爆破對(duì)淺埋偏壓隧道穩(wěn)定性的影響

黃竹純+秦占立

摘要：爆破開(kāi)挖由于其具有高效、快速和低成本等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛運(yùn)用于隧道開(kāi)挖過(guò)程中，但是對(duì)于在圍巖等級(jí)較差的偏壓淺埋隧道進(jìn)行爆破開(kāi)挖時(shí)有可能會(huì)出現(xiàn)邊坡失穩(wěn)的情況。因此了解隧道爆破對(duì)邊坡應(yīng)力和變形的變化規(guī)律具有重要的現(xiàn)實(shí)和指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：隧道；邊坡穩(wěn)定性；毫秒延期爆破

1引言：近年來(lái)，我國(guó)隧道建設(shè)進(jìn)入高峰期，出現(xiàn)大量在建和待建的山嶺隧道工程。目前我國(guó)對(duì)于山嶺隧道工程的開(kāi)挖絕大部分是采用爆破技術(shù)。然而，爆破振動(dòng)會(huì)產(chǎn)生諸如爆炸應(yīng)力波、爆破振動(dòng)、爆破飛石等之類的有害效應(yīng)[1]。特別是在不良地質(zhì)條件下的偏壓陡坡洞口段進(jìn)行爆破開(kāi)挖極有可能會(huì)引發(fā)山體滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害，嚴(yán)重的影響施工的安全。

2 工程概況

XXX隧道出口DK725+980～DK726+090段，長(zhǎng)為110m，出口位于山體斜坡地帶，坡面上陡下緩，洞內(nèi)圍巖等級(jí)為Ⅳ級(jí)，完整性較差，基底為燕山期花崗巖。隧道出口段存在隧道斷面大、隧道埋深淺、偏壓嚴(yán)重、圍巖性質(zhì)差的工程特點(diǎn)，屬于隧道與邊坡相互影響的耦合地質(zhì)體系統(tǒng)。由于出口段斜坡坡面上陡下緩受隧道施工開(kāi)挖爆破的影響，表層黏質(zhì)黃土易沿開(kāi)挖面剪出，引起坡面滑動(dòng)。

3 隧道爆破數(shù)值模擬分析

3.1 計(jì)算模型

根據(jù)XXX隧道出口段的地形、地質(zhì)條件，選取典型的地形建立三維的數(shù)值分析模型。依據(jù)彈性力學(xué)[3]和巖石力學(xué)相關(guān)原理可知：隧道開(kāi)挖對(duì)圍巖應(yīng)力狀態(tài)的影響區(qū)域?yàn)樗淼篱_(kāi)挖輪廓線外3倍洞室寬度。所以模型在水平和仰拱向下的方向各取3倍洞徑的距離為40m。

3.2 爆破參數(shù)及荷載的確定

根據(jù)工程實(shí)際情況炸藥選用常用2號(hào)巖石乳化炸藥。由于不同的爆破參數(shù)對(duì)爆破的結(jié)果影響很大，所以選擇合理的爆破參數(shù)至關(guān)重要。文章結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況和前人的研究結(jié)果依據(jù)爆破應(yīng)力波疊加的原則[4]和薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式[5]計(jì)算出爆破時(shí)微差間隔時(shí)間和最大段爆破裝藥量，并在此基礎(chǔ)上確定相關(guān)參數(shù)如下表所示；起爆順序按照掏槽眼-擴(kuò)槽眼-內(nèi)圈眼-周邊眼/底眼的順序進(jìn)行。

本文在參考美國(guó)公路研究所（National Highway Institute（US）， 1991）建議的公式基礎(chǔ)上，考慮爆破振動(dòng)衰減的退耦公式，最終使用隨時(shí)間作用的動(dòng)壓力公式為 Starfield [5]等建議的公式。

其中，Pdet：爆破荷載；PB：作用在孔壁面上的退耦爆破壓力； Ve：爆破速度；dc：裝藥直徑；dh：裝藥孔直徑；Sge：容重；PD（t）：作用在孔壁上的壓力是隨時(shí)間變化的動(dòng)力荷載；B：荷載系數(shù)，為每 1kg 裝藥量產(chǎn)生的動(dòng)壓力，可取16338；t：時(shí)間。

式中：S 為相鄰兩炮孔間的距離。4計(jì)算結(jié)果及分析

邊坡是否會(huì)沿巖土分界面出現(xiàn)失穩(wěn)的情況關(guān)鍵是分析爆破對(duì)巖土分界面上剪應(yīng)力的影響，所以本文根據(jù)上文所計(jì)算的邊坡在重力條件下剪應(yīng)力分布結(jié)果選取3個(gè)特征點(diǎn)進(jìn)行跟蹤分析。

4.1剪應(yīng)力分布情況

由不同特征點(diǎn)剪應(yīng)力時(shí)程曲線圖可知：由于巖體對(duì)具有應(yīng)力波的衰減作用，所以隨著特征點(diǎn)離爆破邊界的逐漸距離增大，所產(chǎn)生的剪應(yīng)力會(huì)逐漸減小。對(duì)于同一個(gè)特征點(diǎn)，毫秒延期起爆的方式進(jìn)行隧道的開(kāi)挖，在巖土體中產(chǎn)生的剪應(yīng)力會(huì)隨著不同時(shí)段和不同位置的爆破而重復(fù)的出現(xiàn)增強(qiáng)和衰減（如下圖所示），當(dāng)爆破結(jié)束后剪應(yīng)力會(huì)逐漸消失，在擴(kuò)槽眼起爆后巖土體的剪應(yīng)力會(huì)達(dá)到峰值，此時(shí)邊坡的最小安全系數(shù)則為1.524。

結(jié)論：文章基于XXX出口段隧道工程，通過(guò)數(shù)值模擬軟件建立了爆破荷載下隧道邊坡的動(dòng)力響應(yīng)模型分析了爆破荷載對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，得出了如下結(jié)論：

巖體對(duì)具有應(yīng)力波的衰減作用，所以隨著特征點(diǎn)離爆破邊界的逐漸距離增大，所產(chǎn)生的剪應(yīng)力會(huì)逐漸減??；對(duì)于同一特征點(diǎn)在擴(kuò)槽眼起爆后巖土體的剪應(yīng)力最大。

參考文獻(xiàn)

[1]張小強(qiáng). 深孔臺(tái)階爆破振動(dòng)對(duì)巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性影響研究[D].西安科技大學(xué)，2013.

[2]劉美山. 特高陡邊坡開(kāi)挖爆破技術(shù)及其對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響[D].中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2007.

[3]徐芝綸.彈性力學(xué)[ M].北京：高等教育出版社，1982

[4]Anderson D A. Synthetic Delay Versus Frequency Plots for Predicting Ground Analysis and Discrimination [M]. New York： Washington D C，1983

[5] 中國(guó)工程爆破協(xié)會(huì). 爆破安全規(guī)程（GB6722-2011）