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原文传递岩溶公路隧道施工及运营安全性研究

论文题名：	岩溶公路隧道施工及运营安全性研究
关键词：	岩溶公路隧道;数值模拟;爆破施工;台阶法开挖;围岩稳定性;支护结构
摘要：	本文依托贵州省六盘水市小坝田岩溶公路隧道,结合理论分析、数值模拟,分别从隧道静力开挖、爆破施工、地震响应、车辆荷载作用4各方面对岩溶公路隧道施工及运营情况下围岩的稳定性和支护结构的安全性进行了研究,主要研究内容及其结论如下: 　　(1)采用ANSYS有限元软件模拟了小坝田岩溶公路隧道台阶法施工,并结合围岩应力、围岩塑性区、衬砌变形、衬砌应力、衬砌安全系数以及由Griffith准则提出的衬砌开裂系数等分析了施工过程中小坝田隧道围岩的稳定性和衬砌结构安全性,上述结果均满足规范要求,说明小坝田岩溶公路隧道在开挖过程中围岩稳定,支护结构安全。　　(2)基于小坝田隧道的模型和工程地质条件,分析了不同分布部位的溶洞对隧道围岩稳定性和支护结构安全性的影响规律,从围岩塑性区、特征点位移、衬砌应力、衬砌安全系数等方面确定了溶洞位于隧道侧部是对围岩和衬砌支护结构影响最大的最不利分布部位。　　(3)根据侧部溶洞是对围岩和衬砌支护结构影响最大的最不利位置,引入洞径比λR和间距比KR,按数值试验的方法分析了溶洞与隧道距离的变化和溶洞大小的变化对隧道围岩稳定性和支护结构安全性的影响规律。溶洞对隧道的影响随洞径比λR的增大而增大,随间距比KR的增大而减小。洞径比λR小于0.217时,溶洞对隧道影响趋近于零,隧道设计和施工时可以不予考虑。间距比KR大于1.419时,溶洞对隧道的影响程度变化趋于稳定。　　(4)查阅相关文献,以爆破振动速度、溶洞各质点应力极值、爆破破坏指数BDI作为小坝田隧道爆破施工过程中溶洞是否安全的评判标准,运用ANSYS有限元软件对小坝田隧道爆破施工进行了模拟,并以围岩损伤断裂准则得出最大安全振动速度13.74cm/s、围岩动抗拉强度2.13Mpa,围岩动抗压强度23.25Mpa、爆破破坏指数BDI≦1.0评判小坝田隧道爆破施工过程中溶洞的稳定性,计算结果均满足规范要求,说明小坝田岩溶公路隧道爆破施工时溶洞不会发生失稳破坏。　　(5)基于小坝田隧道的动力计算模型和工程地质条件,从最大振动速度、最大抗拉压应力、最大爆破破坏指数等角度分别分析了爆破施工对不同分布部位溶洞(溶洞位于隧道顶部、底部、侧部)的影响,得到溶洞位于隧道底部是爆破施工对溶洞影响最大的最不利分布部位。　　(6)根据溶洞位于隧道底部是爆破施工对溶洞影响最大的最不利分布部位,从溶洞与隧道间距出发,拟合得到了溶洞与隧道间距与最大振动速度的关系为v=88.187x-0.797,并确定了隧道与溶洞爆破施工的安全间距为1.15D。　　(7)选用基线校正和滤波后的EL-Centro波,采用ANSYS有限元软件对小坝田隧道动力计算模型施加EL-Centro波水平加速度荷载,分析了地震荷载作用下隧道衬砌和溶洞特征点的振动速度规律,并以衬砌和溶洞的最大拉压应力和应力增量判断衬砌和溶洞的安全性。结果表明:在地震作用下,衬砌最大拉应力为0.752Mpa,最大压应力为2.45Mpa,溶洞周边各质点最大拉应力为0.169Mpa,最大压应力为2.126Mpa,上述结果均满足规范要求,说明小坝田隧道在地震作用下不会发生拉、压裂破坏。　　(8)分别建立溶洞位于隧道顶部、侧部和底部的有限元模型,对模型施加EL-Centro波水平加速度荷载,从隧道衬砌与溶洞各特征点的位移、速度和衬砌与溶洞的环向主应力极值、主应力增量最大值进行比较,得出在地震作用下,溶洞位于隧道侧部是溶洞分布的最不利分布部位。　　(9)以小坝田隧道动力计算模型,将车辆荷载考虑成激振力函数,采用ANSYS有限元软件模拟了车辆荷载作用下岩溶公路隧道的动力响应,从衬砌和溶洞最大振动速度、应力极值和应力增量角度判断了车辆荷载作用下岩溶公路隧道衬砌结构和溶洞安全性。结果表明:车辆荷载对隧道和溶洞的影响很小,在车辆荷载作用,隧道结构和溶洞不会发生失稳破坏。
作者：	马勤国
专业：	桥梁与隧道工程
导师：	严松宏
授予学位：	硕士
授予学位单位：	兰州交通大学
学位年度：	2014
正文语种：	中文