目前,我国交通道路等基础工程的大量建设,不可避免产生数量众多的交通线路立交工程,其中交通隧道下穿已有铁路、公路等交通线路工程问题也将十分突出。从这样的发展趋势来看,目前尚属罕见的下穿机场飞行区钻爆法施工的隧道工程,也将会不断增多。下穿机场飞行区的隧道爆破施工,爆破产生的动力效应必然会对机场跑道的安全运营以及已建隧道的稳定性产生影响,客观认识下穿隧道爆破地震波传播规律及其动力作用特征,合理评价和控制爆破振动有害效应是这类爆破施工中急需解决的关键科技问题。论文结合下穿恩施机场飞行区的许家坪隧道工程实际,采用现场测试、数值模拟、理论计算分析相结合的综合研究方法,围绕“下穿机场跑道隧道爆破动力效应及控制”这一主题,开展了隧道围岩、支护结构以及机场跑道结构等力学参数反演,机场跑道爆破振动预测模型,隧道爆破动力特性,爆破作用下机场跑道以及临近隧道围岩爆破动力响应特征,机场跑道爆破安全判据等内容的一系列研究,论文主要研究内容和成果如下:(1)隧道结构与机场跑道力学参数反演研究。依据岩土勘察资料和现场监测数据,综合运用正交试验法、有限差分法以及BP神经网络方法对隧道围岩体、支护结构以及机场跑道结构的力学参数进行了反演分析,获得了隧道围岩、支护结构以及机场跑道的力学参数,为后续爆破动力数值模拟与理论计算提供了合理的参数依据。(2)机场跑道爆破振动测试分析。根据隧道开挖爆破技术特点与周边环境条件,并制定了隧道爆破开挖过程中的爆破振动测试方案,进行了现场爆破振动测试;依据测试结果,对爆破振动特征进行了分析,得出了隧道开挖爆破的频率特征,建立了爆破振动速度预测模型。测试分析表明,隧道开挖爆破期间,最大振动速度为1.328cm/s,未超过预先规定的3cm/s的爆破振动速度控制值,施工过程中机场跑道的爆破振动得到了有效控制;在X方向、Y方向以及Z方向3个方向上的爆破振动主震频率分布不一致,其中X、Y方向最小振动频率为35Hz左右,Z方向最小振动频率为43Hz左右,这与隧道、机场跑道等建构筑结构的固有频率相差较大,不会产生共振放大现象。(3)隧道开挖爆破动力荷载特性研究。为获得远区爆破振动数值分析的等效爆炸荷载,根据现场爆破设计方案,基于动力有限元数值模拟方法和理论力学中的合力矩定理,计算分析了3cm、5cm、10cm、20cm、40cm、50cm等不同边长条形药包以及隧道全断面开挖爆破的动力荷载特性,对比分析了不同爆源条件下的爆破动应力荷载特性及其传播特征。研究结果表明:全断面爆破与条形药包爆破动应力均具有随爆心距增大而衰减,且近区衰减快、远区衰减慢的变化特征。其中,边长为10cm的条形装药爆破模型,其爆炸应力波特性与全断面爆破模型在中远区的计算结果基本一致,具有等效性;在爆心距小于9m的范围内,装药结构的不同使得等效前后的爆炸应力波荷载大小存在一定的差异性,但随着爆心距的增加,二者的差异越来越小,且最小差值为0.037MPa;同时,质点振动速度在采用爆破等效前后也存在一定的差异性,随着爆心距的增加,二者的差异也越来越小,最小差值为0.002cm/s。研究结果为隧道爆破远区动力分析数值建模提供了依据。(4)隧道开挖爆破作用下机场跑道动力响应特征研究。基于全断面爆破荷载等效模型,建立了不同循环进尺隧道爆破开挖的数值计算模型,分析了隧道循环爆破动载作用下的机场跑道动力响应机理,评价了爆破应力波传播路径上的临近已建隧道以及机场跑道在爆破施工过程中的安全性,本着爆破施工安全高效目标,优化了隧道爆破开挖的循环进尺。结果表明:现场采用的开挖循环进尺为1.5m时,临近隧道衬砌结构和跑道的最大主应力均未达到的它们的极限抗拉强度,隧道支护结构和跑道均处于安全状态;采用1~3m不同循环进尺开挖爆破时,隧道断面上方机场跑道各监测点的有效应力、最大主应力和合成振动速度沿爆源正上方呈对称分布,三者最大值均出现在爆源正上方,且随循环进尺的增加而增大;不同循环进尺情况下,有效应力、最大主应力和合成振动速度均随循环进尺的增加,呈现出先快后慢的增加趋势,循环进尺小于2m时,增加速率大、而后变小;由于爆破应力波在成型洞体表面发生反射作用,爆破应力波在地表发生多次叠加,成型洞体对地表振动在一定范围内具有相对放大作用。(5)临近已建隧道围岩爆破动力响应特征分析。采用波函数展开法和多极坐标法,将爆破地震波简化为柱面波,分析推导了柱面P波作用下隧道围岩的动应力集中系数的表达式。结合许家坪隧道爆破工程实际,从理论上分析了入射波频率和比例距离r*对动应力集中系数的影响。结果表明:入射波频率对围岩动应力集中系数的幅值产生的影响显著,而对其分布形式影响较小;爆源距离隧道较近时,迎爆侧和背爆侧的动应力集中系数均较大,这与平面波分析的结果存在较大差别,说明爆心距较小时将柱面波简化为平面波,其结果会产生较大误差,但随着爆心距的增加,两者动应力集中系数误差会逐渐减小、且趋于一致。研究结果表明,r*=15可定义为柱面P波与平面P波的分界线,这为隧道爆破对邻近隧道的影响分析及控制提供了依据。(6)机场跑道爆破振动安全判据与振动效应控制技术研究。根据机场跑道的结构特点,基于应力波传播理论,对爆炸应力波的传播过程进行了理论分析,建立了爆破振动速度判据理论计算模型,并结合材料极限抗拉强度准则和下穿机场跑道隧道爆破工程实际,分析并提出了基于理论分析方法的机场跑道爆破振动速度安全判据;根据机场跑道爆破动力响应特征研究成果,研究并建立了机场跑道所受拉应力峰值和振动速度峰值的关系模型,结合极限抗拉强度准则,计算分析了基于数值模拟方法的机场跑道爆破振动速度安全判据;综合对比理论分析求解结果与数值计算结果,在参考《爆破安全规程》(GB6722-2014)基础上,提出了适用于许家坪机场跑道的爆破振动速度安全判据为8.0cm/s。为控制施工过程中的爆破振动,采用数值计算方法对1.0m-3.0m不同循环进尺与不同爆破药量条件下的隧道爆破震动效应进行了计算分析。研究表明,当采用不同循环进尺时,由于相同药量时采用的装药集中度不同,循环进尺不同引起的机场跑道各监测点的爆破振动速度峰值相差不大。因此,为确保机场的正常运营和相邻隧道的安全,在单段药量一定的前提下,可通过适当加大循环进尺的方式来满足安全高效施工的要求。现场采用1.5m循环时,安全允许的最大单段起爆药量应控制在40kg以下。