力特征  82-84
    5.4.1 分析质点振动速度  82-83
    5.4.2 最大主应力分布规律  83-84
  5.5 小结  84-86
第六章考虑频率因子的隧道爆破振动判据  86-92
  6.1 隧道施工爆破岩体损伤破坏机理  86-87
  6.2 传统的动态应力比评价方法  87-88
  6.3 隧道爆破振动安全判据考虑频率因素的必要性  88-89
  6.4 隧道爆破振动安全判据考虑频率因素的动态应力比方法探讨  89-91
  6.5 本章小结  91-92
第七章结论与建议  92-96
  7.1 结论  92-93
  7.2 存在问题与进一步研究展望  93-96
参考文献  96-102
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  102-103
致谢  103

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