爆破載荷下隧道圍巖破壞動(dòng)力響應(yīng)分析

王躍儒

(西南交通大學(xué)，四川成都610000)

爆破作業(yè)是地下工程的典型施工方法，在采礦工程中有著廣泛地應(yīng)用。爆炸產(chǎn)生的載荷通常以高速高壓沖擊波的形式影響爆炸源附近的巖體，其持續(xù)時(shí)間極短。瞬間的能量釋放，由于巨大的壓力和破壞，導(dǎo)致周圍結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯的變形。在工程中，將這一原理應(yīng)用于巖石的爆破破壞，開(kāi)挖現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)工程設(shè)計(jì)不斷推進(jìn)，將指定部位的巖體移走，形成地下空間，實(shí)現(xiàn)工程目標(biāo)。然而，在巖石破壞的同時(shí)，由應(yīng)力激波引起的振動(dòng)效應(yīng)往往對(duì)圍巖造成破壞，地下結(jié)構(gòu)規(guī)模較大。在開(kāi)挖過(guò)程中很可能會(huì)產(chǎn)生各種不利的地質(zhì)條件，以及爆炸結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的沖擊波和振動(dòng)效應(yīng)。這將加劇山脈的破壞，很容易造成山脈的不穩(wěn)定。對(duì)圍巖完整性和工程安全的影響不容忽視。因此，研究圍巖在爆炸振動(dòng)荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)具有一定的實(shí)用價(jià)值。

1 隧道圍巖力學(xué)特性

1.1 隧道圍巖變形及破壞特性

在隧道施工的影響下，圍巖應(yīng)力的調(diào)整和傳遞往往伴隨著變形和破壞。隨著圍巖變形的增大，破壞逐漸發(fā)展，圍巖失穩(wěn)范圍增大，破壞形式多樣。圍巖的變形經(jīng)歷了四個(gè)階段，從正面開(kāi)始，依次為緩慢變形、快速變形、緩慢變形和穩(wěn)定變形。

1.2 隧道圍巖的復(fù)合結(jié)構(gòu)特性

圍巖結(jié)構(gòu)破壞后，隧道圍巖由內(nèi)而外逐漸破壞。內(nèi)層圍巖不穩(wěn)定。隧道上部圍巖以下降為特征，下部圍巖以滑移為特征，滑移是隧道圍巖的松動(dòng)區(qū)。這部分圍巖必須及時(shí)控制，而在此區(qū)域以外的圍巖則處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。

2 地下隧洞爆破施工有限元模型

隧洞斷面為圓形，開(kāi)挖斷面直徑為3.5 m，隧洞圍巖巖性以花崗巖為主，對(duì)于模型尺寸，依據(jù)相關(guān)研究經(jīng)驗(yàn)，為避免模型邊界對(duì)動(dòng)力分析的影響，模型在隧洞徑向上向外延伸的距離在3倍洞徑以上，沿軸向取約8倍洞徑的長(zhǎng)度。爆孔直徑d=76.0 mm，屬于中孔徑的爆孔(50 mm

3 載荷下隧道圍巖破壞動(dòng)力響應(yīng)分析

自爆炸振動(dòng)荷載逐漸擴(kuò)散到中、遠(yuǎn)地區(qū)周圍的巖石、爆炸載荷的壓力峰值和峰值振動(dòng)速度也減弱，因此巖體的動(dòng)力響應(yīng)在不同距離爆炸在爆炸振動(dòng)的來(lái)源是不同的。一個(gè)小隧道洞直徑和圍巖質(zhì)量好，一系列的爆炸隧道洞的輪廓，可以迅速形成一個(gè)隧道，同時(shí)爆炸，但振動(dòng)負(fù)荷由炸藥爆炸影響周圍的巖體。為了了解爆炸荷載作用下井壁周圍巖體的動(dòng)力響應(yīng)，在爆炸井周圍巖石圓形工作面上部徑向設(shè)置了若干控制點(diǎn)。

3.1 圍巖主應(yīng)力動(dòng)力響應(yīng)分析

在爆破振動(dòng)荷載的作用下，隨著爆破荷載作用時(shí)間的增長(zhǎng)，隧洞掌子面處圍巖的第一主應(yīng)力和第三主應(yīng)力數(shù)值均出現(xiàn)波動(dòng)現(xiàn)象，主應(yīng)力的波動(dòng)主要是由加載在爆孔壁上的爆破壓力隨時(shí)程波動(dòng)造成的。較大的主應(yīng)力峰值一般出現(xiàn)在炸藥引爆后800 μs以內(nèi)，至炸藥引爆1 000 μs后爆破振動(dòng)引起的主應(yīng)力波動(dòng)基本結(jié)束。對(duì)比爆破壓力的時(shí)程曲線可以看出，掌子面處圍巖主應(yīng)力達(dá)到最大峰值的時(shí)間基本均在較為突出的爆破壓力峰值之后，且第一主應(yīng)力在達(dá)到最大峰值之前有一個(gè)明顯的累積增長(zhǎng)過(guò)程，第三主應(yīng)力則在應(yīng)力累積之后的極短時(shí)間內(nèi)降至最大峰值。巖體應(yīng)力的累積增長(zhǎng)可能與巖體的材料塑性特性有關(guān)，而第三主應(yīng)力最大峰值的突然出現(xiàn)可能是巖體在持續(xù)受拉后突然卸載的回彈造成的。

由此，在研究爆破荷載作用下的隧洞圍巖動(dòng)力響應(yīng)時(shí)不僅需要關(guān)注爆破最大峰值壓力對(duì)巖體的作用，在此之后的較小的峰值壓力持續(xù)作用有可能進(jìn)一步催化圍巖的破壞；同時(shí)，對(duì)于巖土體材料的塑性特點(diǎn)也需特別加以關(guān)注，不同的材料特性可能導(dǎo)致極大的動(dòng)力響應(yīng)差異。

總體來(lái)講，隧洞壁面處的主應(yīng)力峰值的應(yīng)力水平偏小，加之其作用時(shí)間較短，除緊鄰爆孔的壁面可能因主拉應(yīng)力的作用而留有少許碎裂痕跡外，其余主應(yīng)力不至造成圍巖的破壞。這符合爆破施工的目的，爆炸破巖時(shí)在輪廓線附近布置的爆孔是為了形成開(kāi)挖的壁面，巖石的破碎掉落情況不應(yīng)延伸至預(yù)定開(kāi)挖輪廓之外。而洞壁上不會(huì)出現(xiàn)過(guò)高主應(yīng)力，主要是由于爆孔邊緣距壁面有一定的距離，該距離的取值主要依靠對(duì)爆炸造成的粉碎區(qū)及裂隙區(qū)的計(jì)算與判斷。

因此，在設(shè)計(jì)爆破施工中，要注意控制爆破孔之間的距離排列和開(kāi)挖墻距離，以確保主應(yīng)力可能導(dǎo)致巖石碎片不會(huì)作用于設(shè)計(jì)墻在一個(gè)大范圍，以便控制超挖。同時(shí)，還應(yīng)注意環(huán)上孔的間距?？變?nèi)爆炸引起破碎區(qū)巖石破碎，同時(shí)破碎區(qū)外巖體產(chǎn)生裂縫，形成裂隙帶。爆破孔周圍裂隙帶貫通后，可能與完好巖體剝離，完成指定部位的開(kāi)挖；較小的間距有利于隧道開(kāi)挖的快速完成，但消耗炸藥多。多個(gè)爆破沖擊波的疊加和反射所引起的爆破振動(dòng)量可能會(huì)造成不必要的巖石破碎，影響施工安全，而大間距可能會(huì)導(dǎo)致爆破荷載在短時(shí)間內(nèi)作用難以達(dá)到巖石破碎的目的。

3.2 圍巖振速動(dòng)力響應(yīng)分析

從掌子面爆破振動(dòng)作用下圍巖振動(dòng)速度的角度看，振動(dòng)速度沿各方向時(shí)程曲線的變化趨勢(shì)隨爆破加載時(shí)間的增加呈現(xiàn)波動(dòng)和逐漸衰減的現(xiàn)象。因此，巖體振動(dòng)主要是由爆破壓力波引起的。與圍巖主應(yīng)力變化的時(shí)間曲線相似，炸藥爆轟后800 μs內(nèi)也出現(xiàn)較大的振動(dòng)速度，而炸藥爆轟后1 000 μs內(nèi)爆破引起的振動(dòng)速度減小到較小的值，并逐漸趨近于0。

隨著爆心距的增加，掌子面處圍巖依次開(kāi)始出現(xiàn)各方向上的振動(dòng)；距爆源0.1 m范圍內(nèi)的巖體各向振速在達(dá)到最大峰值前均出現(xiàn)了持續(xù)增長(zhǎng)的現(xiàn)象，與主應(yīng)力變化規(guī)律類似，區(qū)別于該范圍外圍巖的爆破振動(dòng)情況。越靠近爆源的圍巖的振速峰值越大，距爆源0.1 m處圍巖的豎直向振動(dòng)速度峰值可達(dá)到5.04 m/s、水平徑向振速的最大峰值為1.94 m/s、軸向振速的最大峰值為0.65 m/s；但隨著與爆源距離的增加，振速峰值的衰減也較快，距爆源0.2 m處的圍巖豎直向振速峰值即已降至1.2 m/s、水平徑向振速峰值降至0.12 m/s、軸向振速振速峰值則降至0.3 m/s；距爆源0.5 m以外的巖體豎直向振速峰值基本均降至0.5 m/s以下，其余兩向振速則接近于0；說(shuō)明振速峰值同樣在距爆源較近的圍巖內(nèi)部衰減幅度較大。

從各方向與爆破壓力的相對(duì)關(guān)系來(lái)看，垂直(徑向)振動(dòng)對(duì)爆破壓力荷載的響應(yīng)最為直觀，因?yàn)榇怪?徑向)振動(dòng)與爆破壓力方向一致，水平和徑向振動(dòng)也占一定比例。通過(guò)比較的值隨時(shí)間的變化曲線振動(dòng)速度在不同的方向，可以看出，最大垂直振動(dòng)速度一致的方向爆破壓力加載約為5.04 m/s，而最大橫向和徑向振動(dòng)速度方向垂直，爆破壓力加載為1.94 m/s，最大軸向振動(dòng)速度是0.65 m/s。

總體來(lái)講，進(jìn)行爆破施工設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)在相關(guān)規(guī)范中對(duì)巖體振速的相關(guān)規(guī)定的指導(dǎo)下進(jìn)行爆孔布置及裝藥量的計(jì)算，避免爆孔距開(kāi)挖輪廓線過(guò)近、爆孔間距過(guò)小或者爆破振動(dòng)幅值過(guò)大而導(dǎo)致的隧洞圍巖振速過(guò)大造成巖體破壞。

4 結(jié)論

巖體爆破施工主要依靠裝藥孔炸藥爆炸產(chǎn)生的爆炸沖擊載荷引起的巖體破碎，達(dá)到巖體開(kāi)挖的目的。爆炸能量對(duì)巖體的影響一直是工程界關(guān)注的問(wèn)題。本文研究了爆破荷載作用下隧道圍巖破壞的動(dòng)力響應(yīng)。對(duì)于隧道工作面圍巖，爆破振動(dòng)引起的圍巖主應(yīng)力和振動(dòng)速度隨時(shí)間的增加而衰減，最大峰值通常發(fā)生在爆炸后800 μs以內(nèi)；較大的峰值主要發(fā)生在爆破孔的圍巖附近，爆破引起的巖體振動(dòng)主要發(fā)生在爆破孔的徑向方向。相應(yīng)的振動(dòng)速度也較大。通過(guò)對(duì)隧道圍巖在爆破荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)的研究，可以進(jìn)一步了解巖體爆破施工的相關(guān)知識(shí)，充分了解爆破的荷載特征和工作方法。