节理对隧道爆破超欠挖影响机理研究

作     者：杨凯 

作者单位：太原理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王梅

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 0814[工学-土木工程] 

主      题：节理岩体 离散元 应力波衰减 隧道光面爆破 超欠挖 

摘      要：在隧道光面爆破施工中超欠挖现象是难以避免的,节理的存在、爆破参数、地质条件和施工管理等因素都会造成此现象的发生,超欠挖的存在会对工程本身造成巨大的安全隐患,严重影响进度并增加经济成本。鉴于岩体特性和爆破过程的复杂性,节理的存在会严重影响隧道光面爆破效应,因此充分掌握节理对隧道光面爆破超欠挖的影响机理并准确控制爆破断面形状显得格外重要,具备重要的工程意义和理论价值。本文首先通过对节理轮廓线的研究为节理和超欠挖的量化提供一种研究工具,结合分形特征计算相关理论,建立了围岩质量与超欠挖之间的量化关系;然后在统一光面爆破参数的基础上运用离散元软件PFC2D分析节理对光面爆破超欠挖的影响,紧接着对光面爆破参数进行调整,分析光面爆破参数对超欠挖的影响,并结合这两项研究内容,得到了节理和爆破参数对光面爆破超欠挖影响的一般规律;最后通过将围岩质量与超欠挖之间的量化关系及影响规律结合,借助隧道全断面数值模拟系统分析节理对隧道光面爆破超欠挖的影响机理并提出了相关优化措施,运用这些优化措施之后所模拟断面均达到理想的爆破效果,对超欠挖控制效果较好。主要结论如下:1.通过MATLAB编程建立节理轮廓线的数字化表征工具,结合分形特征计算相关理论计算了隧道爆破超欠挖轮廓面的分形维数,总结如下:(1)数字化表征方法对节理粗糙度系数JRC经验公式具有很好的验证效果,为隧道光面爆破设计和超欠挖的量化研究提供了重要的参考价值和理论基础;(2)通过隧道光面爆破超欠挖轮廓面分形维数计算,建立了围岩质量与超欠挖之间的量化关系,相比较而言,Ⅴ级围岩的分形维数比Ⅳ级围岩大,从分形几何的角度出发,分形维数越大,其超欠挖现象就越明显,分形理论为预测隧道围岩超欠挖基本情况提供了研究工具和理论基础。2.通过建立离散元模型分析节理长度、节理角度和爆破参数对隧道爆破超欠挖的影响并得到一般规律,总结如下:(1)随着节理长度的增大,超欠挖程度出现先增大后减小的趋势。当节理与炮孔夹角为45度时,岩体爆破超欠挖现象最严重,同时孔间距越小其超欠挖现象就越不明显,如果想要合理的控制超欠挖,就应该减小孔间距的大小;(2)在合理的位置布置空孔能有效遏制超欠挖现象,空孔主要适用于布置在节理发育较好的位置和岩石性质较硬的位置;装药量主要影响岩体整体的爆破损伤范围,装药量过大会导致超挖。3.依据子洪2号隧道现场调研情况,应用离散元模拟方法对倾斜、相近相交和平行三种节理分布类型的隧道断面进行分析,因为节理的存在,七组隧道断面爆破效果均较差,超欠挖现象严重,在对爆破参数进行优化之后爆破效果理想,有效防治了七组隧道断面的超欠挖现象,总结如下:(1)当节理和设计轮廓线的交点处在两个炮孔中间时,节理上所产生的内部应力集中和超欠挖现象更加突出,此时处理超欠挖的最佳方法就是对节理进行注浆加固以及降低交点处相邻炮孔的装药量;(2)当炮孔的位置正处于节理上时,由于节理的存在将会严重影响该炮孔的动能释放,应合理调节炮孔方位,并合理改变孔间距和对节理进行注浆加固,且尽量不要在节理内部放置炸药,超前注浆是解决超欠挖的最有效手段。