深埋隧洞連續(xù)爆破開挖圍巖應(yīng)力演化規(guī)律

，， ，

(南昌大學(xué) 建筑工程學(xué)院，南昌 330031)

1 研究背景

目前關(guān)于水利、交通隧道的研究大多停留在淺層隧洞的靜力開挖。隨著水利、交通隧洞逐漸往深部發(fā)展，深埋隧道的開挖方法逐漸采用鉆爆法。然而，在近年來的實際工程研究中發(fā)現(xiàn)深埋巖體許多力學(xué)特性與傳統(tǒng)巖石靜力學(xué)或動力學(xué)頗具不同，所以已有的研究成果較難以適用在深埋隧洞爆破開挖工程當(dāng)中。

實際上，深埋巖體處于三向受壓狀態(tài)，當(dāng)隧洞處于深度1 000 m以下時，隧洞開挖時巖石在遭受爆炸荷載、機(jī)械開鑿等動荷載作用時，也同時承受來自地應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力等高地應(yīng)力的作用[1]。高地應(yīng)力賦存環(huán)境下深部巖體開挖，在掌子面附近產(chǎn)生新的臨空面，從而改變了巖體的初始賦存環(huán)境，使臨空面上已開挖巖體對保留巖體的約束應(yīng)力產(chǎn)生瞬態(tài)卸荷，同時開挖卸荷產(chǎn)生圍巖應(yīng)力重分布，在兩者耦合作用下導(dǎo)致一部分圍巖處于加載狀態(tài)下，而另一部分處于卸載狀態(tài)下[2-4]。加載可產(chǎn)生圍巖局部應(yīng)力集中，卸載可能在圍巖中產(chǎn)生拉應(yīng)力，從而使巖體中裂隙逐漸擴(kuò)展、貫通造成開挖掌子面附近巖體賦存環(huán)境及物理力學(xué)特性劣化，待開挖完成后最終在圍巖中形成新的應(yīng)力場[5]。因此如何把握高地應(yīng)力環(huán)境對深埋洞室開挖工程中圍巖的穩(wěn)定性影響對隧洞工程提前支護(hù)方案的設(shè)計和優(yōu)化具有十分重要的意義。

目前關(guān)于巖石動靜荷載耦合作用國內(nèi)外做了一定研究，如Cai等[6]、Grady和Kipp[7]根據(jù)開挖后隧道圍巖應(yīng)力重分布的主應(yīng)力的大小，提出了巖體脆性裂紋開裂損傷的應(yīng)力閾值；Martin等[8]提出了開挖損壞區(qū)域基于Hoek-Brown屈服準(zhǔn)則的半經(jīng)驗、半理論估算公式；李夕兵等[9]研究發(fā)現(xiàn)深部硬巖隧洞在應(yīng)力重分布作用下?lián)p傷以壓剪型破壞為主,在動靜組合荷載作用下巖石表現(xiàn)出拉伸損傷破壞。國內(nèi)外很多學(xué)者對于高地應(yīng)力賦存環(huán)境下的隧洞爆破開挖巖體裂隙擴(kuò)展和爆破損傷機(jī)制進(jìn)行了大量細(xì)致的研究，成果表明：深埋洞室爆破開挖產(chǎn)生的圍巖損傷破壞是炸藥爆炸的動態(tài)荷載和巖體開挖卸荷導(dǎo)致的圍巖地應(yīng)力重分布的準(zhǔn)靜態(tài)荷載耦合作用的結(jié)果。高地應(yīng)力的存在改變了由爆轟產(chǎn)生裂隙的起裂方向和擴(kuò)展長度，影響了爆炸轟力波、地震波的傳播特性[10-11]。

以往研究主要是針對淺埋爆炸荷載或巖體開挖卸荷進(jìn)行洞室開挖圍巖應(yīng)力研究。有關(guān)高地應(yīng)力對巖體爆破應(yīng)力場的影響，以及爆破荷載與巖體開挖卸荷引起地應(yīng)力重分布相互作用下的連續(xù)爆破推進(jìn)圍巖應(yīng)力演化問題研究較少，也缺乏相應(yīng)的深埋洞室爆破開挖安全控制標(biāo)準(zhǔn)。本文針對深埋城門洞形隧洞爆破開挖典型的炮孔布置和毫秒延遲起爆順序，通過建立爆破荷載與地應(yīng)力共同作用下的巖體損傷模型，采用數(shù)值模擬方法分析隨著掌子面推進(jìn)圍巖應(yīng)力演化規(guī)律，為建立合適的深埋洞室爆破安全控制標(biāo)準(zhǔn)提供理論參考。

圖1 深埋實驗洞橫斷面示意圖Fig.1 Schematic diagram of the cross-section of deep-buried tunnel

2 深埋洞室連續(xù)爆破開挖計算模型

2.1 動力有限元計算模型

根據(jù)錦屏地下2#實驗室的工程資料建立如圖1所示的門洞型隧洞。隧洞尺寸如圖1所示，所在區(qū)域的水平應(yīng)力為43.3 MPa，豎直應(yīng)力為49.6 MPa，軸向應(yīng)力為56.2 MPa。建立長、寬、高為120 m×80 m×120 m計算模型，巖體模型如表1所示。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters ofrock mass

圖2 有限元模型Fig.2 Finite element model

動力有限元模型采用8節(jié)點的SOLID164單元，網(wǎng)格劃分采用變步長方式進(jìn)行，靠近開挖區(qū)掌子面區(qū)域網(wǎng)格劃分較密，而非開挖進(jìn)尺區(qū)域網(wǎng)格劃分得稀疏，網(wǎng)格劃分如圖2所示。為滿足計算精度要求，最小單元尺寸0.2 m，共含1 261 900個節(jié)點和1 225 584個單元。由于采用一個有限域來模擬地下空間，為避免邊界處波的反射對求解域的影響，采用無反射邊界和零位移邊界條件。

2.2 爆破荷載和參數(shù)

隧洞全斷面采用孔內(nèi)微差起爆，全斷面炮孔布置如圖3所示。圖中編號為非電毫秒雷管段數(shù)，爆破參數(shù)見表2。

圖3 實驗洞全斷面毫秒爆破布孔示意圖Fig.3 Layout of blasting holes in the full-section

炮孔類型數(shù)量孔數(shù)藥量/kg段位掏槽孔輔助孔底孔周邊孔12819.2MS1152060.0MS1+MS1131436.4MS3121228.8MS581422.4MS71237.2MS710714.0MS98914.4MS1110816.0MS942217.6MS1132012.0MS13

由于深埋隧洞爆破開挖是一個十分復(fù)雜的三維動態(tài)過程，既包含了各炮孔內(nèi)炸藥的不同時起爆，也包含了巖體結(jié)構(gòu)面和各向異性等力學(xué)特性。本文關(guān)注于高地應(yīng)力對爆破開挖誘發(fā)圍巖應(yīng)力場演化的影響機(jī)制，因此提出假設(shè)：

(1)巖體為均質(zhì)且各向同性；

(2)同一微差炮孔段內(nèi)炸藥同時起爆，且不考慮炮孔軸向荷載的不均勻性。

這對復(fù)雜的爆破開挖過程進(jìn)行簡化而不失此復(fù)雜過程的一般性。同時為避免模型炮孔過多，造成炮孔附近巨大計算工作量，采用等效的爆炸荷載加載方式，通過式(1)將等效的爆炸荷載壓力施加在每一圈炮孔爆破對應(yīng)的開挖面上。作用在開挖面上的爆破等效荷載Pbe(t)計算公式[12]為

(1)

式中：Pb(t)為炮孔壁上的爆破荷載壓力；μ為巖體彈性模量；rb是炮孔半徑；S是同段內(nèi)相鄰炮孔的間距；rc和rf分別是炮孔周圍粉碎區(qū)和破碎區(qū)的半徑，根據(jù)相關(guān)研究，取rc=2rb，rf=10rb。

圖4 爆炸荷載曲線Fig.4 Blasting load curve

由于深埋隧洞處于高地應(yīng)力作用之下，其爆破開挖是一個典型的先靜態(tài)加載后動力作用的問題，因此運(yùn)用ANSYS/LS-DYNA的隱式-顯式順序求解，分2步進(jìn)行模擬計算，即應(yīng)力初始化和爆破加載，采用簡化的三角形爆炸荷載作用形式荷載上升時間為tr=1.0 ms，總作用時間ta=8.0 ms，如圖4所示。

3 連續(xù)爆破開挖應(yīng)力演化分析

采用美國國防部開發(fā)的CSCM(Continuous Surface Cap Model)損傷模型。該模型能夠很好模擬高地應(yīng)力下巖體延脆性轉(zhuǎn)化和應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。Tao等[13]的研究表明CSCM模型同樣適用于模擬深埋巖石材料的爆破損傷效應(yīng)。該模型運(yùn)用各向同性本構(gòu)方程、剪切破壞面和硬化失效面(蓋帽)的連續(xù)、光滑銜接，來模擬材料模量遞減的損傷，能較好地反映深埋巖體在高地應(yīng)力壓縮的環(huán)境中的力學(xué)特性，其屈服函數(shù)為

(2)

式中：I1為應(yīng)力張量的第一不變量；J2,J3為應(yīng)力偏量的第二和第三不變量；k為帽蓋函數(shù)；R為Rubin三參數(shù)縮減因子；Fc為硬化蓋帽；Ff是剪切破壞面由I1決定，即

Ff(I1)=α-λexp-βI1+θI1。

(3)

式中α,β,λ,θ均為通過三軸壓縮試驗來確定的材料參數(shù)。

該模型的損傷變量D準(zhǔn)則基于脆性破壞和延性破壞2種損傷模式，損傷變量變量分別表示為

(4)

其中:

式中：σij為彈塑性應(yīng)力；εij為總應(yīng)變分量；εmax為最大主應(yīng)變；τot，τoc分別為巖石拉、壓損傷應(yīng)力閾值；E為彈性模量；A，B，C，d是應(yīng)力-應(yīng)變曲線參數(shù)；Dmax為最大損傷變量。

采用ANSYS/LS-DYNA完全重啟動技術(shù)即將前一次開挖的計算結(jié)果作為后一次開挖的初始條件。采用3次連續(xù)推進(jìn)開挖，如圖5所示沿隧洞縱向推進(jìn)方向選取I，II，III三個開挖進(jìn)尺和4個斷面分析。對比靜態(tài)的地應(yīng)力重分布和地應(yīng)力重分布與爆炸荷載耦合作用2種工況，研究確定深部巖體連續(xù)爆破多次推進(jìn)開挖過程中動靜載耦合作用下的圍巖應(yīng)力演化規(guī)律。

圖5 實驗洞室斷面布置Fig. 5 Section layout in the test tunnel

圖6 地應(yīng)力重分布作用下3個循環(huán)進(jìn)尺連續(xù)開挖4-4斷面圍巖最大應(yīng)力演化示意圖Fig.6 Evolution of maximum stress of surrounding rock of section 4-4 after three consecutive footages in the presence of stress redistribution

3.1 地應(yīng)力重分布作用下圍巖應(yīng)力演化過程

在準(zhǔn)靜態(tài)地應(yīng)力重分布作用下，圖6記錄了每個開挖進(jìn)尺完成后4-4斷面圍巖穩(wěn)定后最大應(yīng)力云圖，可以看出僅在地應(yīng)力重分布力作用下，開挖前圍巖在掌子面(此時4-4斷面為掌子面)和洞壁交界處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，開挖完成后4-4斷面在拱肩和底板與洞壁交界處產(chǎn)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象，在底板處應(yīng)力最小。在第Ⅰ進(jìn)尺開挖后由于開挖卸荷擾動，4-4斷面圍巖應(yīng)力場產(chǎn)生了比較大的變化，連續(xù)3個開挖進(jìn)尺完成后，此時掌子面推進(jìn)到1-1斷面，可以看出在第II進(jìn)尺完成后4-4斷面應(yīng)力場基本趨于穩(wěn)定，不再隨掌子面推進(jìn)而發(fā)生變化。

3.2 動靜荷載耦合作用下圍巖應(yīng)力演化過程

同樣取4-4斷面研究爆破荷載和地應(yīng)力重分布耦合作用下圍巖連續(xù)爆破開挖過程中應(yīng)力場的演化規(guī)律。3個循環(huán)進(jìn)尺完成后4-4斷面圍巖最大應(yīng)力演化示意圖如圖7所示。

圖7 3個循環(huán)進(jìn)尺連續(xù)爆破開挖4-4斷面圍巖最大應(yīng)力演化示意圖Fig.7 Evolution of maximum stress of surrounding rock of section 4-4 after three consecutive footages

如圖7所示，在未開挖前掌子面4-4斷面由于爆破荷載作用在掌子面和洞壁交界處出現(xiàn)較明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，在第I進(jìn)尺開挖后4-4斷面圍巖應(yīng)力集中主要在拱肩和底邊與洞壁交界處。第II個循環(huán)進(jìn)尺完成后，4-4斷面圍巖應(yīng)力場基本趨于穩(wěn)定，不再隨掌子面推進(jìn)而發(fā)生明顯變化。對比2種工況下4-4斷面圍巖應(yīng)力演化過程可以發(fā)現(xiàn)，圍巖地應(yīng)力重分布和爆破荷載耦合作用下圍巖應(yīng)力場范圍并沒有明顯增大，但是在靠近炮孔洞壁附近應(yīng)力有明顯增大。因此，可以發(fā)現(xiàn)深埋隧道爆破開挖，地應(yīng)力重分布是應(yīng)力場演化的主要因素，爆破荷載只在炮孔附近產(chǎn)生比較大的爆破張拉應(yīng)力。

就本工程而言，連續(xù)爆破開挖過程中，爆破開挖擾動僅在開挖進(jìn)尺后方約4 m范圍內(nèi)圍巖產(chǎn)生影響，發(fā)生應(yīng)力場重分布。通過對比現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)資料可知，連續(xù)爆破開挖圍巖應(yīng)力擾動區(qū)域為掌子面后方3.5～5.0 m，對比實測數(shù)據(jù)可得出本文摸擬基本符合實際情況的結(jié)論。

4 結(jié)果分析

為了更好地說明靜態(tài)的地應(yīng)力重分布和地應(yīng)力重分布與爆炸荷載耦合作用2種工況下，連續(xù)推進(jìn)圍巖應(yīng)力演化過程及圍巖損傷破壞的原因，選取隧洞圍巖炮孔附近測點A和遠(yuǎn)離洞壁的測點B，如圖8所示。同時根據(jù)Cai等[6]提出的經(jīng)驗公式，即當(dāng)(σ1-σ3)≥Aσcd時巖體出現(xiàn)剪切破壞，其中σ1，σ3，σcd分別為第一主應(yīng)力、第三主應(yīng)力及巖體動態(tài)抗壓強(qiáng)度，A取值范圍為0.3～0.5，本文取0.5。張拉破壞根據(jù)最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則，進(jìn)行圍巖出現(xiàn)損傷破壞的原因的判別。記錄各點σ1和(σ1-σ3)/A的演化過程如圖8所示。

圖8 2種工況連續(xù)推進(jìn)過程中A，B兩點應(yīng)力演化示意圖Fig.8 Stress evolution at point A and B in two working conditions

從圖8可以發(fā)現(xiàn)，在炮孔附近圍巖A點出現(xiàn)了較大的爆破張拉應(yīng)力σ1，此時圍巖主要是爆破張拉破壞;但相對于準(zhǔn)靜態(tài)開挖A點而言，σ1增加并不明顯，因此可以判斷高地應(yīng)力對爆破荷載產(chǎn)生的張拉應(yīng)力產(chǎn)生了比較明顯的抑制作用。2種工況下B點圍巖均表現(xiàn)出剪切破壞，這進(jìn)一步說明地應(yīng)力重分布作用是圍巖應(yīng)力場演變的主要原因，而爆破荷載只對炮孔附近區(qū)域圍巖應(yīng)力產(chǎn)生影響。

5 結(jié) 論

本文針對高地應(yīng)力賦存環(huán)境下隧洞連續(xù)爆破推進(jìn)圍巖應(yīng)力演化過程，通過建立2種工況深入研究了高地應(yīng)力和爆破荷載對圍巖連續(xù)爆破推進(jìn)應(yīng)力演化的作用，可以得出如下結(jié)論：

(1)隧洞在連續(xù)爆破推進(jìn)過程中，地應(yīng)力重分布是圍巖應(yīng)力場發(fā)生變化的主要原因，爆破荷載只對炮孔附近區(qū)域產(chǎn)生影響，高地應(yīng)力對爆炸荷載產(chǎn)生顯著抑制作用。

(2)爆破開挖過程中，炮孔附近巖石主要表現(xiàn)出爆破荷載張拉損傷，遠(yuǎn)離炮孔區(qū)域圍巖主要表現(xiàn)出高地應(yīng)力作用的剪切破壞。

(3)就本計算實例而言，連續(xù)推進(jìn)過程中，已開挖進(jìn)尺對掌子面后方約4 m范圍內(nèi)應(yīng)力場產(chǎn)生應(yīng)力擾動影響，3個進(jìn)尺推進(jìn)后，第一進(jìn)尺掌子面后方的圍巖應(yīng)力場范圍不再增大，應(yīng)力大小趨于穩(wěn)定。