爆破振動下偏壓隧道洞口段邊坡穩(wěn)定性分析

鄭明新，伍明文

爆破振動下偏壓隧道洞口段邊坡穩(wěn)定性分析

鄭明新1, 2，伍明文1, 2

(1. 華東交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院，江西 南昌 330013；2. 江西省巖土工程基礎(chǔ)設(shè)施安全與控制重點實驗室，江西 南昌 330013)

通過有限元軟件建立三維雙側(cè)壁偏壓隧道洞口段邊坡數(shù)值模型，提出3種爆破工況；分析3種爆破工況下邊坡的振速響應(yīng)規(guī)律，通過邊坡的位移分析坡體的變形特性，依據(jù)最小二乘法對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行回歸分析得出爆破振動衰減公式，制定每個工況單段最大起爆藥量安全閾值。由解析法求出不同工況在靜、動態(tài)下坡體的穩(wěn)定性變化規(guī)律。研究結(jié)果表明：隨著爆心距的增大，坡面振速衰減呈現(xiàn)出近快、遠慢的傳播規(guī)律；工況1相比其他工況對邊坡整體及坡腳的穩(wěn)定性影響最大；通過對坡體測點各向振速監(jiān)測數(shù)據(jù)進行回歸分析，得出在安全控制標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)工況1?工況3的單段最大起爆藥量分別控制在3.4，3.4及3.5 kg之內(nèi)效果最好；由解析法得出，靜力狀態(tài)下開挖隧道時邊坡均處于穩(wěn)定狀態(tài)。左、中導(dǎo)坑在爆破開挖時邊坡安全系數(shù)分別為1.13和1.18均小于1.20，極有可能誘發(fā)局部坡體滑移失穩(wěn)。

爆破振動；偏壓隧道洞口段；邊坡穩(wěn)定性；安全閾值；最小二乘法

爆破振動作用下隧道洞口段邊坡的穩(wěn)定性及控制是隧道初始開挖過程中面臨的一個急需解決的問題。通常認(rèn)為，爆破振動對隧道洞口段邊坡穩(wěn)定性的影響主要體現(xiàn)在：爆破動荷載作用下產(chǎn)生的慣性力提高了坡體的下滑力，誘發(fā)其慣性失穩(wěn)；同時，過大的動應(yīng)力導(dǎo)致巖體結(jié)構(gòu)面的擴展和增加，爆破損傷弱化了邊坡巖體的力學(xué)參數(shù)，使得隧道洞口段邊坡整體抗剪能力降低，導(dǎo)致邊坡滑移失穩(wěn)[1]。因此在施工中如何控制爆破盡最大可能減輕對隧道洞口段邊坡穩(wěn)定性的影響，以保證隧道安全施工順利進行就顯得極為迫切和重要。國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對此進行了大量的研究，并取得了一系列成果。馬沖等[2]針對含軟弱夾層邊坡在爆破振動作用下坡體的振速響應(yīng)規(guī)律，同時根據(jù)邊坡穩(wěn)定性判據(jù),制定出爆破振速安全閾值，提升了隧道洞口段坡體在爆破振動下的穩(wěn)定性。吳燕開等[3]針對爆破荷載引起的巖石振動效應(yīng)進行模擬研究，得到了巖質(zhì)高邊坡在爆破振動作用下的質(zhì)點振動衰減及位移變化規(guī)律，用于今后指導(dǎo)施工。賈黨育[4]采用數(shù)值法模擬隧道爆破開挖施工過程，分析了爆破施工對洞口段邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律。曹蘭柱等[5]為提高礦山邊坡安全性，通過礦山邊坡作為研究對象，量化爆破荷載對邊坡?lián)p傷程度，建立邊坡爆破振動損傷函數(shù)關(guān)系式,計算邊坡破壞時間，確定最危險區(qū)域。何理等[6]基于量綱分析理論，分析影響邊坡爆破振動速度相關(guān)物理量,推導(dǎo)并改進高程因素影響的爆破振動速度預(yù)測公式。王智德等[7]針對順層巖質(zhì)邊坡爆破開挖，研究坡體振速的傳播規(guī)律以及的損傷程度，研究取得了爆破區(qū)任意點的振動速度與損傷深度存在對應(yīng)關(guān)系。以上研究主要針對礦區(qū)爆破振動對邊坡的影響，然而在隧道爆破開挖對洞口段邊坡的動力響應(yīng)分析研究還較少，同時對地處偏壓地段的隧道洞口坡體在爆破振動下的穩(wěn)定性研究也較少。本文以福建漳州新建花都Ⅱ號隧道工程進口右洞作為研究對象，通過有限元數(shù)值模擬分析偏壓隧道洞口段爆破施工對坡體的影響，提出相應(yīng)的控制措施及邊坡爆破振速安全閾值，旨在為相似工程的分析提供方法，這既是提升坡體穩(wěn)定性的前提，也是優(yōu)化爆破設(shè)計的基礎(chǔ)。

1 工程地質(zhì)概況

某隧道工程位于福建省漳州市，隧道右洞全長 985 m，隧道最大埋深 102 m。場區(qū)表層為少量的殘坡積層(Qdl-el)，下伏基巖主要為侏羅系南園組凝灰熔巖(J3n)和燕山早期侵入的花崗巖(γ52)。進口右洞邊坡傾角為30°~35°呈現(xiàn)左底右高的形態(tài)，進口右洞隧道采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑方式開挖，由于不規(guī)范的爆破開挖，導(dǎo)致隧道上方坡體發(fā)生局部滑移、開裂。

通過對現(xiàn)場地質(zhì)的調(diào)查分析可知，影響坡體穩(wěn)定性的內(nèi)在因素主要為偏壓、坡度大及豐富的地下水，同時隧道走向與邊坡走向相互垂直(如圖1(a))；爆破振動為影響邊坡穩(wěn)定性的外在因素，頻繁的爆破導(dǎo)致邊坡巖層發(fā)生錯動，產(chǎn)生爆破裂隙(圖１(b))。在內(nèi)外因素的反復(fù)劣化作用下，導(dǎo)致坡體發(fā)生局部滑移、開裂。

(a) 坡體；(b) 邊坡裂縫

2 動力分析模型建立與參數(shù)選取

2.1 計算模型

根據(jù)現(xiàn)場實際的工程地質(zhì)情況，利用MIDAS- GTS數(shù)值軟件建立數(shù)值計算模型，如圖2(a)所示。洞口段采用雙側(cè)壁方式開挖，斷面凈空尺寸為 15.27 m(寬)和10.27 m(高)。隧道支護和襯砌結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖2(b)所示；計算模型橫截面尺寸及測點分布圖見圖2(c)，測點以隧道拱頂為中點向兩側(cè)布設(shè)，布設(shè)在=10 m的斷面上；圖2(d)為坡體支護結(jié)構(gòu)體系。

隧道、圍巖采用 M-C 屈服準(zhǔn)則，圍巖及注漿體采用實體單元模擬，初支采用板單元模擬，錨桿與超前小導(dǎo)管采用植入式桁架模擬。模型計算范圍橫向為取20 m；向取92 m，向64 m，如圖2(a)所示。模型邊界若采用彈性邊界條件在進行動力分析時會由于波的反射作用給計算結(jié)果帶來較大誤差，所以采用1972 年Lysmer和Wass 提議的黏性邊界條件。巖土體及相關(guān)支護結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)見表1。

(a)計算模型；(b) 隧道支護和襯砌結(jié)構(gòu)參數(shù)；(c) 坡體橫截面尺寸；(d) 坡體支護結(jié)構(gòu)

2.2 爆破荷載的確定

在數(shù)值計算分析中，單響藥量、加載邊界、荷載加卸時間和峰值應(yīng)力等是確定爆破荷載值的主要參數(shù)。通常將爆破荷載簡化為一條具有加載與卸載過程的三角波型荷載。爆破荷載確定后，將爆破荷載以垂直壓力方式作用在開挖隧道洞周壁上[8]。通過現(xiàn)場施工爆破每個導(dǎo)坑最大的單響藥量，其爆破荷載峰值見表2。

爆破荷載峰值max的計算公式為[9]

爆破荷載達到峰值壓力所需的升壓時間為8至12 ms，卸荷時間為 40至120 ms[10]。本次加壓時間取 10 ms，卸荷時間取 100 ms，為了最佳地分析完整的爆破過程，總計算時間取 1 000 ms。

表1 物理力學(xué)參數(shù)

表2 隧道單響藥量的計算爆破荷載峰值

2.3 數(shù)值模擬方案設(shè)計

本文數(shù)值模擬主要分析各導(dǎo)坑在最大單響藥量工況下，爆破振動對已支護偏壓隧道邊坡在動力響應(yīng)作用下對其穩(wěn)定性的影響規(guī)律進行研究，工況詳情如下：

共分3種工況，工況1~工況3依次為左導(dǎo)坑爆破、中導(dǎo)坑爆破及右導(dǎo)坑爆破。每次爆破開挖進尺為2 m ，鑒于施工現(xiàn)場中導(dǎo)坑開挖進尺累積達到10 m(第5個爆破開挖循環(huán))時，拱頂附近土體發(fā)生如圖1所示的坡體局部開裂，所以每個工況均以第5個爆破開挖循環(huán)作為本次研究對象。

3 爆破振動作用下坡體動力響應(yīng) 規(guī)律

偏壓隧道洞口段邊坡在爆破振動作用下，其變形特性可以通過各測點振動速度、各向位移值及應(yīng)力應(yīng)變增量來顯示坡體在爆破振動下的變形及穩(wěn)定情況。

3.1 測點振度響應(yīng)規(guī)律

由圖2(a)及圖3可知：1) 隨著爆心距的增大，測點速度峰值逐漸減小，呈現(xiàn)出薩道夫斯基傳播規(guī)律、衰減規(guī)律遠慢近快，其中和向振速峰值變化趨勢相比向更大；2) 在工況2中，測點5主振速峰值在所有工況中最大，為22.16 cm/s小于一般巖質(zhì)邊坡質(zhì)點振動安全閾值速度25 cm/s[11]，右導(dǎo)坑巖性較佳且覆土相比其他工況更厚，所以工況3所有測點各個方向振速均小于其他2種工況在各向的振速值；3) 在所有工況中，每個工況的和向峰值振速總體上大于向峰值振動速度，所以在同類工程中可只監(jiān)測向與向振動速度達到簡化爆破振動監(jiān)測的目的；4) 工況1在坡腳(測點1)處的合成峰值振速均大于其他工況在坡腳的合成峰值振速，可見左導(dǎo)坑爆破開挖對坡腳穩(wěn)定性影響較大，需密切關(guān)注坡體變形情況，必要時可降低爆破藥量，分多次弱爆方可提高邊坡的穩(wěn)定性。

3.2 邊坡測點位移變化規(guī)律

爆破振動結(jié)束后，所有工況在爆源處周圍巖體產(chǎn)生整體向坡外的變形，如圖4所示。

由圖5可知：1) 工況1最大總位移為5.83 mm，是工況2的1.25倍和工況3的7.29倍，在所有工況中最大；2) 工況1 在坡腳處測點1的總位移最大為2.27 mm。左導(dǎo)坑爆破對整個偏壓隧道邊坡的穩(wěn)定性影響最大，對坡腳的擾動是所有工況中之最；坡腳擾動后在偏壓作用下，將可能誘發(fā)整個坡體下滑最終導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)。3) 由圖5(a)及5(b)可知：中導(dǎo)坑爆破振動對拱頂上方土體擾動最強，導(dǎo)致測點7發(fā)生下沉并右移，所以中導(dǎo)坑爆破振動極有可能誘發(fā)坡頂發(fā)生局部滑移、開裂；4)鑒于工況3的坡體位移最小，所以其對坡體的影響最小。

綜上可得，左、中導(dǎo)坑爆破開挖對坡體的穩(wěn)定性影響較大，必要時需控制爆破藥量、分多次弱爆，方可達到減振護坡的效果。

3.3 邊坡爆破振動衰減公式的回歸分析

隧道爆破后會急劇釋放能量，并以波動的形式向外傳播，引起坡體內(nèi)巖土體介質(zhì)的快速振動，然而爆破振動衰減快。依據(jù)現(xiàn)有的研究成果，當(dāng)前國內(nèi)外大多采用薩道夫斯基經(jīng)驗衰減公式對爆破振動數(shù)據(jù)進行回歸分析。

(a) x向振速；(b) y向振速；(c) z向振速；(d) 合成振速

(a) 工況1；(b) 工況2；(c) 工況3

(a) y向位移；(b) z向位移；(c) 總位移

式中：為爆破產(chǎn)生的質(zhì)點振動速度，cm/s；為爆源與測點的直線距離，m；為爆破單段最大起爆藥量，kg；為與地質(zhì)條件、圍巖特性有關(guān)的系數(shù)；為爆破衰減系數(shù)。

對式(1)兩邊取對數(shù)得

令ln=，ln=，ln(1/3/)=，=，則將式(2)變換得到一元線性回歸公式如下：

利用式(1)~式(3)對表3數(shù)據(jù)進行最小二乘法回歸，得薩道夫斯基經(jīng)驗衰減公式(表(4))。(注：由前面研究結(jié)果可知，工況1和2對坡體的穩(wěn)定性影響較大，同時在2種工況下向與向振速比向更大，所以表3僅考慮工況1和2下向和向及合成振速值。)

表3 隧道邊坡爆破振動測點數(shù)據(jù)

由表4中的薩道夫斯基經(jīng)驗衰減公式可以推算，不同導(dǎo)坑在爆破中的振速峰值在安全控制標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)的單段最大起爆藥量。

表4 薩道夫斯基經(jīng)驗衰減公式

注：1Y向指工況1方向振速，其余等同。

由工程實際及安全控制標(biāo)準(zhǔn)可得知：min=7.8 m，max=25 cm/s，將上述公式代入表4進行計算，得工況1及工況2單段最大起爆藥量均為3.4 kg，鑒于工況3采用現(xiàn)場設(shè)計爆破藥量對坡體穩(wěn)定性影響小同時也能滿足施工作業(yè)需要，所以其最小爆破藥量可為3.5 kg。

3.4 邊坡穩(wěn)定性分析

通過對坡體在不同工況下所對應(yīng)靜動態(tài)下的穩(wěn)定性安全系數(shù)分析，可得爆破振動下的邊坡相比靜態(tài)下的邊坡在安全性變化情況。

3.4.1 靜力狀態(tài)下邊坡穩(wěn)定性分析

通過現(xiàn)場局部坡體滑移動態(tài)可知；滑移體主要為表層坡積土的滑動為主，所以圖6中，邊坡土體的物理力學(xué)參數(shù)以坡積土為主。其他幾何參數(shù)為，臺階坡腳=30°，臺階高度=29 m。

圖6 邊坡穩(wěn)定性計算簡圖

依據(jù)邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的定義與力的平衡條件可得靜力邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為：

若直接利用式(4)求的最小值相對困難，為了求解的便利，將三角函數(shù)用坡高與水平距離來表示，由圖6的幾何關(guān)系可得。

將式(5)代入式(4)，得：

為求穩(wěn)定性系數(shù)的最小值，對式(6)導(dǎo)數(shù)等于0，得：

化簡可得：

從圖6可以得出，當(dāng)≦cot時，滑面不在坡內(nèi)，因此，通過方程(5)可得解為：

由式(9)中的代入式(5)和式(6)可分別求得邊坡在靜力狀態(tài)下的最小穩(wěn)定系數(shù)及對應(yīng)穩(wěn)定性系數(shù)下的最小滑移面及水平方向的夾角分別為min=1.25，min=21.74°。

為了驗證理論計算的準(zhǔn)確性，在同等條件的基礎(chǔ)上建立三維隧道邊坡數(shù)值模型，通過強度折減法分別模擬左、中及右導(dǎo)坑在靜力開挖下的坡體穩(wěn)定性安全系數(shù)分別為：1.22，1.24及1.33，其與理論計算值相近。

3.4.2 爆破動力狀態(tài)下邊坡穩(wěn)定性分析

上一節(jié)分析了靜力作用下邊坡的穩(wěn)定性，其最小穩(wěn)定性系數(shù)=1.22>1.20[12](一級公路邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)為1.20)，所以在靜力狀態(tài)下邊坡是穩(wěn)定的。但邊坡在承受爆破振動力作用時，坡體中的潛在滑體會附加一慣性力，使?jié)撛诨w的下滑力增大，從而降低了邊坡的穩(wěn)定性，提高了邊坡失穩(wěn)坍塌的幾率。

爆破振動引起的作用于邊坡潛在滑體并指向爆破方向的等效靜力，為：

式中：k為等效靜力系數(shù)；為滑體自重；為爆破動力系數(shù)，其值通常在0.1~0.2之間，本次取0.15；為地震系數(shù)是巖體質(zhì)點振動加速度與重力加速度(9.81 m/s2)的比值。

將3種工況坡腳處的加速度代入式(11)可得工況1~工況3因爆破振動引起的等效水平靜力分別為滑體重力的6.92%，4.60%及2.73%，且令其為。

所以，在爆破振動下邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)如下：

將不同工況的值與式(5)分別代入式(12)解得不同工況下最小穩(wěn)定性系數(shù)分別為：1.13，1.18及1.26。

由表5與圖7可知：工況1和2的邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)均小于1.20，所以左、中導(dǎo)坑爆破開挖極易誘發(fā)局部坡體滑移；其中工況1的安全系數(shù)相比工況2小4.24%；在邊坡穩(wěn)定性損失系數(shù)中，工況1穩(wěn)定性損失值在所有工況中最高，分別是工況2的1.52倍和工況3的1.40倍。綜上可得，左導(dǎo)坑爆破開挖對坡體穩(wěn)定性影響最大，在必要時可降低爆破藥量、分多次弱爆方可提高坡體的穩(wěn)定性。

表5 邊坡靜/動態(tài)安全系數(shù)值

圖7 不同工況系下邊坡安全系數(shù)曲線

3.5 邊坡振速監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

采用爆破測振儀對各導(dǎo)坑爆破振動對上方邊坡振速進行監(jiān)測，每個測點安裝一個振速傳感器，測點分布見圖2(c)所示。各導(dǎo)坑爆破振動時對上方邊坡測點的各向振速如表6所示。

由表3與表6可知：邊坡測點的實測振速略小于數(shù)值計算的振速，出現(xiàn)偏差說明現(xiàn)場地質(zhì)及巖層分布復(fù)雜性等相關(guān)因素所致，但二者在數(shù)值上較為相近，并且各向振速的大小及分布位置相接近；最后對不同工況的各向振速監(jiān)測數(shù)據(jù)進行了回歸分析可知：工況1和2的單段最大起爆藥量均為3.4 kg，其結(jié)果與數(shù)值仿真結(jié)果相近。

表6 邊坡振速監(jiān)測數(shù)據(jù)

注：為便于與表3對比，因此表6中的監(jiān)測數(shù)據(jù)為工況1和2下的向和向及合成振速。

4 結(jié)論

1) 隧道邊坡爆破振速衰減規(guī)律為，隨著爆心距增大，振速隨之減小，越靠近爆心衰減幅度越大；左導(dǎo)坑爆破對坡腳的動力響應(yīng)最大，中導(dǎo)坑合成振速最大為22.18 cm/s。

2) 工況1對偏壓隧道洞口段邊坡位移變形影響最大同時其也對坡腳的穩(wěn)定性影響最強，總位移值達2.27 mm；工況2對拱頂上方土體擾動最大，致使測點7發(fā)生下沉并右移，極有可能誘發(fā)坡頂處發(fā)生局部滑移失穩(wěn)。

3) 根據(jù)最小二乘法對坡體測點各向振速數(shù)據(jù)與進行回歸分析，得出向、向及矢量合成的薩道夫斯基經(jīng)驗衰減公式，得出在安全控制標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)工況1(左導(dǎo)坑)、工況2(中導(dǎo)坑)及工況3(右導(dǎo)坑)的單段最大起爆藥量分別控制在 3.4，3.4及3.5 kg 之內(nèi)效果較好，為后期爆破開挖提供了參考與借鑒。

4) 由解析法分析可知，在靜力作用下開挖左、中及右導(dǎo)坑時所對應(yīng)的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)均大于1.20，故隧道在靜力開挖狀態(tài)下坡體是穩(wěn)定的；但在爆破振動作用下開挖左及中導(dǎo)坑時，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.13和1.18均小于1.20極易誘發(fā)邊坡局部滑移失穩(wěn)，同時左導(dǎo)坑在爆破作用下穩(wěn)定性損失系數(shù)最大為7.37%。

5) 通過對坡體測點振速監(jiān)測值與數(shù)值仿真值對比與回歸分析可知：兩者數(shù)值結(jié)果、振速大小與分布位置、各導(dǎo)坑單段最大起爆藥量大體相近可為后期同類工程的分析提供參考。

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Stability analysis of slope at biased tunnel portal section under blasting vibration

ZHENG Mingxin1, 2, WU Mingwen1, 2

(1. School of Civil and Architectural Engineering, East China Jiaotong University, Nanchang 330013, China; 2. Key Laboratory of Geotechnical Engineering Infrastructure and Security Control, East China Jiaotong University, Nanchang 330013, China)

A 3D numerical model of the slope at biased tunnel portal Section with double side drift method was established by using finite element software. Firstly, the vibration velocity response law of slope under three blasting conditions was analyzed, secondly the deformation characteristics were analyzed by the displacement of the slope, Then based on the least squares method analysis was carried out on the monitoring data, it was concluded that blasting vibration attenuation formula for working condition of each single dose period of maximum detonating safety threshold. Finally, the stability change law of the static and dynamic slope body under different working conditions was obtained by analytical method. the study indicates that with the increase of blaster center distance value, velocity attenuation slope presents a fast, nearly far slow propagation law, elevation amplification effect; Compared with other working conditions, condition 1 has the greatest influence on the stability of the whole slope and the slope foot. By means of the regression analysis of the monitoring data of the velocity of each direction vibration of the slope to get attenuation formula under different working conditions, the formula is concluded thatin safety control standard condition 1-conditions 3 single segment of initiation largest doses respectively control within 3.4 kg, 3.4 kg and 3.5 kg effect is best, Finally, it can be obtained by analytic method that the slope is in a stable state when the tunnel is excavated in the static state, while the safety coefficient of the slope stability is 1.13 and 1.18, respectively, which are less than 1.20 in the blasting excavation of the left and middle pilot tunnel, which may induce local slope sliding instability.

blasting vibration; biased tunnel portal section; slope stability; safety threshold; least squares method

U455

A

1672 ? 7029(2019)08? 2018 ? 10

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.08.019

2018?10?22

國家自然科學(xué)基金資助項目(51568022)；江西省自然科學(xué)基金資助項目(20171BAB206056)

鄭明新(1966?)，男，江西南昌人，教授，博士，從事滑坡與路基、隧道工程的教學(xué)和研究工作；E?mail：zhmx@ecjtu.jx.cn

(編輯 蔣學(xué)東)