巖溶區(qū)小凈距隧道爆破控制研究

朱洪濤

（中國葛洲壩集團路橋工程有限公司，湖北 宜昌443000）

1 研究開展情況

1.1 工程概況

隧道工程是交通工程中的重要構造物，小凈距隧道以其布局緊湊的結構形式特點，能夠有效解決特殊地形條件下高等級路布線需求，已經得到了廣泛的應用，然而, 小凈距隧道在使用鉆爆法施工時爆破產生的振動對相鄰隧道結構安全影響一般都比較大，特別是在巖溶地區(qū)施工，地質的不確定性可能造成更大危害, 有時甚至導致隧道坍塌。本項目以宜張高速公路第三標段所屬的十三尖隧道的開挖工程為依托，隧道為小凈距隧道，采用鉆爆法開挖，所處的地質情況復雜，十三尖隧道開挖不到100m，便出現(xiàn)2 次中大型溶洞，溶洞的存在和爆破對巖溶發(fā)育處支護結構的影響是威脅圍巖穩(wěn)定與施工安全的重要因素，合理使用現(xiàn)有技術手段對巖溶發(fā)育區(qū)的爆破震害進行監(jiān)控顯得尤為重要。

1.2 研究方法

本課題采用室內試驗、理論研究、數(shù)值分析與現(xiàn)場監(jiān)測相結合、定性與定量分析相結合的方法。在對前人研究成果進行調查與分析的基礎上，通過對圍巖基本物理力學參數(shù)和動力學參數(shù)的試驗，布置現(xiàn)場監(jiān)測元件，建立數(shù)值分析模型，完成不同工況和巖溶發(fā)育條件下小凈距隧道的受力與變形特征，重點研究爆破震動荷載對巖溶和中巖墻的不利影響規(guī)律，并與監(jiān)測結果對比驗證。

2 研究內容和成果

2.1 圍巖的物理力學參數(shù)試驗

圍巖的物理力學參數(shù)采用現(xiàn)場原位試驗與實驗室室內試驗相結合的方法進行確定，然后根據工程現(xiàn)場的實際情況進行適當?shù)男拚，F(xiàn)場試驗主要進行現(xiàn)場直剪試驗和巖體應力測試兩個試驗。

實驗室試驗主要是借助SAS-1000 型微機控制電液伺服巖石三軸試驗機對圍巖力學參數(shù)進行確定，最大壓力高達1000kN，測量范圍為0-100mm，其承壓板剛度k≥5000kN/mm；其它物理參數(shù)由物理試驗確定。原位試驗主要是為了確定圍巖巖石的抗剪強度和原始地應力，室內試驗主要可以確定巖石的軟化系數(shù)、密度、彈性模量、泊松比、剪切模量、體積模量、摩擦角、粘聚力、抗壓強度等參數(shù)。巖石的具體物理力學參數(shù)匯總于表1。

2.2 儀表安設及數(shù)據獲取

2.2.1 壓力盒、多點位移計的安設

壓力盒與多點位移計安設于同一監(jiān)測斷面，壓力盒每個斷面布設4 個，一個位于拱頂，其余3 個分別位于中巖墻的拱肩、拱腰和拱腳；多點位移計每個斷面布置2 套，分別位于中巖墻的拱腰和拱腳（見圖1）。

壓力盒型號為TXR-2020，有1.0MPa 和1.6MPa 兩個量程；多點位移計選用5002 型振弦式多點位移計。按計劃十三尖隧道進口右布置10 個壓力位移監(jiān)測斷面。

具體布設情況見表2。

表2 壓力盒、多點位移計布設情況表

2.2.2 數(shù)據的收集與處理

由于壓力盒、多點位移計數(shù)據煩多，數(shù)據之間具有一定的相似性，下面僅以十三尖隧道進口右監(jiān)測斷面YK79+414 為例對壓力盒、多點位移計數(shù)據的收集與處理進行簡單的闡述說明。

圖1 壓力盒、多點位移計布設示意圖

監(jiān)測斷面YK79+414 于2014 年8 月25 日布設并開始讀取數(shù)據，截止到2014 年9 月23 號得到了如下圍巖壓力和內部位移數(shù)據：

圖2 十三尖隧道壓力曲線圖

2.3 爆破波數(shù)據的采集和處理

采集爆破波是為了獲得圍巖，特別是中巖墻在爆破波作用下的動力響應，通過對圍巖在大量爆破波作用下動力響應數(shù)據的收集和處理，建立巖溶發(fā)育區(qū)小凈距隧道的爆破振動BP 神經網絡，從而系統(tǒng)的分析隧道爆破對巖溶發(fā)育區(qū)小凈距隧道支護結構的影響，然后將上述結果與數(shù)值模擬得到的結果相互對比，指導隧道的下一步開挖。

采用TC-4850 型爆破測振儀采集數(shù)據，由專用軟件分析處理收集到的振動波，通過分析支護體系的動力響應來評估爆破波對隧道在巖溶發(fā)育區(qū)小凈距隧道支護結構的危害。截止到2014 年9 月23 日，已成功采集到爆破波16 組，其中12 組為有效爆破波，數(shù)據已初步形成系統(tǒng)。下面將以一組采集于十三尖隧道進口右的數(shù)據進行簡單的分析說明。

表3 十三尖隧道爆破振動波收集

上面這組數(shù)據采集于十三尖隧道進口右，從數(shù)據中可以分析出在一定用藥量的情況下，離爆破掌子面某一距離的支護結構三個方向的動力響應，例如三個方向的振幅，獲得最大振幅的時刻，爆破波的主頻等重要信息。

2.4 模型的建立

目前已初步確定所需的數(shù)值計算模型，正在進一步的完善和細化，模擬計算所需的一些主要參數(shù)也在不斷整理和完善，下面將給出初步建立的模型并進行簡單的解釋說明。

圖3 FLAC 3D 模型

初步擬定的計算區(qū)域為橫向124m，豎向60m，左右兩側計算邊界為4 倍左右隧道總跨度，下部邊界為2 倍左右隧道總高度。單隧道跨徑取11.6m，兩隧道凈距取14.6m，對隧道中巖墻處的網格進行了適當?shù)募用芴幚恚垣@得中巖墻更為精確的應力應變等結果。

完成初步建模之后，便可以根據前面所得到的的圍巖巖石物理力學參數(shù)進行試算，獲得圍巖在靜力作用下的應力應變的云圖等數(shù)據，并可以模擬隧道的開挖獲得圍巖內部的應力應變在不同階段的變化，同時可以驗證模型的合理性，不斷對模型進行優(yōu)化和調整。下面將展示一組十三尖隧道在自重作用下的應力應變云圖，用以簡單說明模型的計算過程。

圖4 十三尖隧道在自重作用下的豎向應力云圖

圖5 十三尖隧道在自重作用下的豎向位移云圖

隨著圍巖巖石物理力學參數(shù)的不斷優(yōu)化和模型的完善，將可以通過數(shù)值模擬獲得圍巖在不同的開挖階段的應力應變數(shù)據，了解圍巖最不利受力的位置，從而對支護結構進行優(yōu)化調整。

3 研究取得的創(chuàng)新點

由于小凈距隧道結構本身的特殊性，小凈距隧道結構中巖墻厚度受到限制，無論是巖溶發(fā)育規(guī)模、空間分布屬性等對隧道產生的危害，還是隧道施工爆破對圍巖、中巖墻以及襯砌結構產生的影響來說，都要比分離式隧道復雜和嚴重得多。這在以前的研究中都是考慮某一因素的影響，而沒有考慮巖溶地質條件和隧道結構特殊性的不利同時作用影響，巖溶發(fā)育條件下爆破對小凈距隧道震害控制技術是本課題特色，具有創(chuàng)新之處。

在研究方法上，結合理論研究、試驗研究、數(shù)值分析與現(xiàn)場監(jiān)測相結合的方法，系統(tǒng)考慮不同工況和不同巖溶地質條件的不利組合，利用數(shù)值模擬軟件FLAC 3D 的模擬計算與依托項目實際緊密結合，將結果相互印證，是本研究項目的的另一特色。