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原文传递隧道近距下穿大直径管线爆破损伤特性及减振控制研究

论文题名：	隧道近距下穿大直径管线爆破损伤特性及减振控制研究
关键词：	隧道爆破;大直径管线;安全评价;累积损伤;减振控制
摘要：	隧道爆破作用下管线的损伤特性、安全评价及减振控制研究是隧道建设面临的重大理论、技术难题和热点问题。由于对管线的爆破振动破坏机理还不清晰，且缺乏有效的爆破安全评价方法和高效的近接减振爆破技术，极易造成管线受损破坏进而引发重大安全事故和次生灾害。隧道爆破近距下穿管线的损伤特性和安全评价研究是建立爆破下管线安全控制标准的基础，具有重要的理论意义和应用价值。　　本文针对隧道爆破近距下穿大直径管线，依托两个典型大跨隧道钻爆法施工下穿既有输水管线为工程背景，通过现场爆破振动测试、数值模拟和理论分析等多种方法和技术手段，开展了隧道爆破下大直径管线的损伤特性、安全评价方法、多微差延时爆破下累积损伤特性和减振孔减振机理及参数优化设计研究，主要研究内容和结论如下: 　　（1）爆破作用下大直径管线损伤特性及安全评价研究。利用显式动力有限元软件LS-Dyna,研究3种不同截面形状管线受近距离爆炸冲击作用下应力损伤的差异特性。基于变形理论和管土相互作用，考虑不同截面形状导致结构受力的差异特性，揭示了管线损伤失效的原因和机理。研究表明，隧道垂直下穿圆形、方形和马蹄形管线的失效位置并不相同，分别位于侧壁中点、侧壁下拐角和上方拱肩位置。考虑爆炸波传播路径影响，提出一种以应力-振速-路径距离多参数耦合的新安全评价和预测方法，使预测精度提高约7％～20％。针对混凝土等脆性材质管线结构遭受近距离爆炸作用等类似工程提供了安全施工参数。　　（2）多次爆破下大直径管线累积损伤特性研究。确定加载应力波模拟爆炸方法时的峰值荷载和时间历程参数，对原非电雷管爆破方案和改进电子雷管爆破方案下管线累积损伤分布范围、损伤程度、不同类型炮孔损伤贡献量损伤特征参数和振速、应力、位移量振动响应特征参数进行了对比研究。发现电子雷管单孔延时起爆能够显著降低爆破对近接管线的损伤程度和振动响应，相比非电雷管爆破方案,峰值振速降低约60％,峰值拉应力降低约50％。建立了通过规范、累积损伤阈值和动载极限抗拉强度等多个评价指标的电子雷管综合安全评价方法。　　（3）近接爆破减振孔减振机理及影响因素量化研究。利用波函数展开法推导了单孔干涉爆炸波的解析解，确定了影响爆破减振效果的6种关键因素:减振孔直径、孔间距、覆盖范围和多排减振孔时排布形式、排数、排间距，并对应设计6组30个模型，对比分析了上述因素对平均振速、最大振速和应力减振效果的影响，定量评价了减振效果。提出了减振孔的优化设计建议:在应用时，宜尽量增大减振孔孔径，减小孔距和排距。减振孔的合理覆盖长度宜为炮孔覆盖长度的1.5倍。同时，建议采用梅花形布置，且减振孔排数不宜超过4排。最后，将其应用于典型近接隧道工程，验证了减振孔优化设计方法的合理性和适用性。
作者：	杨宁
专业：	水利工程
导师：	管晓明
授予学位：	硕士
授予学位单位：	青岛理工大学
学位年度：	2023