详情

原文传递穿越断层破碎带隧道爆破施工围岩劣化和变形控制研究

论文题名：	穿越断层破碎带隧道爆破施工围岩劣化和变形控制研究
关键词：	断层隧道;爆破施工;动力响应;累积损伤;变形控制;数值模拟
摘要：	随着城市轨道交通的迅速发展，越来越多的轨道需要在地面以下修建，这就涉及到隧道工程建设问题，在隧道修建过程中，穿越断层破碎带是一个无法避免的难题，而钻爆法作为隧道开挖的常用手段，爆破开挖势必会对断层围岩造成损伤和变形，情节严重时会引起隧道结构破坏，围岩失稳破坏，进而造成重大的经济损失。针对以上问题，有必要对穿越断层破碎带隧道爆破施工围岩劣化和变形控制进行研究。　　本文以重庆市轨道交通15号线一期工程铜锣山隧道为工程背景，使用理论研究和数值模拟相结合的方法，借助有限元软件ANSYS/LS-DYNA建立三维仿真模型，从掏槽孔的空间布置情况、径向不耦合系数和定向爆破装置对爆破参数进行优化分析，依据掏槽孔爆破参数计算爆破荷载，并施加在隧道开挖轮廓，从而探索隧道跨越断层破碎带时，不同的爆破施工方法对围岩及衬砌动力响应规律的影响，最后利用LS-DYNA自带的重启动功能对三种开挖方法下围岩累积损伤效应进行模拟，以探讨控制围岩劣化和变形的措施。主要研究成果如下：　　（1）通过理论研究岩石爆破破岩机理和断层对爆破作用的影响，确定了岩石爆破损伤模型，结合工程地质和水文地质条件，设计出三种开挖工法的爆破方案，为断层隧道爆破开挖三维仿真奠定理论基础。　　（2）利用有限元软件ANSYS/LS-DYNA建立三维仿真模型，对掏槽孔爆破参数进行验证和优化，从炮孔的空间位置、径向不耦合系数和定向爆破装置入手，得出使用斜眼掏槽时具有钻眼难度低、爆破槽腔形成效果好等优点，采用2.5dK?不耦合系数，其有效应力能达到75MPa，能够使岩石破碎，主要形成裂隙区，降低对预留岩体损伤，通过普通药包与切缝药包的模拟结果得出，切缝药包具有很好聚能作用，使岩体损伤集中于切缝口周围。　　（3）取优化后的掏槽孔参数计算爆破荷载，将爆破荷载施加在隧道开挖轮廓线上，模拟开挖进尺、爆破荷载以及爆破循环次数相等条件下，仅改变开挖方法对断层隧道围岩和初支的动力响应影响。从初支不同部位监测点的振速、应力和位移曲线得出，拱顶和拱肩变化最为显著，使用两台阶与三台阶开挖方法下振速、应力和位移曲线走势基本相同，CD法例外。围岩监测点结果表明，当爆源位于断层以内时，断层的存在很大程度上改变了围岩的动力响应状态，与Ⅴ级围岩区域内相比，断层区域围岩监测点的振速和位移增大，应力减小，特别是Ⅴ级围岩与断层破碎带的交界处，振速、应力和位移发生突变，随着爆破开挖的掘进，振速和位移曲线呈先上升后下降的趋势，而应力曲线变化相反，该现象符合应力波的衰减规律。通过对比发现三台阶法和两台阶法的动力响应最明显，其原因可能是在同一个开挖面上，开挖面积越大对围岩和初支的动力响应影响越大，而CD法受影响最小，建议采用CD法进行爆破。　　（4）采用重启动方法对三种开挖方法围岩的累积损伤进行计算，结果表明，岩体损伤存在一定的范围，超过这个范围之后，隧道横向围岩损伤将不再扩展，只有沿着开挖方向的损伤发生，开挖轮廓线附近的岩体损伤最严重，而远处的岩体受到应力波的作用，其内部原生裂纹扩展、发育使岩体性能劣化。对比三种开挖工法的围岩损伤变量D，三台阶法损伤略大于两台阶，CD法损伤最小，但是其开挖台阶的损伤程度达到了开挖要求，不过还应注意超欠挖问题。综上所述，结合数值模拟结果，从优化炮孔空间位置和装药结构，使用定向爆破技术以及改变开挖方法和增设支护，可以达到控制围岩劣化和变形的目的。
作者：	邓宇
专业：	土木工程;桥梁与隧道工程
导师：	罗林
授予学位：	硕士
授予学位单位：	重庆交通大学
学位年度：	2023