洞室围岩在不同节理分布下的动态响应数值研究

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本文依托广州市轨道交通二十二号线番禺广场站~祈福站区间的隧道工程,基于LS-DYNA和UDEC的数值计算方法对岩体中节理的刚度参数进行了标定,在此基础上基于UDEC开展了不同节理分布对开挖隧道爆破下临近隧道围岩振动影响的数值研究,之后继续研究了不同隧道布置下节理对临近隧道围岩振动影响的差异。本文的主要研究工作和成果如下:首先,根据研究内容确定了现场监测方案。对工程现场的爆破施工和地质条件基本信息进行了收集,对现场节理分布情况进行了统计,并监测了临近隧道围岩的振动。然后,使用基于LS-DYNA和UDEC的模拟开挖隧道爆破下临近隧道围岩振动的数值方法,根据数值结果与现场监测数据的拟合,对节理刚度进行了参数标定。该模拟方法首先使有限元软件LS-DYNA对开挖隧道爆破进行了模拟,然后将LS-DYNA计算得到的开挖隧道下台阶围岩振动速度作为荷载输入至UDEC的数值模型中的相应位置处,来模拟振动波在节理岩体中的传播及引起的临近隧道围岩的振动。该方法既利用了LSDYNA在模拟爆破冲击问题上的优势,又发挥了UDEC在模拟节理岩体中的非线性大变形问题的能力。接着,通过设置不同的节理分布情况,研究了节理倾角、间距、组数和连续性对爆破引起的临近隧道围岩振动的影响规律。研究中主要对围岩质点振动速度(PPV)及节理张开区进行了观测。研究显示,节理倾角、间距、组数和连续性对临近隧道围岩PPV及节理张开区有重要影响。随着节理面与爆破波传播方向夹角的增加,波在传播过程中衰减增加,临近隧道围岩PPV减小;节理倾角对隧道围岩节理张开区的影响,既表现在节理倾角对爆破波传播过程的影响,又表现在节理倾角的组合是否有利于隧道稳定。节理间距对爆破波传播的影响在于两个方面:节理间的多重反射和传播路径中节理的数量;节理间距对临近隧道围岩节理张开区的影响,既表现在节理间距对爆破波传播过程中衰减作用的影响,又表现在节理间距对隧道围岩的完整性的影响。节理组数的增加并不一定引起临近隧道围岩PPV或节理张开区的增加或减少,而要看增加的节理组倾角、间距等参数对围岩PPV或节理张开区的影响。断续节理的节理段处由于透反射波与衍射波的叠加,应力波波场复杂,围岩PPV随断续节理连续性增加无明显规律,但节理贯通时,PPV有显著下降。最后,对不同隧道布置下节理的影响进行了研究,比较了不同隧道布置下节理对临近隧道围岩振动影响的差异。研究发现,当临近隧道布置在开挖隧道下方时,较其他方位布置下节理倾角的影响最为显著,当隧道布置在开挖隧道上方时,由于洞室空腔的减振作用,围岩PPV及节理张开区均有显著降低,此时不同节理倾角下PPV及节理张开区无明显差异;当隧道净距较小时,节理间距的影响较为显著;而近地表埋深下,不同埋置深度下节理间距对小峰值爆破引起的临近隧道围岩振动的影响无明显差异。
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