【摘 要】
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混凝土喷层因具有加固补强、提高围岩完整性、以及对地应力有卸压让压作用等优点,是地下隧洞开挖施工期的主要支护方式之一。钻孔爆破是地下隧洞开挖的主要方式,为提高施工效率,隧洞爆破开挖与喷射混凝土支护往往交替进行,爆破开挖产生的剧烈扰动不可避免地会对混凝土喷层造成损伤破坏,从而影响隧洞安全稳定。与浅埋隧洞不同的是,深埋隧洞高地应力岩体爆破开挖产生的动力扰动由爆炸荷载与地应力瞬态卸荷共同作用引起,此外,混
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混凝土喷层因具有加固补强、提高围岩完整性、以及对地应力有卸压让压作用等优点,是地下隧洞开挖施工期的主要支护方式之一。钻孔爆破是地下隧洞开挖的主要方式,为提高施工效率,隧洞爆破开挖与喷射混凝土支护往往交替进行,爆破开挖产生的剧烈扰动不可避免地会对混凝土喷层造成损伤破坏,从而影响隧洞安全稳定。与浅埋隧洞不同的是,深埋隧洞高地应力岩体爆破开挖产生的动力扰动由爆炸荷载与地应力瞬态卸荷共同作用引起,此外,混凝土喷层还承受部分的地应力作用。因此,有必要研究深埋隧洞爆破开挖混凝土喷层的损伤破坏机理与PPV（质点峰值振动速度）阈值,为深埋隧洞开挖混凝土喷层强度参数与支护时机的选择以及爆破参数优化设计提供理论支持。本文采用理论分析、数值计算与工程现场实测资料分析相结合的方法,研究深埋隧洞爆破开挖爆炸荷载与地应力瞬态卸荷动力扰动以及静态地应力作用下混凝土喷层的损伤破坏机理、演化规律及其PPV阈值。主要研究内容和结论如下:（1）采用ANSYS/LS-DYNA隐式-显式顺序求解研究了深埋隧洞爆破开挖爆炸荷载与地应力瞬态卸荷动力扰动以及静态地应力作用下混凝土喷层的应力场,基于第一强度理论和摩尔-库伦准则确定了深埋隧洞爆破开挖混凝土喷层的损伤破坏机理。研究结果表明,仅爆炸荷载作用下,混凝土喷层主要发生张拉破坏;在爆炸荷载、地应力瞬态卸荷动力扰动以及静态地应力作用下,混凝土喷层主要发生剪切破坏;地应力对爆炸荷载引起的混凝土喷层剪切破坏起促进作用。（2）采用数值模拟方法研究了深埋隧洞全断面开挖毫秒延时爆破和开挖掌子面推进过程中混凝土喷层的损伤演化过程。研究结果表明,在毫秒延时爆破爆炸荷载与地应力瞬态卸荷动力扰动下,混凝土喷层的损伤范围逐渐增大,最外一圈主爆孔爆破时,混凝土喷层的损伤范围增大最为明显;开挖掌子面推进过程中,混凝土喷层的损伤范围和损伤程度未见增加。（3）根据混凝土喷层损伤边界上处的PPV,确定了不同地应力水平下混凝土喷层损伤破坏的PPV阈值,随着地应力水平的升高,混凝土喷层所承受的地应力由0.3 MPa增大到1.0 MPa,1-3天的龄期的混凝土喷层损伤PPV阈值由6.1 cm/s减小至2.9 cm/s;3-7天的龄期的混凝土喷层损伤PPV阈值由7.1 cm/s减小至4.9 cm/s;7-28天的龄期的混凝土喷层损伤PPV阈值由10.5 cm/s减小至6.3 cm/s;在相同工况下,随着喷射混凝土龄期的增加,混凝土喷层损伤的PPV阈值增加。（4）结合锦屏地下实验室实验洞上层中导洞爆破开挖混凝土喷层振动监测,确定了实验洞混凝土喷层的损伤范围、PPV阈值及允许的最大单响药量。研究结果表明,实验洞上层中导洞爆破开挖时,实验洞混凝土喷层的损伤范围是15 m,损伤主要发生在混凝土喷层顶拱处,拱肩其次,洞腰和底板最小;1-3天、3-7天和7-28天龄期混凝土喷层损伤的PPV阈值分别是3.9 cm/s、5.0 cm/s和8.6 cm/s,对应的最大允许单响药量分别为14.9 kg、53.4 kg和139.1 kg。
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