爆破对隧道围岩与衬砌结构影响效应研究..docx

成　绩评阅人日 期中国矿业大学力学与建筑工程学院2014~2015学年度第1学期科 研 训 练学　　班　　级 越崎11-2姓　　名 陈升力学与建筑工程学院教学管理办公室爆破对隧道围岩与衬砌结构的影响效应研究（中国矿业大学孙越崎学院11-2班 陈升）摘 要：在钻爆法施工的隧道中，炸药的爆破效应或多或少会对保留的岩体和衬砌结构产生不利影响。国内外学者对于判断围岩与衬砌结构在爆破作用下是否发生破坏的研究成果较多，而用以描述不同因素下影响效应的变化情况相对较少，对于影响效应一般规律的探索恰是在工程实践中尤为重要的。本文以大型有限元程序ANSYS数值计算为基础，根据工程和地质资料建立隧道开挖模型，选用位移和加速度值作为表征量，探索不同支护情况下爆破对围岩与衬砌结构的影响沿着不同方向上的变化规律。关键词：围岩；衬砌结构；影响效应；ANSYS；支护情况1 选题背景及研究意义我国社会经济在不断发展，对交通运输的要求越来越高，尤其是对于关系国民经济命脉的铁路。方便快捷并且运量大，是最主要的原因之一。另外，它的安全性并且廉价，则是货物运输最主要的选择因素。最后，对于国防建设，铁路也是不可替代的。就以青藏铁路为例，除了它对经济建设有着巨大推力之外，还非常重要的军事战略意义。铁路要修建在远离城市的地方并且尽量选择最近路线，这样在山岭地带的修建则是在所难免的了。所以，隧道工程在山岭地区的应用可以克服掉地形的障碍，还可以改善铁路线形，提高行进速度，缩短行驶路程，节省燃料和时间，并且能有效地保护生态环境。除此之外，还能避免因落石、坍方、雪崩、雪堆等自然因素对铁路的伤害，从而保证行车安全性、提高驾驶和乘坐的舒适性，提高对铁路的防护能力。我国内地地区山区起伏很多，当铁路穿越山区时，经常面临高程带来的障碍。而铁路的修建限制在平缓的坡形，因为就铁路本身的性质而言，它无法拔起或下降需要的高程。并且，难以用绕避的方式消除高程障碍，此时选择直接穿山开挖隧道是最为合理的方式。这种方式修建的铁路顺直，线路为最优线路，还能减小坡度，改良运输条件。所以，在修建山区铁路时，广泛选用隧道开挖的方案。目前，在我国岩石地下工程的建设中，钻爆法是最主要的施工方法，其在各类岩体掘进施工中的应用十分广泛。爆破施工时，利用炸药的爆炸将开挖范围内的岩石爆破，同时必会对保留的岩体与结构造成损伤和破坏，导致隧道围岩与衬砌的力学性能劣化。在持续的外界作用下，这种损伤会继续发展和演化，使围岩与结构的承载力和稳定性降低。虽然现阶段的爆破技术对围岩的扰动已越来越小，但在许多工程中难以严格遵循科学的钻爆施工方法，以追求掘进速度为主，难以将科学有效的施工方法落实。这样，爆破震动对围岩和结构衬砌造成的松动和损害不容忽视。尤其在地下工程改扩建中，往往由于洞室布局、结构设计以及爆破施工方法的不当，爆炸的强烈作用使既有工程 的结构衬砌产生了破损甚 至破坏，直接给工程的安全带来了隐患甚至危害。值得指出的是，在人防国防等地下工程 中由于建筑功能 的需要，地下洞室的布局有时很紧凑，在此类工程 的改扩建 中更应该充分考虑施 工时爆炸 的能量释放及其对周围既有结构的影响 ，正确选择安全可靠的掘进施工方法。由于岩石工程的复杂性，爆破振动对既有隧道影响的研究主要采用数值模拟方法，对具体的工程进行安全性评价，或者是在不同围岩、不同隧道间距等情况下，研究新建隧道爆破施工对既有隧道的影响。这些研究取得了一些有价值的成果，但在大多数情况下，围岩和隧道间距是不能随意变动的，工程中更加关心的是采用何种进尺进行爆破施工才能确保既有隧道的安全。2 国内外研究现状2.1 围岩稳定性研究现状围岩的稳定问题是地下工程的重要问题。目前地下工程围岩稳定性评价方法很多。隧洞设计规范对围岩分类、分级一般以定性的描述为主，这是一种粗略的围岩稳定性评价方法。随着现代科学技术的发展和科研水平的提高，围岩稳定评价理论日趋成熟，出现了以定性描述为主和定量描述为辅的围岩综合评价方法，即在岩体物理力学性质指标的基础上，采用解析分析法、图解分析法和数值模拟法来评价围岩稳定性的具体程度。在围岩稳定性分析中，解析分析法是通过对地质原型的高度抽象获得简单的计算模型，借助数学力学工具计算围岩中的应力分布状态，从而进行隧洞围岩稳定性评价，但解析法只适用于那些边界条件较为简单及介质特性不甚复杂的情况。图解分析法是通过作图来分析各结垢面之间、结构面和开挖临空面之间的空间组合关系，确定出在不同工程部位可能形成块体的边界，进而分析其稳定性。20世纪70年代以来，随着数学、力学理论以及计算机技术的发展，数值分析方法在岩土工程领域得到应用，并作为解决复杂介质、复杂边界条件下这类工程问题的重要工具而逐渐得以推广。Cundall与1971年首次提出离散单元DEM（Distinct E