循环爆破荷载下隧道围岩及锚喷支护结构的稳定性研究

在隧道爆破开挖过程中,爆炸产生的冲击荷载会造成围岩的损伤,影响初期支护结构的稳定。在循环爆破荷载作用下,围岩的损伤会不断加剧,致使围岩中裂隙不断地扩展、延伸乃至失稳。同时随着围岩稳定性逐渐变差,初期支护结构承载的围岩应力也不断增加,从而影响支护结构的稳定性。本文依托国家自然科学基金项目“循环爆破荷载作用下隧洞围岩损伤演化机理研究”。

基于理论分析,利用有限元软件MIDAS GTS NX建立循环爆破荷载作用下围岩及初期支护结构的受力模型,进行不同工况下的数值模拟研究。主要的研究内容及成果如以下:(1)基于爆破振动波对围岩及初期支护结构影响的理论分析,从围岩质点位移角度分析爆破振动对围岩和初期支护结构的影响,并在一次爆破的基础上建立了围岩在有无初期支护结构两种情况下受循环爆破荷载作用后质点位移累积公式,以及混凝土喷层的位移累积公式。(2)分别模拟分析了Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩在2米开挖进尺工况下经过5次循环爆破后1-1剖面处各测点的最大位移和最大振速累积值。从测点最大位移分析:在第一次爆破的基础上经过后续4次循环爆破,Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩1-1剖面各测点最大位移累积值增幅分别为4mm左右、9.5mm左右和18.5mm左右,可以看出围岩稳定性越低,受循环爆破荷载的影响越大。

从测点最大振速分析:Ⅲ级围岩1-1剖面各测点振速值在经过5次循环爆破后小于围岩旧裂缝扩张的质点振速(0.14m/s);Ⅳ级围岩1-1剖面各测点振速值在第二次循环爆破后接近于围岩旧裂缝扩张的质点振速;Ⅴ级围岩1-1剖面各测点振速值在第二次循环爆破后超过围岩旧裂缝扩张的质点振速。并从围岩应力分析了每次循环爆破对1-1剖面的影响。以此提出了Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩在爆破开挖过程中采用的初期支护结构方式以及施加支护的时间。(3)比较1-1剖面~5-5剖面处各测点的最大位移和最大振速累积值发现,Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩的5个剖面中3-3剖面处各测点位移和振速累积值最大,说明3-3剖面处围岩损伤最为严重;比较拱底、拱顶、左拱腰和右拱腰的最大位移和最大振速累积值发现,拱底处累积值最大。

故在进行初期支护过程应注意加大3-3剖面以及拱底拱脚处的支护力度。(4)由2米开挖进尺工况下Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩经过5次循环爆破后各剖面最大位移和

最大振速累积值分析可知:Ⅲ、Ⅳ级围岩可适当加大爆破开挖进尺,Ⅴ级围岩应减少开挖进尺。将Ⅲ、Ⅳ级围岩的开挖进尺改为3米,Ⅴ级围岩的改为1米,选取受循环爆破荷载影响最大的剖面比较不同开挖进尺工况下各测点的位移累积值,得出了Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩宜选择的开挖进尺。(5)基于无初期支护结构时隧道围岩受循环爆破荷载影响的研究可知:Ⅲ级围岩选择2米或3米开挖进尺均可,Ⅳ级围岩宜选择2米开挖进尺,Ⅴ级围岩宜选择1米开挖进尺。

Ⅲ、Ⅳ级围岩在2米开挖进尺的工况下施加锚喷支护结构,Ⅴ级围岩在1米开挖进尺工况下施加锚喷支护结构并增设钢筋网,研究5次循环爆破后不同喷混厚度下各测点位移累积值与无支护结构时的差异,并选取合适的喷混厚度。通过1-1剖面各测点位移值的改变以及混凝土喷层经过循环爆破后的位移云图和米塞斯应力云图分析循环爆破荷载对初期支护结构的影响。