地下巷道對(duì)近區(qū)爆破動(dòng)荷載的響應(yīng)特性研究*

閻要鋒，王公忠，嚴(yán)敏嘉,3，柴修偉，徐 亮，彭亞利，金勝利

(1.武漢理工大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院，武漢 430070；2.河南工程學(xué)院 安全工程學(xué)院，鄭州 450000；3.廣西民族大學(xué) 建筑工程學(xué)院，南寧 530006；4.武漢工程大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，武漢 430073；5.湖北興發(fā)化工集團(tuán)有限責(zé)任公司，興山 443700)

隨著世界經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，深部礦產(chǎn)資源開采、交通隧道、深埋存儲(chǔ)、深地軍事等工程將向深部巖體開挖轉(zhuǎn)變，“高地應(yīng)力”是深部巖石力學(xué)的重要研究方面，如錦屏二級(jí)水電站引水隧洞最大地應(yīng)力可達(dá)到72 MPa；錦屏一級(jí)和官地等水電工程地下洞室的最大主應(yīng)力也達(dá)到20～40 MPa。目前開挖施工中鉆爆法依然是深部工程開挖最常用的方式，相比于淺層巖體開挖，在“三高一擾動(dòng)”的影響下，深部巖體鉆爆開挖會(huì)呈現(xiàn)出更多的工程技術(shù)難題。國內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)深部巖體工程進(jìn)行了大量的研究探索，岳萬友[1]、蔡濟(jì)勇等采用有限元模擬方法研究深部裂隙巖體在爆破動(dòng)荷載作用下的力學(xué)特性[2]；宋凱文等從理論上分析和數(shù)值模擬角度討論了開挖過程中巖體內(nèi)應(yīng)力波傳播規(guī)律以及加卸載應(yīng)力波之間作用特征[3,4]，以及在顯式分析里面地應(yīng)力施加和初始地應(yīng)力對(duì)掏槽爆破有明顯的抑制作用[5,6]。Mandal和Singh發(fā)現(xiàn)在鉆爆開挖過程中[7]，初始地應(yīng)力的瞬態(tài)卸荷會(huì)大幅度增加隧洞的超挖量。嚴(yán)鵬等采用ANSYS的動(dòng)力計(jì)算模塊研究了巷道圍巖的動(dòng)態(tài)卸荷過程[8]，并將數(shù)值解與理論解進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。盧文波等基于等效彈性邊界概念[9]，提出了一種群孔起爆條件下爆炸荷載與開挖荷載瞬態(tài)卸荷耦合作用的等效數(shù)值模擬方法。

對(duì)于深部開挖卸荷下圍巖力學(xué)特征，董春亮等認(rèn)為主要表現(xiàn)為最小主應(yīng)力卸荷、最大主應(yīng)力集中[10]，而主應(yīng)力差的瞬間增大，誘發(fā)開挖面內(nèi)裂隙擴(kuò)展、貫通，形成由強(qiáng)及弱連續(xù)分布的破壞區(qū)。Carter等針對(duì)長隧道的開挖研究發(fā)現(xiàn)[11]，初始地應(yīng)力的瞬態(tài)卸載會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的拉應(yīng)力，其幅值與卸荷速率有關(guān)。同時(shí)深部巖體往往存在高地應(yīng)力，Toks和Kehrer認(rèn)為高地應(yīng)力誘導(dǎo)引起應(yīng)變能快速釋放誘發(fā)的地表振動(dòng)甚至超過爆炸地震波引起的地表振動(dòng)[12]。Cao等研究不同地應(yīng)力狀態(tài)下地應(yīng)力瞬態(tài)卸荷誘發(fā)圍巖振動(dòng)的特性[13]。Yang等采用幅值譜分析和時(shí)頻分析方法對(duì)地應(yīng)力瞬態(tài)卸荷誘發(fā)的圍巖振動(dòng)進(jìn)行了識(shí)別[14]。盧文波等認(rèn)為深埋高地應(yīng)力巖體爆破開挖，伴隨著爆破破巖裂紋擴(kuò)展以及新開挖面的形成[15]，開挖面上的地應(yīng)力在爆破瞬間也隨之釋放。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)深部巖體開挖過程進(jìn)行了全面系統(tǒng)的研究，而對(duì)于逐步向深部開拓采掘的礦山，對(duì)于相鄰開拓采掘巷道的爆破開挖施工的受力特征和變形破壞情況研究較少。因此通過構(gòu)建數(shù)值計(jì)算模型，研究臨近巷道爆破施工對(duì)于既有倒梯形隧道的影響，合理確定其安全距離有助于地下工程結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定，同時(shí)指導(dǎo)優(yōu)化鉆爆施工技術(shù)參數(shù)。

1 礦山地質(zhì)背景及計(jì)算模型

1.1 地質(zhì)背景

某磷礦地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，礦層呈緩傾斜產(chǎn)出，為薄-中厚層，礦體形態(tài)基本呈層狀分布且兩礦層相距較近，形成緩傾斜疊層礦體。礦層頂板為中厚層狀?yuàn)A薄層狀結(jié)構(gòu)，其中夾有相對(duì)軟弱薄層狀云質(zhì)泥巖。斷面形狀采用倒梯形布置，斷面頂板寬為4.2 m，底板寬為4.0 m，邊墻高為4.0 m，斷面面積為16.4 m2，礦石堅(jiān)固性系數(shù)f=10，巷道開挖斷面特征如圖1所示。

圖 1 某巷道輪廓Fig. 1 The outline of a roadway

1.2 計(jì)算模型

本數(shù)值模型采用ANSYS/LSDYNA顯式算法，為節(jié)省計(jì)算機(jī)時(shí)和提升計(jì)算效率，對(duì)該模型進(jìn)行相應(yīng)簡化如下：(1)將三維模型抽象為平面應(yīng)變模型來模擬在距離既有運(yùn)輸巷道不同距離處采準(zhǔn)巷道爆破施工對(duì)既有運(yùn)輸巷道的影響。模型的尺寸為：X、Y、Z分別為5000 cm、2400 cm、6 cm；(2)考慮到建立群孔炸藥的復(fù)雜性以及兩個(gè)巷道距離相對(duì)較遠(yuǎn)，為便于數(shù)值計(jì)算，用集中裝藥取代施工現(xiàn)場的群孔裝藥；(3)在模型邊界施加無反射邊界條件實(shí)現(xiàn)以有限的模型模擬無限域；(4)針對(duì)不同工況下特征單元精確位置選取問題，考慮模型尺寸較大且相鄰巷道距離較遠(yuǎn)特點(diǎn)，將巖石區(qū)域中的炸藥位置不進(jìn)行開挖設(shè)置炸藥而是另行建立炸藥單元附著在巖石上。模型材料采用2號(hào)巖石乳化炸藥參數(shù)如表1所示，磷礦石的力學(xué)參數(shù)如表2所示，爆破數(shù)值模型如圖2(a)所示，從圖2(b)中單元時(shí)程壓力曲線的特點(diǎn)可以看出，模型的簡化處理是合理的。

表 1 炸藥參數(shù)

表 2 巖石力學(xué)參數(shù)

圖 2 模型概況及單元應(yīng)力曲線圖Fig. 2 Model overview and element stress curve

2 爆破數(shù)值計(jì)算模型結(jié)果分析

地下礦山、交通隧道、水利工程等在施工過程中，同一水平或者不同水平相鄰巷道在不同時(shí)間甚至同一時(shí)間進(jìn)行鉆爆開挖施工時(shí)有發(fā)生，高能量的爆破荷載的輸入嚴(yán)重威脅到巷道結(jié)構(gòu)物的安全穩(wěn)定，巷道結(jié)構(gòu)物在施工過程中及其后續(xù)運(yùn)行過程中安全穩(wěn)定性成為亟待研究和解決的問題，因此以某個(gè)礦區(qū)某開采水平施工現(xiàn)場為背景進(jìn)行針對(duì)性分析來闡明不同相對(duì)水平位置處巷道爆破施工對(duì)既有運(yùn)輸巷道的影響。

2.1 爆源在巷道右側(cè)不同位置典型時(shí)刻應(yīng)力云圖分析

如圖3所示，不同時(shí)刻下爆源位置在既有運(yùn)輸巷道右側(cè)不同相對(duì)位置處的有效應(yīng)力云圖(依次記錄500 μs、3000 μs、4200 μs、9000 μs處的四個(gè)典型時(shí)刻)，根據(jù)在應(yīng)力波對(duì)巖石的做功過程中，根據(jù)炸藥對(duì)巖石做功的理論和原理，巖石在炸藥附近最先出現(xiàn)環(huán)向裂紋，然后出現(xiàn)徑向裂紋，裂紋交叉貫通實(shí)現(xiàn)了巖石破碎，在爆生氣體巨大的準(zhǔn)靜態(tài)氣體壓力作用下實(shí)現(xiàn)碎石的拋擲飛濺。圖3中的4個(gè)模型顯示爆源位置距離既有運(yùn)輸巷道依次是10 m、14 m、18 m、22 m，四個(gè)計(jì)算模型的有效應(yīng)力云圖形態(tài)的變化過程大致經(jīng)歷以下三個(gè)階段：第一階段在均質(zhì)各向同性的物理環(huán)境下應(yīng)力波呈現(xiàn)以炸藥為中心以柱面波的形式向四周傳播特點(diǎn)，其具體形態(tài)見500 μs時(shí)刻應(yīng)力云圖且隨著時(shí)間繼續(xù)應(yīng)力范圍不斷增大。第二階段：隨著應(yīng)力波繼續(xù)傳播，呈顯現(xiàn)出如圖3(a)中第2幅圖片所示的應(yīng)力集中現(xiàn)象，當(dāng)應(yīng)力波在行進(jìn)中遇到結(jié)構(gòu)物，應(yīng)力云圖產(chǎn)生劇烈的“結(jié)構(gòu)效應(yīng)”，見圖3(a)第3幅圖，應(yīng)力在巷道右側(cè)壁及其上隅角出現(xiàn)劇烈的應(yīng)力集中，同時(shí)應(yīng)力波在巷道側(cè)壁處產(chǎn)生強(qiáng)烈的反射，行進(jìn)的應(yīng)力波和反射的應(yīng)力波在削弱應(yīng)力的同時(shí)改變應(yīng)力波的而前進(jìn)方向。第三階段：當(dāng)應(yīng)力波波陣面通過巷道結(jié)構(gòu)后，應(yīng)力波的形態(tài)發(fā)生顯著變化，波陣面由最初凸形狀變?yōu)榘夹螤钋以谧畎继帒?yīng)力強(qiáng)度最低，在巷道左側(cè)壁處顯示為應(yīng)力降低區(qū)，僅在巷道左側(cè)上下隅角出現(xiàn)微弱的應(yīng)力集中，隨著爆源和既有運(yùn)輸巷道距離加大，到達(dá)既有運(yùn)輸巷道輪廓周圍的應(yīng)力波成分變得異常復(fù)雜，如圖3(a)的第2、3幅圖所示，出現(xiàn)這樣情況這可能與巷道結(jié)構(gòu)形狀、應(yīng)力波的疊加相關(guān)也可能與應(yīng)力波傳播一定距離后因強(qiáng)度衰減頻率分散有關(guān)，限于篇幅，僅對(duì)爆源位置在巷道右側(cè)10 m進(jìn)行具體研究和討論，后續(xù)的14 m、18 m、22 m的工況產(chǎn)生的有效應(yīng)力波云圖均出現(xiàn)上述特征，這里不再贅述。

圖 3 爆源位置在既有運(yùn)輸巷道右側(cè)典型時(shí)刻應(yīng)力云圖Fig. 3 Stress nephogram of typical moments at the right side of the existing transportation roadway where the detonation source is located

2.2 爆源位置在巷道右側(cè)不同位置處典型時(shí)刻單元應(yīng)力分析

在2.1節(jié)中采取定性的分析方法通過用應(yīng)力云圖分析來衡量和評(píng)價(jià)距離不同距離處的臨近巷道爆破產(chǎn)生的應(yīng)力波對(duì)既有運(yùn)輸巷道結(jié)構(gòu)安全和穩(wěn)定性的分析，為了能夠從不同方位和不同損傷破壞深度研究臨近巷道爆破對(duì)既有運(yùn)輸巷道的影響，從單元拉、壓應(yīng)力曲線角度對(duì)模型在頂板、底板、巷道幫部三個(gè)特殊部位選取特征單元進(jìn)行研究，圖4所示的A、B、C、D表示臨近巷道距離既有運(yùn)輸巷道依次是10 m、14 m、18 m、22 m，圖中橫軸為單元編號(hào)簡寫形式。

圖4顯示巷幫附近距離洞壁一定距離處選取的13個(gè)特征單元的應(yīng)力狀態(tài)，每個(gè)單元的尺寸為6cm，由表2參數(shù)可知巖石單元的應(yīng)力狀態(tài)均小于巖石的抗壓強(qiáng)度，且爆源距離洞壁距越遠(yuǎn)其壓應(yīng)力越小，并且都在距離洞壁附近處其壓力值變化幅度較大，在極小范圍內(nèi)單元由最小壓應(yīng)力變化為最大壓應(yīng)力，其最大壓應(yīng)力低于巖石的抗壓強(qiáng)度；特征單元拉應(yīng)力曲線亦在距離隧道洞壁42 cm處變化明顯，尤其爆源在距離既有運(yùn)輸巷道10 m，14 m處拉應(yīng)力變化最為明顯，且拉應(yīng)力數(shù)值較大超過巖石的抗拉強(qiáng)度。由上可知，在巷道巷幫附近處巖石的破壞以拉應(yīng)力破壞為主，同時(shí)相鄰巷道爆破施工巷幫的安全范圍為14～18 m。

圖 4 運(yùn)輸巷道巷幫附近單元應(yīng)力Fig. 4 Unit stress near roadway side of transportation roadway

圖(5)表明，巷道底板附近特征單元應(yīng)力變化特征，對(duì)于單元壓應(yīng)力：隨著爆源距離的增加，爆源在距離既有運(yùn)輸巷道10～18 m階段對(duì)應(yīng)單元的應(yīng)力衰減梯度較為明顯，爆源在距離既有運(yùn)輸巷道18～22 m階段單元應(yīng)力衰減幅度降低。各個(gè)模型中距離巷道輪廓越遠(yuǎn)壓應(yīng)力數(shù)值越小，這反映出與一般模型規(guī)律一致的特點(diǎn)，同時(shí)由圖5和表2可知單元的壓應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于巖石的抗壓強(qiáng)度不能引起巖石的直接破壞。對(duì)于單元拉應(yīng)力：其變化特征基本遵循拉應(yīng)力的變化規(guī)律，但爆源在距離既有運(yùn)輸巷道10～14 m階段時(shí)，單元拉應(yīng)力變化幅度較大，這可能與爆炸應(yīng)力波作用特點(diǎn)有關(guān)，也與巷道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有關(guān)，最大拉應(yīng)力超過巖石的抗拉強(qiáng)度，爆源在距離既有運(yùn)輸巷道18～22 m階段單元拉應(yīng)力變化較為平緩，且拉應(yīng)力數(shù)值較小，其數(shù)量級(jí)不足以造成巖石的破壞。因此，對(duì)于相鄰巷道爆破施工的巷道底板來說巷道變形破壞仍然是以拉應(yīng)力為主。

圖 5 運(yùn)輸巷道底板附近單元應(yīng)力Fig. 5 Unit stress near the floor of transport roadway

圖(6)顯示巷道頂板附近的單元應(yīng)力特征，單元編號(hào)從1到13表示特征單元距離隧道輪廓面越來越近，對(duì)于單元壓應(yīng)力：在爆源距離既有運(yùn)輸巷道為10 m時(shí)，無論壓應(yīng)力還是拉應(yīng)力特征單元曲線均出現(xiàn)震蕩的特點(diǎn)，這與應(yīng)力波的作用特點(diǎn)以及和巷道開挖后巷道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有關(guān)；同樣是在爆源距離既有運(yùn)輸巷道為18、22 m時(shí)，特征單元的應(yīng)力曲線變化趨于平穩(wěn)，巷道周邊的巖體仍是以拉應(yīng)力破壞為主，且既有運(yùn)輸巷道和臨近巷道的安全范圍在14～18 m之間。

3 結(jié)論

基于實(shí)際工程案例并結(jié)合顯示分析有限元軟件對(duì)距離既有運(yùn)輸巷道不同距離處的爆源進(jìn)行了相關(guān)分析，得出如下結(jié)論：

(1)通過對(duì)特征單元進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，巷道斷面近區(qū)巖石的破壞主要以拉應(yīng)力破壞為主，壓應(yīng)力僅起輔助破壞作用。

(2)通過對(duì)頂板、底板、巷道側(cè)壁選取特征單元研究，結(jié)果表明相鄰巷道的合理布置范圍在14～18 m范圍之內(nèi)。

(3)通過分析相鄰巷道爆破開挖爆炸應(yīng)力波對(duì)既有運(yùn)輸巷道應(yīng)力云圖，發(fā)現(xiàn)倒梯形斷面對(duì)于爆炸應(yīng)力波有極強(qiáng)的引導(dǎo)和發(fā)散作用，有效抑制爆炸應(yīng)力波對(duì)巷道的破壞，有利于維護(hù)巷道的安全穩(wěn)定。

圖 6 運(yùn)輸巷道頂板附近單元應(yīng)力Fig. 6 Unit stress near the roof of transport roadway