多次爆破荷載作用下大荒溝小凈距隧道圍巖巖體位移響應(yīng)＊

費(fèi)鴻祿，張國輝

（1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)，遼寧 阜新 123000；2.山西冀中能源集團(tuán)礦業(yè)有限責(zé)任公司，山西 太原 030000）

各種高等級(jí)公路建設(shè)迅猛發(fā)展，而環(huán)境保護(hù)也日漸深入人心，山區(qū)或沿河高速公路選線時(shí)，上、下行隧道往往受地形的限制，使兩相鄰隧道的最小凈距不能滿足現(xiàn)設(shè)計(jì)規(guī)范要求。由于連拱隧道的工程造價(jià)高、施工難度大、施工周期長，大大超過普通雙線雙洞隧道，這樣迫使人們設(shè)計(jì)一種符合實(shí)際情況的隧道形式，這就是小凈距隧道［1－4］。小凈距隧道雙洞的中夾巖柱寬度介于連拱隧道和雙線隧道之間，一般小于隧道開挖斷面寬度的1.5倍。

目前，針對地下工程開挖中爆破荷載作用下的巖體硐室穩(wěn)定性分析較少，大多是分析地震荷載作用下的巖體硐室安全。例如，于翔［5］、李小軍［6］、黃勝等［7］和李海波等［8］根據(jù)地震后的現(xiàn)場調(diào)查，分析了地下巖體工程的變形破壞模式、程度與覆蓋層厚度、巖石類型、支護(hù)類型和地震參數(shù)之間的關(guān)系。張麗華等［9］、黃潤秋等［10］、金峰等［11］和趙寶友等［12］采用有限元、離散元等方法，分析了地下巖體硐室 （隧道）在地震動(dòng)荷載作用下的速度、加速度、位移等響應(yīng)特征和規(guī)律。在爆破開挖地下硐室時(shí)，施工中關(guān)心的是每次爆破發(fā)生時(shí)對已開挖成型硐室的影響，即爆破發(fā)生時(shí)可能產(chǎn)生的地下硐室失穩(wěn)情況。本文中，以大荒溝隧道掘進(jìn)過程中小凈距標(biāo)段為研究對象，采用FLAC－3D軟件模擬多次（6次）爆破荷載作用下的小凈距隧道圍巖位移響應(yīng)特性，并和疲勞損傷聲波監(jiān)測結(jié)果比較，確定多次爆破下隧道圍巖巖體穩(wěn)定性，擬為工程設(shè)計(jì)提供一種理論計(jì)算及數(shù)據(jù)分析模擬的參考方法。

1 模型建立及參數(shù)選取

1.1 模型建立

丹東－通化高速公路大荒溝隧道左線長1 120m，右線長1 080m，通化端為分離式隧道，丹東端左、右線隧道毛洞間距范圍為9.812～24.095m，屬于小凈距隧道。模型的建模區(qū)域及尺寸，以大荒溝隧道施工中小凈距隧道標(biāo)段的設(shè)計(jì)圖紙及現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，合理選擇模型大小，模擬以25m×78m×25m的區(qū)域?yàn)檠芯繉ο?，其中小凈距間柱寬度為10m。圖1為小凈距隧道計(jì)算模型及監(jiān)測點(diǎn)布置圖，質(zhì)點(diǎn)橫向振動(dòng)應(yīng)力波沿隧道洞壁走向加載，質(zhì)點(diǎn)豎向振動(dòng)應(yīng)力波沿隧道洞壁法向加載，A、B為測振儀布置點(diǎn)，a、b為模擬監(jiān)測點(diǎn)。

圖1 小凈距隧道計(jì)算模型Fig.1 Asimulation model for small clearance tunnel

1.2 隧道圍巖主要力學(xué)參數(shù)及屈服準(zhǔn)則

根據(jù)隧道深淺埋分界的規(guī)定［13］，大荒溝隧道小凈距隧道標(biāo)段平均埋深為40m，屬于深埋隧道。隧道圍巖級(jí)別為Ⅳ級(jí)，區(qū)域地質(zhì)結(jié)構(gòu)似層狀較簡單，無軟弱結(jié)構(gòu)面入侵及裂隙水等不良地質(zhì)現(xiàn)象。線路通過區(qū)地層主要為片巖、二云片麻巖、石英片巖、黑云斜長片麻巖、角內(nèi)巖、混合巖，其中上覆巖層以片巖為主，巖石動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)與靜態(tài)力學(xué)參數(shù)差異不大。巖石的靜態(tài)力學(xué)參數(shù)分別為：彈性模量E＝37GPa，泊松比ν＝0.33，密度ρ＝2.15t／m3，內(nèi)聚力c＝450kPa，體積模量 K＝3.6GPa，剪切模量G＝1.4GPa，抗拉強(qiáng)度σ＝1MPa，內(nèi)摩擦角φ＝33°。

體積模量K和剪切模量G與彈性模量E及泊松比ν之間的關(guān)系分別為：

數(shù)值模擬中，采用理想彈塑性模型，屈服準(zhǔn)則采用Mohr－Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則，屈服函數(shù)為［14－15］：

式中：σ1為最大主應(yīng)力，σ3為最小主應(yīng)力，Nφ＝（1＋sinφ）／（1－sinφ）。

當(dāng)巖體內(nèi)某一點(diǎn)應(yīng)力滿足fs＜0時(shí)，發(fā)生剪切破壞；當(dāng)滿足ft＞0時(shí)，發(fā)生拉伸破壞。

1.3 爆破荷載處理及邊界條件

圖2（a）為測振儀B采集左洞第1次爆破時(shí)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度原始波形，包含兩部分：豎向質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)波形（黃色），橫向質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)波形（綠色）。同樣，圖2（b）為測振儀A在左洞爆破結(jié)束后右洞第1次爆破時(shí)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度波形，右洞爆破開挖滯后于左洞。記錄了左、右洞交叉爆破共計(jì)6次，只列出前2次爆破時(shí)測振儀采集的數(shù)據(jù)。

圖2 實(shí)測波形Fig.2 The original waveforms

由于爆破振動(dòng)信號(hào)頻率較高，為有效模擬爆破振動(dòng)下隧道圍巖穩(wěn)定性，采用SeismoSignal軟件進(jìn)行濾波及基線校正處理，濾波頻率為20Hz，振動(dòng)持續(xù)時(shí)間為1.2s。將圖2中前2次爆破振動(dòng)波形進(jìn)行處理，圖3（a）為左洞第1次爆破作用時(shí)豎向、橫向質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度時(shí)程曲線，最大豎向、橫向振動(dòng)速度分別為vn，m＝27mm／s，vp，m＝25mm／s。同樣，圖3（b）為右洞第1次爆破時(shí)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度時(shí)程曲線，vn，m＝33mm／s，vp，m＝31mm／s。

圖3 質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度Fig.3 Particle vibration velocities

左洞和右洞各采集質(zhì)點(diǎn)爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)3次，共計(jì)6次，其中后4次爆破波形處理同上。根據(jù)實(shí)際爆破振動(dòng)情況，隧道在各次爆破1.2s后振動(dòng)基本消除。為使計(jì)算結(jié)果快速收斂，采用連續(xù)加載方式，左洞加載1、3、5時(shí)間分別為0≤t＜1.2s、2.4s≤t＜3.6s、4.8s≤t＜6.0s，右洞加載2、4、6時(shí)間分別為1.2s≤t＜2.4s、3.6s≤t＜4.8s、6.0s≤t≤7.2s。表1為6次爆破加載波形參數(shù)，Q 為總藥量，L為爆心距，q為單段最大藥量，vn，m、vp，m為最大豎向、橫向質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table1 The experimental data

采用應(yīng)力時(shí)程方式加載，將質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度時(shí)程曲線轉(zhuǎn)化成應(yīng)力時(shí)程曲線［16－18］

式中：σn為正應(yīng)力，σs為剪應(yīng)力，ρ為密度，cP為介質(zhì)的P波波速為介質(zhì)的S波波速為豎向質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度，vp為橫向質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度。

由于測振儀所采集數(shù)據(jù)為隧道內(nèi)某個(gè)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)特性，不能簡單作為面荷載進(jìn)行外部加載，同時(shí)為更好反映測振儀所在位置的圍巖位移響應(yīng)特性，就所在隧道內(nèi)爆破作業(yè)，將對應(yīng)測振儀采集并經(jīng)濾波處理的豎向和橫向波形加載在所在隧道內(nèi)壁圍巖上，構(gòu)成3維動(dòng)力加載模型。其中，將豎向振動(dòng)應(yīng)力時(shí)程曲線沿隧道走向內(nèi)壁法向入射，橫向質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)應(yīng)力時(shí)程曲線沿隧道內(nèi)壁走向入射，采用爆破所在隧道全長動(dòng)力加載方式模擬測振儀所在位置位移響應(yīng)特性。模擬監(jiān)測點(diǎn)a、b可選取模型任意斷面，因?yàn)楸扑谒淼纼?nèi)各斷面質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)加載波形相同，內(nèi)部動(dòng)力加載模型外邊界采用動(dòng)力分析下的靜態(tài)邊界即可滿足模擬要求；動(dòng)力分析采用局部阻尼，局部阻尼因數(shù)取0.157 1。

2 模擬結(jié)果分析

模擬過程分2步進(jìn)行：第1步，隧道初期支護(hù)完成下的靜力分析；第2步，模擬6次小凈距隧道交叉爆破應(yīng)力作用下圍巖位移穩(wěn)定性分析。

2.1 靜力分析

爆破開挖后噴射混凝土C30進(jìn)行初期支護(hù)，厚度為6cm，初始地應(yīng)力下小凈距隧道靜力平衡見圖4。由圖可知，隧道周邊圍巖測點(diǎn)所受最大、最小主應(yīng)力，根據(jù)式（1）可知，隧道靜力平衡下未發(fā)生剪切及拉伸破壞，隧道處于靜力穩(wěn)定狀態(tài)；靜力作用下，隧道監(jiān)測點(diǎn)豎向最大位移發(fā)生在隧道頂點(diǎn)處，最大值為1.2cm。

圖4 靜力主應(yīng)力云圖Fig.4 Principal stresses under static condition

2.2 多次爆破作用下的隧道動(dòng)力分析

監(jiān)測儀A、B采集的數(shù)據(jù)為質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度時(shí)程曲線，將經(jīng)濾波及校正后的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)應(yīng)力時(shí)程曲線加載到隧道洞壁上，并對應(yīng)爆破開挖所在隧道進(jìn)行加載，即沿隧道洞壁法向入射豎向質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)波形，沿隧道壁走向入射橫向質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)波形。著重探討在左、右洞爆破循環(huán)加載下的小凈距隧道間柱的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。圖5為多次爆破荷載作用下間柱監(jiān)測點(diǎn)a、b豎向和橫向位移圖。

圖5 間柱監(jiān)測點(diǎn)位移Fig.5 Displacements of monitoring points

圖6 監(jiān)測點(diǎn)位移時(shí)程曲線Fig.6 The displacement－time curves of monitoring points

由圖5，得到間柱監(jiān)測點(diǎn)a、b多次爆破結(jié)束后的位移時(shí)程曲線，見圖6。由圖6可知，小凈距隧道間柱監(jiān)測點(diǎn)a、b在左、右洞各3次交叉爆破結(jié)束后的豎向終止位移基本一致，dn≈0.7mm；監(jiān)測點(diǎn)b豎向位移曲線波動(dòng)較大，差異在于左、右洞交叉爆破先后順序，即當(dāng)左洞爆破掘進(jìn)時(shí)，對應(yīng)監(jiān)測點(diǎn)豎向位移較大，對另側(cè)隧道影響較?。婚g柱測點(diǎn)a、b的橫向位移大于豎向位移，同時(shí)波動(dòng)幅度較大，可知隨著爆破掘進(jìn)開挖的持續(xù)進(jìn)行，間柱最有可能發(fā)生剪切破壞而非擠壓破壞，在施工中應(yīng)重點(diǎn)對間柱進(jìn)行必要支護(hù)，在隧道開挖圍巖穩(wěn)定情況下，可通過在間柱上部打錨桿進(jìn)行預(yù)應(yīng)力加固?？傮w變化趨勢是，隨著測點(diǎn)距爆源距離加大，作用于測點(diǎn)處巖體的應(yīng)力波強(qiáng)度減小，小凈距隧道間柱位移最終趨于穩(wěn)定。

圖7 聲波測試孔Fig.7 Acoustic wave measurers

3 多次爆破作用下巖體聲波傳播現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)

為了更好分析爆破對小凈距隧道間柱的振動(dòng)影響，進(jìn)行巖體聲波現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，左洞開挖在右洞前，以右洞間柱一側(cè)為基礎(chǔ)，兩側(cè)對稱布置測試孔，孔深3m，孔距2m，聲波測孔布置見圖7。實(shí)際各洞爆破前進(jìn)約2.5m，每次爆破前后進(jìn)行聲波測試。左、右洞交叉爆破下巖石聲速隨聲波測孔位置的變化曲線見圖8。

圖8 巖石聲速隨位置變化曲線Fig.8 Acoustic wave velocities of rock in different positions

由圖8可知，左、右洞交叉爆破后的巖石聲速比爆前低；爆破地震波對爆破區(qū)域的巖體產(chǎn)生了擾動(dòng)，使其結(jié)構(gòu)、整體性及裂隙方向和裂隙長度、寬度發(fā)生了變化，導(dǎo)致了巖石聲速的降低，總體趨勢是巖石聲速隨著測點(diǎn)的深度減小而降低。隨著爆破掘進(jìn)的進(jìn)行，爆區(qū)離聲波探測孔距離逐漸變大，巖石損傷度逐漸減小，第4次爆破后減小幅度明顯降低，表明爆破對間柱影響長度為8～10m；同時(shí)，各次爆破對所在隧道間柱一側(cè)的影響大于間柱另一側(cè)，這與計(jì)算機(jī)爆破模擬結(jié)果大致相同。

4 結(jié) 論

在排除交叉爆破順序作用的影響下，小凈距隧道各主要監(jiān)測點(diǎn)位移時(shí)程曲線以間柱為對稱面呈現(xiàn)一定的對稱性，即左洞爆破時(shí)，間柱右洞一側(cè)產(chǎn)生位移變動(dòng)較小，在隨后的右洞爆破時(shí)，發(fā)生一定回彈，同時(shí)左洞已產(chǎn)生的位移變化也有所回彈；在間柱范圍內(nèi)，橫向位移大于豎向位移且波動(dòng)較大，因此爆破施工中應(yīng)注意觀測；將計(jì)算機(jī)模擬爆破振動(dòng)影響下小凈距隧道圍巖位移響應(yīng)規(guī)律同實(shí)測爆破巖體超聲波監(jiān)測實(shí)驗(yàn)結(jié)合，通過對比較好地驗(yàn)證了計(jì)算機(jī)模擬的可靠性，并較好地分析了爆破荷載下小凈距隧道圍巖位移響應(yīng)規(guī)律及巖體疲勞損傷等特點(diǎn)，有很強(qiáng)的實(shí)用性，并且為爆破開挖地下硐室工程提供一種符合工程實(shí)際需要的模擬手段。

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