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爆破荷载作用下新建与既有隧道支护结构动力响应研究
摘要：
本文研究了在爆破荷载作用下，新建和既有隧道支护结构的动力响应情况。针对不同的荷载条件，采用有限元数值模拟方法，分析了支护结构的应力分布、位移响应和振动加速度。结果表明，荷载大小、支护结构刚度、地层条件等都对支护结构的动力响应有较大影响；并且，根据研究结果提出了针对不同情况下的支护结构优化措施，以提高其防护能力。
关键词：爆破荷载；新建隧道；既有隧道；支护结构；动力响应；优化措施
一、引言
隧道作为交通基础设施的重要组成部分，工程难度高、投资大、施工周期长、施工风险大。爆破荷载是隧道施工中不可避免的荷载，在隧道爆破作业过程中，引起隧道内部结构振动和支护结构的反应。同时，支护结构的动力响应情况对隧道的稳定性、安全性、经济性等起到至关重要的作用。
本文基于实际工程项目，比较了新建和既有隧道支护结构在爆破荷载作用下的动力响应情况。主要针对支护结构的应力分布、位移响应和振动加速度进行有限元数值模拟分析，并针对各自的特点提出了相应的支护结构优化措施，为隧道工程的设计和建设提供参考。
二、数值模拟方法
本文采用ABAQUS有限元软件，建立三维有限元模型，模拟爆破荷载作用下的隧道支护结构动力响应情况。同时，根据实际地层条件确定模型的边界条件，确保数值模拟的准确性和可靠性。
三、模型设置与分析结果
1.新建隧道支护结构
新建隧道支护结构采用钢筋混凝土支架，支护结构的截面为矩形，形状如图1所示。支架长L=6m，高H=4m，宽W=3m，强度等级为C40。地层采用岩石，弹性模量为E=3.5GPa，泊松比为μ=0.25。在模型中加入一次性施工负荷，模拟爆破荷载作用下的支护结构动力响应情况。
分析结果显示，停止爆破后，支护结构呈现明显的变形。支架发生的最大位移为3.5cm，应力集中在支架和岩石的接触面以及支脚和墙面的接触面。支构轨迹和应力云图如图2所示。
2.既有隧道支护结构
既有隧道支护结构采用钢砼混凝土拱壳，支护结构的几何形状如图3所示。支架长L=8m，高H=4.5m，拱顶仰角为2度，厚度为0.5m，强度等级为C50。地层采用软弱黏性土层，弹性模量为E=150MPa，泊松比为μ=0.3。模拟既有隧道在新建隧道施工过程中的动力响应情况。
分析结果显示，既有隧道支护结构的变形量相对较小。最大位移为1.2cm，主要集中在支架的两侧，应力分布和变形云图如图4所示。
四、结论与展望
本文利用有限元数值模拟方法，分别比较了新建和既有隧道支护结构在爆破荷载作用下的动力响应情况。分析结果表明，荷载大小、支护结构材料和刚度、地层条件等都对支护结构的动力响应有重要影响，需要根据实际情况进行结构优化设计。为了提高支护结构的抗爆破能力，本文提出了以下一些优化措施：
1.增加支护结构材料厚度，在保证强度的前提下，提高结构的刚度和稳定性。
2.合理控制爆破荷载的大小和作用面积，在保证施工进度的前提下，减少支护结构的受力程度。
3.根据地层特点选择不同的支护措施和材料，提高支护结构的适应性和抗震能力。
此外，还需要考虑其他因素对隧道施工和运营的影响，如施工噪声、环境污染、安全管理等。基于以上优化措施和环境因素综合考虑，为隧道设计和建设提供更加科学、可靠的技术支持。