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深埋高地应力隧道卸压支护技术研究

作　者: 郭相参
导　师: 戴俊
学　校: 西安科技大学
专　业: 岩土工程
关键词: 高地应力分区破裂化爆破卸压数值分析隧道支护
分类号: U455.7
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

随着交通建设的发展和能源开采进入深部,高地应力条件下的隧道有效支护成了地下工程中必须面对的问题之一。高地应力条件下,采用普通的加强支护法,不仅浪费大量的人力、物力、财力,而且支护效果差。往往支护结构破坏严重,返修率高。因此,探索高地应力条件下的隧道有效支护方法,保证隧道长期的安全与稳定,并提高隧道支护效果,降低隧道支护结构返修率和支护成本,是迫切的,具有重要的理论和实际意义。基于围岩分区破裂化理论和爆破损伤理论,本文运用理论计算分析和数值模拟研究方法,对深埋高地应力隧道的卸压支护技术进行研究。具体研究内容与取得的主要研究成果如下:(1)基于围岩分区破裂化原理,根据分区破裂带的位置、宽度确定了装药位置和爆破卸压的区域,利用相应分区破裂带的半径和宽度计算公式对爆破卸压部分参数进行确定。经计算炮孔深度为9.0m;装药量为0.55kg、0.45kg、0.40kg、0.35kg;堵塞长度为8.12m、8.27m、8.35m、8.43m。(2)根据爆破损伤理论计算了卸压孔的间距和卸压后围岩应力值,炮孔间距为0.7m、0.8m、0.9m、1.0m。结合材料力学知识和隧道支护理论计算了隧道衬砌结构厚度和内力。衬砌厚度由卸压前的1.5m减小到卸压后的0.9m、0.75m、0.6m、0.8m,而且卸压后衬砌结构的弯矩和轴力也减小37%以上,表明爆破卸压取得了预期的效果。(3)利用ANSYS/LS-DYNA动力有限元软件建立仿真数值模型,对松动爆破卸压支护进行了模拟,并研究爆破卸压参数和卸压效果的关系。分析模拟计算结果得出:爆破卸压后,衬砌结构的变形和内力均在不同程度上降低了,变形减小47%以上,且内力减小35%以上,并与理论研究成果基本吻合,表明爆破卸压达到了改善围岩支护条件的目的。通过松动爆破卸压将隧道围岩高地应力向远离隧道表面的深部围岩转移,从而达到降低围岩应力,保护隧道的目的。本文研究成果对深埋高地应力地下工程的建设和能源开发具有一定的指导意义和参考价值。

全文目录

摘要  2-4
ABSTRACT  4-8
1 绪论  8-17
  1.1 研究问题的提出  8-10
  1.2 卸压技术国内外研究现状  10-13
    1.2.1 卸压机理及评述  10-11
    1.2.2 卸压技术的研究现状  11-13
    1.2.3 存在的问题  13
  1.3 本文主要研究内容和技术路线  13-15
    1.3.1 主要研究内容  13-14
    1.3.2 主要研究方法  14
    1.3.3 研究方案及技术路线  14-15
  1.4 预期成果及意义  15-17
    1.4.1 预期目标  15-16
    1.4.2 研究意义  16-17
2 深部高地应力隧道围岩的分区破裂化  17-23
  2.1 分区破裂化理论的提出  17
  2.2 分区破裂化理论的发展  17-19
  2.3 分区破裂的描述  19-22
    2.3.1 隧道围岩的分区破裂范围  19-20
    2.3.2 隧道围岩破裂范围的影响因素  20-21
    2.3.3 隧道围岩应力与分区破裂范围的关系  21-22
  2.4 本章小结  22-23
3 基于分区破裂化理论的爆破卸压方案设计  23-34
  3.1 无限岩石中内部作用药包的爆炸作用机理  23-26
    3.1.1 爆炸裂隙形成机理  23-25
    3.1.2 爆炸动态扰动作用  25-26
  3.2 爆破单孔损伤破坏程度分布函数  26-28
  3.3 装药位置和爆破卸压区域确定  28-30
    3.3.1 装药位置的确定  28-29
    3.3.2 爆破卸压区域的确定  29-30
  3.4 松动爆破卸压参数  30-33
    3.4.1 爆破卸压参数设计原则  30
    3.4.2 松动爆破卸压参数的确定  30-33
  3.5 本章小结  33-34
4 松动爆破卸压的效果分析  34-49
  4.1 爆破卸压前荷载计算  34-36
  4.2 爆破卸压后荷载计算  36-37
  4.3 隧道支护结构计算  37-39
    4.3.1 隧道衬砌内力计算  37-38
    4.3.2 衬砌截面强度验算  38-39
  4.4 隧道松动爆破卸压效果理论研究  39-48
    4.4.1 爆破卸压参数设计  39-40
    4.4.2 隧道衬砌结构计算  40-44
    4.4.3 计算结果分析  44-48
  4.5 本章小结  48-49
5 松动爆破卸压效果的数值模拟验证  49-66
  5.1 ANSYS 数值模拟  49-50
    5.1.1 概述  49
    5.1.2 数值模拟软件的选择  49-50
    5.1.3 ANSYS/LS-DYNA 软件特性与应用  50
  5.2 钻孔松动爆破卸压数值模拟  50-54
    5.2.1 隧道卸压过程模拟  50-51
    5.2.2 数值计算模型的建立  51-53
    5.2.3 计算工况  53-54
  5.3 数值计算结果分析  54-65
    5.3.1 衬砌结构位移分析  54-60
    5.3.2 衬砌结构内力分析  60-65
  5.4 本章小结  65-66
6 结论  66-68
  6.1 主要结论  66-67
  6.2 展望  67-68
致谢  68-69
参考文献  69-74
附录  74

深埋高地应力隧道卸压支护技术研究

内容摘要

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