巖溶公路隧道施工及運營安全性研究.pdf

1、本文依托貴州省六盤水市小壩田巖溶公路隧道,結(jié)合理論分析、數(shù)值模擬,分別從隧道靜力開挖、爆破施工、地震響應(yīng)、車輛荷載作用4各方面對巖溶公路隧道施工及運營情況下圍巖的穩(wěn)定性和支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行了研究,主要研究內(nèi)容及其結(jié)論如下:
　　(1)采用ANSYS有限元軟件模擬了小壩田巖溶公路隧道臺階法施工,并結(jié)合圍巖應(yīng)力、圍巖塑性區(qū)、襯砌變形、襯砌應(yīng)力、襯砌安全系數(shù)以及由Griffith準(zhǔn)則提出的襯砌開裂系數(shù)等分析了施工過程中小壩田隧道圍巖的

2、穩(wěn)定性和襯砌結(jié)構(gòu)安全性,上述結(jié)果均滿足規(guī)范要求,說明小壩田巖溶公路隧道在開挖過程中圍巖穩(wěn)定,支護(hù)結(jié)構(gòu)安全。
　　(2)基于小壩田隧道的模型和工程地質(zhì)條件,分析了不同分布部位的溶洞對隧道圍巖穩(wěn)定性和支護(hù)結(jié)構(gòu)安全性的影響規(guī)律,從圍巖塑性區(qū)、特征點位移、襯砌應(yīng)力、襯砌安全系數(shù)等方面確定了溶洞位于隧道側(cè)部是對圍巖和襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)影響最大的最不利分布部位。
　　(3)根據(jù)側(cè)部溶洞是對圍巖和襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)影響最大的最不利位置,引入洞徑比λR

3、和間距比KR,按數(shù)值試驗的方法分析了溶洞與隧道距離的變化和溶洞大小的變化對隧道圍巖穩(wěn)定性和支護(hù)結(jié)構(gòu)安全性的影響規(guī)律。溶洞對隧道的影響隨洞徑比λR的增大而增大,隨間距比KR的增大而減小。洞徑比λR小于0.217時,溶洞對隧道影響趨近于零,隧道設(shè)計和施工時可以不予考慮。間距比KR大于1.419時,溶洞對隧道的影響程度變化趨于穩(wěn)定。
　　(4)查閱相關(guān)文獻(xiàn),以爆破振動速度、溶洞各質(zhì)點應(yīng)力極值、爆破破壞指數(shù)BDI作為小壩田隧道爆破施工過程

4、中溶洞是否安全的評判標(biāo)準(zhǔn),運用ANSYS有限元軟件對小壩田隧道爆破施工進(jìn)行了模擬,并以圍巖損傷斷裂準(zhǔn)則得出最大安全振動速度13.74cm/s、圍巖動抗拉強(qiáng)度2.13Mpa,圍巖動抗壓強(qiáng)度23.25Mpa、爆破破壞指數(shù)BDI≦1.0評判小壩田隧道爆破施工過程中溶洞的穩(wěn)定性,計算結(jié)果均滿足規(guī)范要求,說明小壩田巖溶公路隧道爆破施工時溶洞不會發(fā)生失穩(wěn)破壞。
　　(5)基于小壩田隧道的動力計算模型和工程地質(zhì)條件,從最大振動速度、最大抗拉壓應(yīng)

5、力、最大爆破破壞指數(shù)等角度分別分析了爆破施工對不同分布部位溶洞(溶洞位于隧道頂部、底部、側(cè)部)的影響,得到溶洞位于隧道底部是爆破施工對溶洞影響最大的最不利分布部位。
　　(6)根據(jù)溶洞位于隧道底部是爆破施工對溶洞影響最大的最不利分布部位,從溶洞與隧道間距出發(fā),擬合得到了溶洞與隧道間距與最大振動速度的關(guān)系為v=88.187x-0.797,并確定了隧道與溶洞爆破施工的安全間距為1.15D。
　　(7)選用基線校正和濾波后的EL-

6、Centro波,采用ANSYS有限元軟件對小壩田隧道動力計算模型施加EL-Centro波水平加速度荷載,分析了地震荷載作用下隧道襯砌和溶洞特征點的振動速度規(guī)律,并以襯砌和溶洞的最大拉壓應(yīng)力和應(yīng)力增量判斷襯砌和溶洞的安全性。結(jié)果表明:在地震作用下,襯砌最大拉應(yīng)力為0.752Mpa,最大壓應(yīng)力為2.45Mpa,溶洞周邊各質(zhì)點最大拉應(yīng)力為0.169Mpa,最大壓應(yīng)力為2.126Mpa,上述結(jié)果均滿足規(guī)范要求,說明小壩田隧道在地震作用下不會發(fā)生

7、拉、壓裂破壞。
　　(8)分別建立溶洞位于隧道頂部、側(cè)部和底部的有限元模型,對模型施加EL-Centro波水平加速度荷載,從隧道襯砌與溶洞各特征點的位移、速度和襯砌與溶洞的環(huán)向主應(yīng)力極值、主應(yīng)力增量最大值進(jìn)行比較,得出在地震作用下,溶洞位于隧道側(cè)部是溶洞分布的最不利分布部位。
　　(9)以小壩田隧道動力計算模型,將車輛荷載考慮成激振力函數(shù),采用ANSYS有限元軟件模擬了車輛荷載作用下巖溶公路隧道的動力響應(yīng),從襯砌和溶洞最大振