硐室爆破對(duì)邊坡坡面震動(dòng)的數(shù)值分析

張亞明

(武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，武漢 430070)

隧道硐室爆破在提高隧道挖掘效率的同時(shí)，爆破震動(dòng)很可能使山坡體變得不穩(wěn)定，甚至誘發(fā)滑坡等地質(zhì)災(zāi)害給附近居民的生命財(cái)產(chǎn)帶來(lái)潛在的安全隱患。硐室爆破具有單次炸藥量較多，爆破震動(dòng)較劇烈，并且對(duì)山體和房屋等建筑物破壞較大等特點(diǎn)，故研究硐室爆破對(duì)臨近邊坡的坡面震動(dòng)影響很有必要。目前對(duì)于爆破震動(dòng)的研究更多的是以露天爆破為主，而硐室爆破的研究方向主要在于對(duì)地表振動(dòng)、地面沉降以及巷道支護(hù)變形方面，對(duì)于硐室爆破對(duì)臨近邊坡震動(dòng)影響的研究較少[1,2]。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展應(yīng)用,采用有限元法、有限差分等數(shù)值模擬軟件研究爆破震動(dòng)效應(yīng)越來(lái)越廣泛[2]。目前有關(guān)爆破震動(dòng)與邊坡方面的數(shù)值計(jì)算大多是模擬露天爆破對(duì)邊坡的動(dòng)力響應(yīng)，對(duì)于硐室爆破在臨近邊坡處的質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)問(wèn)題研究較少[3]。

此工程以湖北巴東某鐵礦隧道硐室爆破施工為依托，建立硐室爆破震動(dòng)模型，采用有限差分軟件FLAC3D對(duì)硐室爆破引起的臨近邊坡震動(dòng)進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)將數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，研究硐室爆破地震波傳播規(guī)律，得到硐室爆破下邊坡上最大質(zhì)點(diǎn)震速以及對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。

1 工程概況及爆破方案

所研究的礦區(qū)位于鄂西南高中三峽谷區(qū)，屬構(gòu)造侵蝕高中山地貌，地形切割較強(qiáng)烈，多發(fā)育“V”型溝谷，溪溝水系較發(fā)育。區(qū)內(nèi)地勢(shì)總體為西南高北東低，山體海拔標(biāo)高一般為1 700～1 850 m。礦床內(nèi)按目前所揭露的巖(土)體巖性及其堅(jiān)硬程度分為四類，從上至下依次為:松散土(巖)類、軟弱巖類，半堅(jiān)硬巖類及堅(jiān)硬巖類。隧道斷面呈馬蹄形，開(kāi)挖凈高3.2 m，最寬3.2 m，圍巖為堅(jiān)硬巖類，巖石等級(jí)為Ⅱ級(jí)。

此工程爆破方案為:爆破作業(yè)為平硐掘進(jìn)，采用分段爆破。根據(jù)工程實(shí)情和類似工程經(jīng)驗(yàn)該礦山巷道掘進(jìn)面爆破采用全斷面施工，一次成形。井巷掘進(jìn)為鉆眼爆破，掏槽方式為楔形掏槽，炮眼直徑為φ=40 mm，斷面炮眼深為1.8～2 m；現(xiàn)場(chǎng)使用的是2號(hào)巖石乳化炸藥，裝藥系數(shù)為0.45～0.6，根據(jù)該礦石特性、斷面情況和類似礦山開(kāi)采經(jīng)驗(yàn)，此工程炸藥單耗確定為:1.31 kg/m3。

2 計(jì)算模型和參數(shù)

2.1 模型的建立

為方便爆破荷載模型的建立，將巷道斷面簡(jiǎn)化成半徑為2 m圓形，由于邊坡模型較復(fù)雜，使用FLAC3D內(nèi)置的建模命令建模較困難，故先通過(guò)ansys進(jìn)行邊坡模型的建立，巖層分組完成后再將模型導(dǎo)入FLAC3D中。簡(jiǎn)化模型如圖1所示，巖體力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 巖體參數(shù)

巖層密度/(kg·m-3)動(dòng)彈性模量/GPa泊松比粘聚力/kPa內(nèi)摩擦角/°松散土(巖)190020．232535軟弱巖類2300100．253540半堅(jiān)硬巖類2500380．286050堅(jiān)硬巖類2700500．297060

2.2 邊界條件及阻尼設(shè)置

在處理動(dòng)力問(wèn)題時(shí)，往往需要通過(guò)設(shè)置阻尼使模型在動(dòng)力荷載作用下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律符合現(xiàn)實(shí)情況。這是因?yàn)槿绻Ｐ统叽巛^小，在動(dòng)力荷載作用下模型邊界會(huì)產(chǎn)生波的反射，這種反射波將影響計(jì)算結(jié)果的可靠性?？紤]到計(jì)算模型僅選取了隧道掘進(jìn)方向的一段邊坡，故在模型的前后側(cè)，右側(cè)和底部均設(shè)置了靜態(tài)邊界。

目前FLAC3D動(dòng)力計(jì)算提供的阻尼形式主要有三種，分別是瑞利阻尼、局部阻尼和滯后阻尼；其中以瑞利阻尼應(yīng)用較多，此工程模擬也是采用瑞利阻尼。在數(shù)值計(jì)算中確定瑞利阻尼的參數(shù)，一般是通過(guò)試算結(jié)果并和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料比較得到的。根據(jù)試算，對(duì)于巖土材料而言，臨界阻尼比的范圍一般是2%～5%，此次數(shù)值模擬臨界阻尼比取0.02，最小中心頻率取2.0。

2.3 爆破荷載的確定

炸藥的爆炸反應(yīng)是一個(gè)瞬態(tài)過(guò)程并產(chǎn)生大量高溫高壓氣體迅速膨脹并以極高的壓力作用于爆孔壁，確定爆破動(dòng)力荷載也一直是研究的一大難點(diǎn)。目前爆破荷載的確定往往都是帶有經(jīng)驗(yàn)性的公式，主要有將爆破荷載簡(jiǎn)化成三角形荷載和級(jí)數(shù)形式[4]。簡(jiǎn)化的三角形荷載適用于集中爆破，而用于分段爆破會(huì)造成很大的誤差，并且峰值壓力和爆破時(shí)間的確定也比較困難。

為了準(zhǔn)確反映硐室爆破下邊坡和巷道的震動(dòng)情況，采用硐室爆破中掌子面附近巷道內(nèi)的實(shí)測(cè)震速時(shí)程作為數(shù)值計(jì)算的輸入時(shí)程[1]，峰值震速138 cm/s，再將震速按式(1)轉(zhuǎn)化成震動(dòng)荷載加載于隧道四周，數(shù)值模擬時(shí)硐室爆破荷載的峰值荷載為σmax=13.41 MPa。

σ=ρcpv

(1)

式中,σ為爆破荷載，Pa；ρ為巖土體密度，kg/m3；cp為縱坡(p波)波速，m/s，此工程硐室?guī)r體取3 600 m/s；v為震動(dòng)速度，m/s。

2.4 本構(gòu)模型的確定

FLAC3D5.0中共提供了15種力學(xué)本構(gòu)模型，包括1個(gè)空模型組、3個(gè)彈性模型組和11個(gè)塑性模型組，此外，在動(dòng)力分析模式下，還提供了兩種可考慮材料孔壓的本構(gòu)模型。此工程選用摩爾-庫(kù)倫模型，這種模型適用于土體、巖石和混凝土等材料。

2.5 測(cè)點(diǎn)的布置

為了研究硐室爆破下鄰近邊坡坡面的振動(dòng)情況，分別在順著邊坡向上和沿著邊坡走向進(jìn)行布點(diǎn)，其中沿著邊坡走向的05號(hào)測(cè)點(diǎn)距離邊坡底部39.4 m，其余測(cè)點(diǎn)分布于05號(hào)測(cè)點(diǎn)兩側(cè)，間距為5 m，如圖2(a)所示；順著邊坡向上測(cè)點(diǎn)位于爆破點(diǎn)的剖面上，如圖2(b)所示。

3 計(jì)算結(jié)果和數(shù)據(jù)分析

3.1 邊坡質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度數(shù)據(jù)分析

由表2可知，在沿著邊坡走向的測(cè)點(diǎn)中，最大震速出現(xiàn)在05號(hào)測(cè)點(diǎn)，為0.855 cm/s，05號(hào)測(cè)點(diǎn)兩側(cè)的測(cè)點(diǎn)震速相應(yīng)減小，反映了質(zhì)點(diǎn)振速峰值隨爆心距的增大不斷衰減的規(guī)律且X方向震速均大于Z方向震速。

在沿著邊坡向上的測(cè)點(diǎn)中，最大振速出現(xiàn)在坡面最上端的#5測(cè)點(diǎn)，Z方向振速0.969 cm/s，Z方向震速大于X方向震速；質(zhì)點(diǎn)峰值震速明顯大于坡面其他測(cè)點(diǎn)振速，出現(xiàn)高程放大效應(yīng)[5,6]。

表2 測(cè)點(diǎn)震速數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

3.2 邊坡穩(wěn)定性定性分析

邊坡坡面質(zhì)點(diǎn)最大振速出現(xiàn)在坡面最上端的#5測(cè)點(diǎn)，為Z方向振速0.969 cm/s。現(xiàn)行的爆破安全規(guī)程(GB6722—2014)[7]采用峰值震速和頻率雙參數(shù)作為安全判據(jù)。對(duì)于永久性巖石邊坡，當(dāng)f≤10 Hz，V為5～9；10 Hz50 Hz，V為10～15。其中f為頻率，Hz，V為規(guī)范允許的質(zhì)點(diǎn)震速，cm/s。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，硐室爆破邊坡震動(dòng)主頻主要集中在30～90 Hz，安全允許震速V為大于8 cm/s，遠(yuǎn)大于0.969 cm/s，故硐室爆破下邊坡是處于安全穩(wěn)定狀態(tài)。

3.3 邊坡穩(wěn)定性定量分析

采用擬靜力法和簡(jiǎn)化Bishop對(duì)硐室爆破下邊坡穩(wěn)定性影響進(jìn)行定量分析。采用FLAC3D中內(nèi)置的強(qiáng)度折減法確定邊坡危險(xiǎn)滑移面，滑塊面經(jīng)條分后采用簡(jiǎn)化Bishop法計(jì)算，得到未進(jìn)行硐室爆破時(shí)邊坡的初始安全系數(shù)為1.528。

擬靜力法是將爆破振動(dòng)荷載轉(zhuǎn)化為水平向外(指向邊坡臨空面)和豎直向下的靜荷載來(lái)計(jì)算。

Q=keW

(2)

ke=BK

(3)

其中,Q為硐室爆破作用于滑塊體的擬靜力荷載，kN；ke為擬靜力系數(shù)；W為滑塊重量，kN；B為爆破動(dòng)力折減系數(shù)；K為振動(dòng)系數(shù)。

爆破動(dòng)力折減系數(shù)B通常在0.1～0.2范圍內(nèi)取值，具體分析時(shí)綜合考慮巖體強(qiáng)度、質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度及工程重要性級(jí)別等，考慮到該硐室爆破采用的微差爆破，爆破規(guī)模較小，總藥量較小，故此工程硐室爆破的動(dòng)力折減系數(shù)取0.1。振動(dòng)系數(shù)K是爆破荷載下巖土體質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)加速度與重力加速度g的比值。由于邊坡坡面質(zhì)點(diǎn)最大振速出現(xiàn)在坡面最上端的#5測(cè)點(diǎn)，故通過(guò)#5測(cè)點(diǎn)的加速度時(shí)程來(lái)確定質(zhì)點(diǎn)加速度。水平向加速度取a=1.95 m/s，垂直向加速度取a=2.66 m/s，故水平向和垂直向擬靜力系數(shù)分別為0.020和0.027。通過(guò)式(3)得到各條塊的慣性力后，即可使用簡(jiǎn)化Bishop法得到硐室爆破荷載下邊坡的安全系數(shù)為1.475，相比未進(jìn)行硐室爆破時(shí)，邊坡安全系數(shù)減小約3.47%。安全系數(shù)減小不大，邊坡整體呈穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié) 論

a.邊坡坡面峰值震速隨爆心距的增大不斷衰減，但坡頂峰值震速較坡面質(zhì)點(diǎn)峰值明顯增大；坡面震動(dòng)峰值以X方向?yàn)橹?，而坡頂水平面質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)峰值以Z方向?yàn)橹鳌Ｓ捎诟叱绦?yīng)的影響，坡頂峰值較大，因此硐室爆破對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響要以垂直向?yàn)榭刂品较颉?/p>

b.通過(guò)計(jì)算得到邊坡的質(zhì)點(diǎn)峰值震速，結(jié)合現(xiàn)行的爆破安全規(guī)范對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行定性評(píng)價(jià)；利用FLAC3D計(jì)算質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)加速度時(shí)程，采用擬靜力法和簡(jiǎn)化Bishop法得到硐室爆破后邊坡安全系數(shù)為1.475，相比未進(jìn)行硐室爆破時(shí)，邊坡安全系數(shù)減小約3.47%。安全系數(shù)減小不大，邊坡呈整體穩(wěn)定狀態(tài)。因此對(duì)硐室爆破下的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行定性和定量評(píng)價(jià)是有效的，對(duì)于評(píng)價(jià)與優(yōu)化硐室爆破施工方案能夠提供有效參考。

[1] 曹孝君.淺埋隧道掘進(jìn)爆破地表震動(dòng)效應(yīng)數(shù)值模擬[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，41(6):680-684.

[2] 王 舉.隧道洞中爆破振動(dòng)對(duì)地表影響的數(shù)值分析[J].土工基礎(chǔ)，2017，31(4):443-448.

[3] 陳振中.巖質(zhì)高邊坡爆破動(dòng)力反應(yīng)規(guī)律及穩(wěn)定性研究[D].武漢:武漢理工大學(xué)，2009.

[4] 陳占軍.爆破荷載作用下巖石邊坡動(dòng)態(tài)響應(yīng)的 FLAC3D模擬研究[J].爆破，2005，22(4):8-13.

[5] 郭學(xué)彬.爆破振動(dòng)作用的坡面效應(yīng)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2001，20(1):83-87.

[6] 徐 穎，孟益平，吳德義.爆破工程[M].武漢:武漢大學(xué)出版社，2014.

[7] 中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB6722—2014 爆破安全規(guī)程[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2014.