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原文传递白市驿隧道爆破开挖仰坡动力稳定性研究

论文题名：	白市驿隧道爆破开挖仰坡动力稳定性研究
关键词：	隧道;开挖爆破;动力稳定性;三维极限平衡法
摘要：	隧道进洞段爆破施工对仰坡的稳定性带来较大的影响，仰坡失稳会带来较大的财产损失甚至人员伤亡，故对其在施工阶段和运营阶段的动力和静力稳定性研究都是必要的。鉴于此，本文以白市驿隧道进洞段爆破施工为工程背景，通过理论分析和数值分析等方法，对仰坡动力稳定性进行研究，得到三维分层边坡动力稳定性理论公式和Python计算程序，及其动力稳定性随仰坡设计因素变化的规律，研究成果具有一定的理论价值和实际工程意义。主要研究内容及成果如下：　　①基于李同录的三维边坡稳定性分析方法，推导出考虑爆破荷载作用下三维均质边坡的稳定系数迭代公式，并进一步提出考虑爆破荷载的三维分层边坡的力学模型，推导出了三维分层边坡动力稳定性理论。并提出了三维边坡稳定系数求解Python程序编制流程，并编制了相应的Python计算程序（可计算任意坡角、坡高、滑面和岩土参数的边坡），同时将本文改进方法与其他三维边坡稳定性理论对同样算例进行比较计算，证明了本文理论的合理性；　　②利用LS-DYNA建立了不同掌子面位置（与坡趾水平距离0D、D/2、1D和3D/2，D为隧道跨度）的模型，分析了仰坡动力响应规律，结果表明：隧道仰坡的任一测点存在其“危险距离”（仰坡测点与隧道洞口的水平距离）。当隧道进洞距离在小于测点的“危险距离”范围内增加，测点的峰值振速随着增加，当隧道进洞距离在大于测点的“危险距离”范围内增加，测点的峰值振速随着减小。从综合分析可知，掌子面与仰坡坡趾水平距离0D时，坡趾的合峰值振速（1.18cm/s）是整个进洞过程中的最大值,认为当掌子面位于仰坡坡趾正下方时仰坡最危险；　　③利用LS-DYNA建立了不同仰坡坡角（40°、45°、50°、55°和60°）的模型，分析了仰坡动力稳定性，结果表明：不同的仰坡坡角（40°、45°、50°、55°和60°）对隧道仰坡的动力工况下的稳定性有较大影响，在将本文三维边坡动力稳定性理论应用在它们的数值模拟结果时，得出对应的稳定系数分别为3.25、3.12、2.95、2.85和2.64，并通过拟合得出本文背景工程仰坡动力稳定系数与仰坡坡角（40~60°）的关系式；　　④利用LS-DYNA建立了不同仰坡岩土参数的模型，分析了仰坡动力稳定性，结果表明：土质仰坡稳定系数（0.9）和上土下岩仰坡的稳定系数（0.91）较岩质仰坡稳定系数（3.25）分别减小了72.31%、72%，且均已失稳。认为仰坡的地层的强度参数对其动力稳定性有较大的影响，在进洞段土质和上土下岩仰坡在加固前不推荐进行爆破进洞施工，在土层参数黏聚力为11.36kPa、内摩擦角为27.92°和重度为18kN/m3时仰坡处于极限平衡状态；　　⑤利用LS-DYNA建立了不同最大单段药量(10.61kg、20.06kg、39.83kg、80.24kg和159.32)的模型，分析了仰坡动力稳定性，结果表明：得出了本文背景工程单段药量与仰坡稳定系数的线性关系式，即y?-0.01103x+3.2032，工况二到工况五爆破的单段药量成倍增加，对应的仰坡动力稳定系数分别为3.2、2.57、1.91和1.66，较工况一稳定系数(3.25)分别减小了1.53%、20.92%、41.23%和48.92%，爆破的单段药量对仰坡的动力稳定性有较大的影响；　　⑥基于杨玉川提出的二维锚杆面层共同作用力学模型，提出三维边坡喷锚支护的物理模型，将喷锚加固中的锚固集中力等效为x向和z向的均布压力。将喷锚加固物理模型得到的均布压力qx和qz加入三维边坡动力稳定性理论中，考虑采用本文提出的加固措施，得到仰坡的动力稳定系数为4.29，较未加固前的动力稳定系数（3.25）提高了32%。
作者：	江杰
专业：	土木工程;桥梁与隧道工程
导师：	韦良文
授予学位：	硕士
授予学位单位：	重庆交通大学
学位年度：	2022