淺析隧道鉆爆施工中爆破深度對圍巖影響

李志堂

摘要：利用Midas/GTS，對模型進行動力分析，通過對比不同爆破深度圍巖的應(yīng)力及位移計算結(jié)果，初步探討不同爆破深度對圍巖的影響。模擬計算結(jié)果表明，當爆破深度較小時，爆破時圍巖受力及位移較為均勻；而爆破深度較大時，圍巖受力及位移則集中于隧道輪廓兩側(cè)拱腰處。模擬結(jié)果對隧道鉆爆開挖施工中超欠挖控制具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：隧道；鉆爆施工；爆破；動力分析；數(shù)值模擬

1 引言

為加快施工進度，在隧道鉆爆開挖施工中，通常做法是加深炮眼，加大每循環(huán)炸藥用量，從而增大每循環(huán)開挖的進尺，提高鉆爆開挖效率。這使圍巖受擾動增大，對圍巖造成嚴重損傷，破壞圍巖穩(wěn)定性，直接導(dǎo)致隧道過度超挖，甚至坍塌。隧道超挖會增加處理成本。而圍巖受損則會對隧道后續(xù)施工及后期運營造成安全隱患。本文嘗試利用Midas/GTS軟件，建立三維地質(zhì)模型，并對模型進行動力分析，進而初步探討不同爆破深度對圍巖的影響。

2 建立模型及爆破荷載分析

建立模型的基本過程：（1）選定巖土體本構(gòu)模型：選用摩爾庫倫準則；（2）地質(zhì)模型特征值分析，確定固定周期；（3）確定邊界條件：選用粘性邊界；（4）根據(jù)相關(guān)材料物理力學參數(shù)及爆破參數(shù)，計算出等效爆破荷載時程函數(shù)，并加載于隧道開挖輪廓面上，以模擬隧道開挖周邊眼爆破所產(chǎn)生的荷載。

2.1 建立模型

根據(jù)某隧道的工程地質(zhì)條件，建立三維地質(zhì)模型，其尺寸為60m×30m×80m，見圖1。

2.2 模型特征值分析

通過特征值分析，得到結(jié)構(gòu)的主要動力特性包括：振型、自振周期（自振頻率）、振型參與系數(shù)等。振型是結(jié)構(gòu)進行自由振動（或變形）時的固有形狀。振型變化所需的能量（或力）由小到大排列，分別為第一階振型（基本振型），第二階振型，第n階振型。自振周期是與振型對應(yīng)的物體固有的性質(zhì)，它表示結(jié)構(gòu)在自由振動狀態(tài)下，按該振型形狀振動1次所需的時間[1]。

為了進行特征值分析，這里通過彈性邊界來定義支座的邊界條件，利用曲面彈簧定義彈性邊界，彈簧系數(shù)根據(jù)道路設(shè)計規(guī)范的地基反力系數(shù)計算

在數(shù)值模擬動力分析中，建立一般的邊界條件會由于波的反射作用而產(chǎn)生很大的誤差。為了減少模型邊界對波的發(fā)射，Midas/GTS采用1972年Lysmer和Wass提議的粘性邊界[1][2]。

（2）

式（1）、（2）中，CP、CS——分別為P波、S波阻尼；

cP、cS——分別為P波、S波在巖體中傳播波速，分別取4700m/s、3100m/s；

ρ——巖體密度，kg/m3；

2.4 爆破荷載分析

對于一般的爆破彈性分析爆破壓力都是作用在孔壁的垂直方向上。本次模擬炸藥采用2號巖石硝銨炸藥，不藕合間斷裝藥結(jié)構(gòu)，爆孔φ48mm，炸藥直徑φ25mm。通過計算出單段爆壓峰值、單孔爆孔孔壁壓力峰值、單孔不禍合間隔裝藥孔壁壓力峰值及傳遞至隧道開挖巖壁的爆破荷載壓力峰值，并結(jié)合時間滯后函數(shù)，最終得出炸藥爆炸后作用在隧道壁面處的爆破荷載時程函數(shù)[3]：

（3）

式（3）中， ——傳遞至隧道開挖巖壁的爆破荷載壓力峰值，kN；

t——爆破荷載脈沖時間，s。

3 模擬計算及結(jié)果分析

為了探討不同爆破深度對圍巖的影響，試驗進行了兩個工況模擬計算，分別模擬了爆破深度2.5m和4.5m。

通過模擬計算，得到了不同爆破深度爆破時圍巖的位移情況。圖2表明：（1）爆破深度為2.5m時，圍巖位移較為均勻；而當爆破深度為4.5m時，圍巖位移則集中于隧道輪廓兩側(cè)拱腰處；（2）當爆破深度為2.5m時，圍巖最大超挖值可能性主要位于拱頂，且隧道開挖輪廓面較為平整；而當爆破深度為4.5m時，圍巖最大超挖值可能性主要位于拱腰，且隧道開挖輪廓面凹凸不平；（3）開挖一循環(huán)，爆破深度為4.5m的最大超挖值約為爆破深度為2.5m最大超挖值的2倍；一次爆破掘進4.5m的超挖面積也比一次爆破掘進2.5m的超挖面積大。

4 結(jié)論

本文利用Midas/GTS軟件，建立三維地質(zhì)模型，并對模型進行動力分析，通過對比不同爆破深度圍巖的應(yīng)力及位移計算結(jié)果，初步探討不同爆破深度對圍巖的影響，得出以下結(jié)論：

（1）當爆破深度較淺時，爆破時圍巖受力及位移較為均勻；而爆破深度較大時，圍巖受力及位移則集中于隧道輪廓兩側(cè)拱腰處。

（2）當爆破深度較小時，圍巖最大超挖值可能性主要位于拱頂，且隧道開挖輪廓面較為平整；而爆破深度較大時，圍巖最大超挖值可能性主要位于拱腰，且隧道開挖輪廓面凹凸不平。

（3）當巖體工程地質(zhì)條件較好，為了加快施工進度而加大爆破開挖深度時，應(yīng)注意控制隧道開挖輪廓兩側(cè)拱腰處周邊眼的裝藥量，以降低爆破對圍巖的損傷及減少圍巖的超挖量。

李志堂

摘要：利用Midas/GTS，對模型進行動力分析，通過對比不同爆破深度圍巖的應(yīng)力及位移計算結(jié)果，初步探討不同爆破深度對圍巖的影響。模擬計算結(jié)果表明，當爆破深度較小時，爆破時圍巖受力及位移較為均勻；而爆破深度較大時，圍巖受力及位移則集中于隧道輪廓兩側(cè)拱腰處。模擬結(jié)果對隧道鉆爆開挖施工中超欠挖控制具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：隧道；鉆爆施工；爆破；動力分析；數(shù)值模擬

1 引言

為加快施工進度，在隧道鉆爆開挖施工中，通常做法是加深炮眼，加大每循環(huán)炸藥用量，從而增大每循環(huán)開挖的進尺，提高鉆爆開挖效率。這使圍巖受擾動增大，對圍巖造成嚴重損傷，破壞圍巖穩(wěn)定性，直接導(dǎo)致隧道過度超挖，甚至坍塌。隧道超挖會增加處理成本。而圍巖受損則會對隧道后續(xù)施工及后期運營造成安全隱患。本文嘗試利用Midas/GTS軟件，建立三維地質(zhì)模型，并對模型進行動力分析，進而初步探討不同爆破深度對圍巖的影響。

2 建立模型及爆破荷載分析

建立模型的基本過程：（1）選定巖土體本構(gòu)模型：選用摩爾庫倫準則；（2）地質(zhì)模型特征值分析，確定固定周期；（3）確定邊界條件：選用粘性邊界；（4）根據(jù)相關(guān)材料物理力學參數(shù)及爆破參數(shù)，計算出等效爆破荷載時程函數(shù)，并加載于隧道開挖輪廓面上，以模擬隧道開挖周邊眼爆破所產(chǎn)生的荷載。

2.1 建立模型

根據(jù)某隧道的工程地質(zhì)條件，建立三維地質(zhì)模型，其尺寸為60m×30m×80m，見圖1。

2.2 模型特征值分析

通過特征值分析，得到結(jié)構(gòu)的主要動力特性包括：振型、自振周期（自振頻率）、振型參與系數(shù)等。振型是結(jié)構(gòu)進行自由振動（或變形）時的固有形狀。振型變化所需的能量（或力）由小到大排列，分別為第一階振型（基本振型），第二階振型，第n階振型。自振周期是與振型對應(yīng)的物體固有的性質(zhì)，它表示結(jié)構(gòu)在自由振動狀態(tài)下，按該振型形狀振動1次所需的時間[1]。

為了進行特征值分析，這里通過彈性邊界來定義支座的邊界條件，利用曲面彈簧定義彈性邊界，彈簧系數(shù)根據(jù)道路設(shè)計規(guī)范的地基反力系數(shù)計算，見表2。

2.3 設(shè)定模型邊界

在數(shù)值模擬動力分析中，建立一般的邊界條件會由于波的反射作用而產(chǎn)生很大的誤差。為了減少模型邊界對波的發(fā)射，Midas/GTS采用1972年Lysmer和Wass提議的粘性邊界[1][2]。

式（1）、（2）中，CP、CS——分別為P波、S波阻尼；

cP、cS——分別為P波、S波在巖體中傳播波速，分別取4700m/s、3100m/s；

ρ——巖體密度，kg/m3；

2.4 爆破荷載分析

對于一般的爆破彈性分析爆破壓力都是作用在孔壁的垂直方向上。本次模擬炸藥采用2號巖石硝銨炸藥，不藕合間斷裝藥結(jié)構(gòu)，爆孔φ48mm，炸藥直徑φ25mm。通過計算出單段爆壓峰值、單孔爆孔孔壁壓力峰值、單孔不禍合間隔裝藥孔壁壓力峰值及傳遞至隧道開挖巖壁的爆破荷載壓力峰值，并結(jié)合時間滯后函數(shù)，最終得出炸藥爆炸后作用在隧道壁面處的爆破荷載時程函數(shù)[3]：

式（3）中， ——傳遞至隧道開挖巖壁的爆破荷載壓力峰值，kN；

t——爆破荷載脈沖時間，s。

3 模擬計算及結(jié)果分析

為了探討不同爆破深度對圍巖的影響，試驗進行了兩個工況模擬計算，分別模擬了爆破深度2.5m和4.5m。

通過模擬計算，得到了不同爆破深度爆破時圍巖的位移情況。圖2表明：（1）爆破深度為2.5m時，圍巖位移較為均勻；而當爆破深度為4.5m時，圍巖位移則集中于隧道輪廓兩側(cè)拱腰處；（2）當爆破深度為2.5m時，圍巖最大超挖值可能性主要位于拱頂，且隧道開挖輪廓面較為平整；而當爆破深度為4.5m時，圍巖最大超挖值可能性主要位于拱腰，且隧道開挖輪廓面凹凸不平；（3）開挖一循環(huán)，爆破深度為4.5m的最大超挖值約為爆破深度為2.5m最大超挖值的2倍；一次爆破掘進4.5m的超挖面積也比一次爆破掘進2.5m的超挖面積大。

4 結(jié)論

本文利用Midas/GTS軟件，建立三維地質(zhì)模型，并對模型進行動力分析，通過對比不同爆破深度圍巖的應(yīng)力及位移計算結(jié)果，初步探討不同爆破深度對圍巖的影響，得出以下結(jié)論：

（1）當爆破深度較淺時，爆破時圍巖受力及位移較為均勻；而爆破深度較大時，圍巖受力及位移則集中于隧道輪廓兩側(cè)拱腰處。

（2）當爆破深度較小時，圍巖最大超挖值可能性主要位于拱頂，且隧道開挖輪廓面較為平整；而爆破深度較大時，圍巖最大超挖值可能性主要位于拱腰，且隧道開挖輪廓面凹凸不平。

（3）當巖體工程地質(zhì)條件較好，為了加快施工進度而加大爆破開挖深度時，應(yīng)注意控制隧道開挖輪廓兩側(cè)拱腰處周邊眼的裝藥量，以降低爆破對圍巖的損傷及減少圍巖的超挖量。

參考文獻：

[1]北京邁達斯技術(shù)有限公司.MIDAS/GTS用戶手冊[P].北京：北京邁達斯技術(shù)有限公司，2009.

[2]Ravindra Prasad Mathur.A NEW HYBRID METHOD FOR THREE-DIMENSIONAL DYNAMIC SOIL-STRUCTURE INTERACTION[D].ARIZONA：THE UNIVERSITY OF ARIZONA，1989.

[3]黃金旺.近水平紅砂巖隧道鉆爆法施工超欠挖控制技術(shù)研究[D].長沙：中南大學，2005.