隧道進洞爆破施工對邊仰坡穩(wěn)定性影響研究

(重慶交通大學 土木工程學院 重慶 400074)

一、引言

隧道爆破開挖對洞口邊仰坡穩(wěn)定性的影響也十分顯著。洞口邊仰坡在受到隧道爆破施工后很可能會發(fā)生滑塌、泥石流和坡體失穩(wěn)等嚴重事故，不僅會對邊仰坡穩(wěn)定性造成影響，嚴重時還可能對在建隧道、附近居民以及交通線等造成重大危害。而且更會拖延施工工期，給工程帶來不可估量的損失。

二、爆破地震波及震動效應

炸藥引爆炸時生成的應力波在逐漸減弱后會形成振動波。盡管由于地震波的衰減只有一小部分能量傳播，但是若不適當控制會對周邊環(huán)境帶來不可想象的危險和給人們造成很大的損失。

(一)爆破地震波的產生

炸藥發(fā)生爆炸時，會在周圍空間瞬間生成大量的高溫、高壓氣體，對周圍介質形成瞬間巨大壓力。依據(jù)被爆破巖土體的受力特性、破碎程度等將爆破近處的區(qū)域分成粉碎區(qū)域、破毀區(qū)域以及振動區(qū)域。

(二)爆破地震波的類型

縱波：在縱波擴展中，質點震蕩的方向與傳播一個方向，使介質也跟隨震動。它的特性是周期時間短、振幅小。

橫波：節(jié)質的震蕩方向與擴展方向成90度角，是橫向震蕩的，從而造成了質點的垂直性震蕩。橫波的特性大部分為周期時間有點長、振動幅度非常大、結果巖土體輸出剪切性振動。

瑞利波：是一個極為普通表面彈性波。這種波是順著羋無垠性巖體外表面擴展的震蕩波。

勒夫波：只在于波動方向成直角的平面內的剪切波動，沒有豎直波動，且只在覆蓋有至少一層低速地表層的半無線空間內才會發(fā)生。

(三)巖石爆破破壞機理

在均勻巖土體中，埋置在巖土體表面附近一個圓球形炸藥包。炸藥體與巖土體表面的間距叫作抵抗線。在炸藥包點燃后，爆破振動波從中心向外傳播。當傳播到裝藥的石壁上時生成初始沖擊波。這種初始沖擊波使藥包附近巖石造成破壞而形成粉碎區(qū)，從而使藥室擴大。爆炸震動波的波能跟著它在巖石中傳播且迅速降低而變成壓縮波。

由爆炸產生的裂縫到達表面后，內部的剩下氣壓繼續(xù)擠壓石頭，最終使石塊擠出巖面，產生表面的錐性破壞，這個損壞就是爆炸生成地漏斗。

三、工程實例

五峰山隧道工程隧道采用雙洞方案，左線全長1009.076m，右線全長1010.089m。隧道設計時速40km/h。

地表的水大部分為直接降水，分為區(qū)域內產水、區(qū)域外客水兩項，他們的空間排列和降雨規(guī)律差不多。區(qū)域內的河流豐富，他受植物、季節(jié)和農田灌溉的影響，能利用的比較有限。除此之外，還有大量的區(qū)域外的水資源。

位于恩施盆地南東側邊緣的五峰山隧道工程，在地貌上屬于丘陵地區(qū)。

(一)模型及材料參數(shù)選取

為了減少計算量并盡量計算精確，在MIDAS/GTS NX中模型的邊界應應選擇大小合適。根據(jù)前人的相關研究表明，當所取模型尺寸的邊界在2～5倍的隧道開挖范圍內時，幾乎可以忽略模型邊界對爆炸振動的影響。

模型尺寸是以爆炸鉆進的真實尺寸數(shù)值來取選材料的。建模的大小憑借實例大小建立，該模型主體由邊坡體構成，模型寬80米、長100米、高100米；邊坡地下寬24米、上面寬32米、高43.7米，邊坡為2級臺階結構，臺階高度在20米左右、坡面斜率是1：1。隧道尺寸采用三心圓+仰拱，R1=6.0m， R2=5.5m，R3=15m，寬度11.70m，高度8.25m，斷面面積S=81.78m2。隧道采取分層法爆破的方法，然后及時進行噴錨支護作為初期支護。

巖土體材料為四級圍巖+土體，初支為混凝土材料。建模過程中運用不一樣的本構關系來模擬屬性各不相同的物質。巖土體采用莫爾-庫倫(M-C)模型，而襯砌結構選用線彈性模型。模型中各材料的力學參數(shù)及本構模型如下表3.1所示。

表3.1 材料的物理力學參數(shù)

運用有限元方法研究不同爆破水平方向振動強度對邊坡穩(wěn)定性的影響。通過炮震智能監(jiān)測儀器現(xiàn)場采集到的炮震數(shù)據(jù)，最大速度為4.65cm/s，借助Matlab軟件將速.度曲線轉換為加速度響應時程曲線最大為5.82m/s2，最后把計算出的加速度響應時程.曲線加到邊坡巖體上進行數(shù)值分析。以邊坡巖體強度參數(shù)為常量，輸入水平方向加速度時程曲線數(shù)據(jù)。

當重力場為13.9m/s2時，邊坡水平方向位移發(fā)生突變，此時邊坡安全系數(shù)為1.42。

當振速V<17.93cm/s時，邊坡的安全系數(shù)大于安全儲備系數(shù)1.15，說明該位置比較穩(wěn)定；當振速V=22.84cm/s時，邊坡安全系數(shù)急劇減小接近臨界安全系數(shù)1，說明此時邊坡隨時可能發(fā)生滑坡的危險。

邊坡坡體破壞形式為圓弧狀，伴隨振動強度的加大，破壞面逐步擴大，剪應力也相應變大。

四、結論

當安全系數(shù)為1.15時，邊坡能夠承載的最大.爆破.水平振速17.93cm/s，此時的可認為是邊.坡的安全振速；當安全系數(shù).為1時，邊坡能夠承載.的極限爆破水平振速22.84cm/s，此時的振動速.度為臨界破壞振速。當.爆破產生的振動速度達到22.84cm/s時，邊坡有破壞的可能性。為保證邊坡穩(wěn)定性，爆破產生的振動速度應小于安全振速，禁止超過臨界破壞振速。

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