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原文传递层状岩体隧道爆破开挖引起的非对称振动传播规律研究

论文题名：	层状岩体隧道爆破开挖引起的非对称振动传播规律研究
关键词：	隧洞工程;层状岩体;爆破开挖;非对称振动;传播规律
摘要：	层状岩体爆破开挖时，由于含有层理或节理结构面的存在，阻碍了爆炸应力波的传播，加快了爆炸应力波的衰减。同时由于这些节理面及岩石分布的不规则性，使爆破能量传播分布具有了不均匀性，造成爆破开挖诱发的振动，在隧洞掌子面后方两侧对称位置处的传播规律表现出明显的非对称性，给实际爆破施工和支护工作中带来了成型难或塌方等诸多困难，从而影响了施工工期和施工效益。因此，结合理论分析、室内试验、现场试验和数值模拟等研究方法，研究在层状岩体中，爆破应力波的传播衰减规律及分布特征，从而提出控制爆破优化方案，降低层状岩体在爆破开挖过程中，成型难、超欠挖和塌方严重的影响，对层状围岩隧道的施工和支护具有重要意义。　　本文以新疆奎屯河引水工程为背景，通过现场爆破振动监测试验，结合理论分析和ANSYS/LS-DYNA数值模拟，对层状岩体隧道爆破开挖下的隧洞环向及纵向非对称振动特征进行了研究，分析并总结了层状特征不明显、隧洞穿层和隧洞顺层施工等条件下爆破开挖引起的洞内非对称振动传播规律，得到研究成果如下：　　（1）通过对国内外现有岩石破碎机理理论成果的总结，研究了爆破应力波在节理面处的反射和能量消耗，以及爆破振动的传播特性，分析了爆炸应力波在不同入射角度时的传播衰减规律，以及爆破振动波和爆破振动效应的影响。分析表明：应力波斜射入节理时，对应力波的衰减更大，入射角度在0°~60°时，随入射角度增加，节理结构面对应力波的衰减作用逐渐增强；入射角度达到60°~70°时，衰减作用最强；入射角度由70°增加到90°时，阻隔作用逐渐衰减。　　（2）通过爆破振动现场监测试验，研究了层状岩体隧道爆破开挖下隧洞环向及纵向的非对称特征，提出了非对称系数的概念，详细分析和总结了隧洞爆破开挖引起的洞内环向非对称振动传播规律。测试结果表明：节理的存在不仅使隧洞两侧的振动差异更大，而且还改变了隧洞两侧的振动分布规律，使隧洞两侧爆破非对称振动特征更加明显。在本次试验中，试验结果与理论分析相同，顺层节理下应力波入射角度（接近90°）比穿层节理下（接近15°）大，节理结构面对应力波的阻隔作用更强，两侧振动差异更大，非对称特征表现得也更明显。层状特征不明显条件下，隧洞环向两侧非对称系数在1.1~1.2，三向振动规律关于拱顶对称，呈“V”型或“W”型对称分布；穿层节理条件下，非对称系数在1.1~1.4，轴向和垂向振动关于拱顶呈“V”、“W”型对称分布，切向的非对称振动分布规律初步体现，呈“N”型非对称分布；顺层节理条件下的非对称振动分布规律进一步加剧，非对称系数基本大于1.4，轴向和切向呈现为“И”，倒“N”型或“N”型的非对称分布，垂向的振动分布规律呈“W”型对称分布。　　（3）基于现场试验，对隧洞内纵向振动的传播规律进行了研究。通过分析隧洞内纵向爆破振动数据，得到了振动速度在轴向、切向、垂向以及合矢量速度的衰减趋势，发现了节理可以加剧隧洞纵向振动衰减的现象。在爆源距相同时，顺层节理下的衰减速度gt;穿层节理下gt;层状特征不明显条件下。　　（4）通过ANSYS/LS-DYNA数值模拟，建立了不同节理角度的隧洞爆破模型，研究了隧洞爆破开挖引起的围岩应力及振动分布规律。在数值模型0°、45°、90°的三个节理角度中，节理角度为45°时对于隧洞应力及振动的衰减最大，节理角度为0°时的影响次之，节理角度为90°时影响最小，应力云图分布整体上呈现为炮孔至节理一侧的应力大于节理另一侧。图43幅，表31个，参考文献101篇。
作者：	刘西森
专业：	土木工程
导师：	魏海霞
授予学位：	硕士
授予学位单位：	河南理工大学
学位年度：	2022