考虑爆破损伤的薄顶板隧道数值模拟与支护方案优化

摘要

在山岭隧道开挖过程中，薄基岩顶板受爆破动力影响围岩损伤较为显著，且顶板厚度沿开挖方向逐渐增大，然而现有支护方案未能针对不同顶板厚度的断面进行差异化设计。为此，以青岛唐山路隧道为工程背景，基于围岩开挖爆破主频率衰减过程定义损伤变量，建立了爆破损伤与爆心距之间的函数关系，从而量化爆破对顶板围岩的损伤程度。基于离散元软件3DEC，通过弱化岩体力学参数的方法，实现了9导坑、5断面连续爆破开挖过程的三维数值模拟，为支护方案优化设计提供依据。研究结果表明:顶板较薄的断面1和断面2的拱顶开挖使拱顶沉降值增加了10 mm，并且这两个断面受后续开挖的影响仍然较大，最终的拱顶沉降值都超过了60 mm;拱顶处的锚索很好地发挥了锚固作用，抑制了拱顶处的围岩沉降，断面1、2拱顶处更换锚索后，拱顶沉降减少了10 mm左右;不同支护方案拱顶沉降曲线均在顶板厚度约7.4 m时曲率突增，该顶板厚度即为隧道安全阈值。基于数值模拟结果进行支护设计参数优化，提出薄顶板隧道断面采用锚杆+锚索的联合支护形式，较厚顶板隧道断面以单层初支为主的支护方案。通过数值模拟结果和现场应用监测反馈显示，不同顶板厚度隧道断面拱顶沉降均稳定在45 mm，表明提出的支护方案可有效控制不同顶板厚度隧道围岩的稳定性。

关键词

爆破损伤 / 数值模拟 / 支护方案 / 现场监测

基金资助

国家自然科学基金面上项目(No.52274088)