超前导坑再扩挖隧道施工方法研究

摘要

随着我国交通行业的快速发展，全国兴起了隧道建设的高潮，越来越多的大断面隧道相继涌现，加之全国各地的地铁轻轨建设也陆续上马，这些分布在城市中心的大断面隧道对于隧道施工过程中的围岩稳定和爆破振动提出了更高的要求。超前导坑再扩挖工法能够减少对未开挖围岩的扰动，维持围岩的稳定。同时超前导坑再扩挖工法以其在爆破减震方面的独特优势，日益被人们认识和接受。另外超前导坑再扩挖工法可以利用TBM机开挖先行导坑，再用钻爆法扩大至设计断面。由于TBM机的直径不依赖于隧道设计断面，所以可以比较好的解决TBM机的循环使用问题。由于对超前导坑再扩挖工法的研究还比较少，所以本文对于这种工法进行了研究，主要研究内容和研究成果如下:
　　①详细介绍了超前导坑再扩挖工法国内外研究的现状和目前存在的问题，从而确定了本文研究的方向。
　　②对超前导坑法的施工流程、优缺点以及施工过程中应该注意的事项进行了简要的阐述，然后从适用条件、工期、造价等方面将超前导坑再扩挖工法与其他施工方法进行对比，对超前导坑再扩挖工法特点进行了进一步阐述。
　　③对于导坑开挖完成之后主隧道的扩挖问题，本文中提出了三种施工方案，并就四级和五级围岩条件下应用ANSYS程序对三种扩挖方案进行了模拟分析。对各工况隧道关键点的变形和应力进行了对比分析，提出了三种扩挖方案分别适用的围岩地质条件。
　　④从理论和对试验数据的分析论证了导坑的作用:导坑为爆破作业提供了临空面，可以减小对未开挖岩体的扰动，起到减震的作用，同时可以减少隧道的炸药使用量。
　　⑤与全断面爆破开挖相对比，利用ANSYS/LS-DYNA软件分别就超前导坑再扩挖工法炸药量降低10％、20％和30％三种情况研究了炸药量降低值与振动速度的关系，从而对工程实践提供理论指导。
　　⑥针对某超前导坑法施作的隧道工程实例进行了数值模拟。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 概述

1．2 国内外研究现状

1．3 目前存在的问题

1．4 课题研究的主要内容

1．5 课题研究的技术路线

第二章 超前导坑再扩挖工法概述

2．1 隧道施工特点

2．2 隧道施工方案选择的原则

2．3 隧道施工的基本原则

2．4 超前导坑再扩挖工法

2．5 隧道的其它施工方法

2．5．1 全断面法

2．5．2 台阶法

2．5．3 分部开挖法

2．5．4 隧道掘进机(TBM)工法

2．6 隧道施工方法对比分析

2．7 本章小结

第三章 超前导坑再扩挖工法扩挖方案研究

3．1 隧道施工开挖数值模拟

3．1．1 隧道开挖本构模型

3．1．2 ANSYS数值模拟隧道开挖的原理

3．1．3 ANSYS数值模拟隧道开挖的具体做法

3．2 隧道超前导坑再扩挖工法扩挖方案模拟分析

3．2．1 隧道横断面

3．2．2 模型的建立

3．2．3 单元的选择

3．2．4 计算参数的选择

3．2．5 隧道扩挖方案

3．2．6 荷载释放率的确定

3．2．7 模拟结果对比分析

3．3 本章小结

第四章 超前导坑减震作用研究

4．1 岩石爆破破坏理论

4．2 岩体在爆炸荷载作用下的力学行为

4．2．1 岩石在冲击荷载作用下的力学反应特点

4．2．2 岩石在冲击荷载作用下的强度特性

4．3 导坑的减震作用研究

4．3．1 霍布金逊效应

4．3．2 利文斯顿理论

4．3．3 导坑的减震效应试验成果

4．4 本章小结

第五章 超前导坑再扩挖工法炸药量与振速关系研究

5．1 ANSYS／LS-DYNA爆破模拟基本理论

5．1．1 控制方程组

5．1．2 时间积分

5．1．3 控制人工体积粘性

5．1．4 无反射边界

5．1．5 应力计算

5．1．6 沙漏控制与高斯积分

5．1．7 时间步长的控制

5．2 炸药量与振动速度的关系数值模拟

5．2．1 模型建立

5．2．2 算法选择

5．2．3 材料模型和参数选取

5．2．4 数值模拟结果分析

5．3 本章小结

第六章 超前导坑再扩挖工法工程实例分析

6．1 工程概况

6．2 施工方法选择

6．3 模型建立

6．4 材料参数

6．5 模拟结果

6．6 模拟结果与现场实测数据对比

6．7 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

致谢

参考文献

在校期间发表的论文和取得的科研成果