強(qiáng)巖爆隧道分區(qū)爆破卸壓數(shù)值模擬

康永全 孟海利 郭云龍 孫崔源 薛里 孫鵬昌

中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081

隨著我國鐵路建設(shè)向西部山區(qū)推進(jìn)，深埋長大隧道越來越多，埋深超千米的高地應(yīng)力隧道表現(xiàn)出與淺埋隧道迥然不同的力學(xué)特性［1］。由于開挖卸荷效應(yīng)產(chǎn)生不同烈度巖爆，嚴(yán)重影響工程進(jìn)度和施工安全。工程上常用的巖爆防治措施主要有提高光爆效果、超前鉆孔釋放應(yīng)力、灑水軟化圍巖、爆破卸壓、加強(qiáng)支護(hù)等。爆破卸壓多應(yīng)用于深部礦山臨時性巷道開挖防治沖擊地壓［2-4］，尚未在長期服役的交通隧道中推廣應(yīng)用，對強(qiáng)巖爆隧道進(jìn)行爆破卸壓的設(shè)計方法和安全性有待于進(jìn)一步研究。

數(shù)值模擬方法具有可重復(fù)、可預(yù)測、可視化優(yōu)點，成為研究爆破卸壓技術(shù)的有效工具。熊祖強(qiáng)等［5］通過數(shù)值模擬分析了三種卸壓爆破方案的應(yīng)力分布狀態(tài)，結(jié)果表明延伸輔助眼淺孔方案卸壓效果明顯且簡單經(jīng)濟(jì)。魏明堯等［6］采用數(shù)值模擬方法分析了不同裝藥量、不同厚度煤層和不同開采深度下爆破卸壓效果，并采用電磁輻射法驗證了卸壓效果。張恒等［7］利用有限元軟件模擬了不同炮孔深度下巷道變形和應(yīng)力變化規(guī)律，得到了卸壓爆破孔合理深度。目前隧道卸壓爆破通常采用的方法有兩種：①在隧道開挖成形噴射混凝土后，向四周圍巖呈放射狀布孔裝藥爆破［8］。這種方式需要孔深足夠長以確保藥包的內(nèi)部爆破作用，會影響正常鉆爆工序銜接，且工作量和安全隱患均較大。②在掌子面掘進(jìn)過程中采用加長輔助孔超前爆破［9］。該方法未形成持久的卸壓破裂帶，卸壓效果有限，且掌子面前方巖體破碎后容易導(dǎo)致鉆機(jī)卡鉆，影響鉆孔效率。

本文基于深部巖體的分區(qū)破裂化理論和高圍壓爆破破碎機(jī)理，提出對強(qiáng)巖爆隧道施工段進(jìn)行分區(qū)爆破卸壓的方法。建立三維精細(xì)化有限元模型，對分區(qū)爆破卸壓前后圍巖應(yīng)力和變形、錨桿軸力、二次襯砌結(jié)構(gòu)變形和壓應(yīng)力等指標(biāo)進(jìn)行定量分析，多角度驗證爆破效果。

1 分區(qū)爆破卸壓孔位置的選擇

巖爆發(fā)生的前提條件是硬脆性完整巖體具備高儲能特性。利用炸藥爆炸的能量對高賦能巖體進(jìn)行預(yù)裂，釋放一部分彈性應(yīng)變能，在特定位置誘導(dǎo)形成應(yīng)力集中帶，促使持力層向圍巖更深部轉(zhuǎn)移，從而改變隧道開挖面巖爆觸發(fā)的條件。取得良好卸壓效果的關(guān)鍵在于卸壓爆破孔的合理布置，也就是要確定卸壓爆破應(yīng)力釋放的區(qū)域。

深部巖體由于開挖效應(yīng)會間隔出現(xiàn)破裂帶和非破裂帶，直至應(yīng)力重分布達(dá)到平衡。Курленя М В 和Опарин В Н 通過大量理論和試驗研究發(fā)現(xiàn)分區(qū)破裂后破裂區(qū)半徑與隧道半徑有一定的關(guān)系，可表示為

式中：i為分區(qū)破裂帶編號，自隧道輪廓面向深部依次增大；ri為第i條破裂帶底面距隧道中心的距離；r0為隧道半徑；Δri為第i條破裂帶寬度。

結(jié)合深部巖體分區(qū)破裂化理論和高圍壓爆破破碎機(jī)理，在深埋隧道開挖后分區(qū)破裂前進(jìn)行誘導(dǎo)爆破卸壓，使分區(qū)破裂朝有利于隧道穩(wěn)定的方向發(fā)展。為維護(hù)隧道的穩(wěn)定性，卸壓區(qū)域應(yīng)選擇在分區(qū)破裂帶范圍內(nèi)，并降低卸壓爆破對隧道承載區(qū)的破壞作用。把裝藥區(qū)域（卸壓范圍）確定在第四條或第五條破裂帶，見圖1。根據(jù)破裂帶寬度，確定松動爆破孔網(wǎng)參數(shù)和裝藥參數(shù)。分區(qū)爆破卸壓的設(shè)計方法參見文獻(xiàn)［10］。

圖1 分區(qū)爆破卸壓炮孔布置

與圍巖四周輻射狀布孔、掌子面正前方布孔兩種方式相比，采用斜前方布孔分區(qū)爆破卸壓具有三個特點：①在深部巖體本應(yīng)分區(qū)破裂位置提前爆破預(yù)裂，加速了隧道開挖后分區(qū)破裂進(jìn)程，破裂區(qū)作為柔性防沖帶阻隔了高應(yīng)力的傳遞，使得承載區(qū)圍巖整體性得以保護(hù)，卸壓和支護(hù)協(xié)同作用變被動為主動，化不利為有利；②卸壓影響范圍廣，卸壓效果持續(xù)時間長，不僅施工期可有效防治巖爆，而且運營期隧道結(jié)構(gòu)也處于穩(wěn)定狀態(tài)；③卸壓爆破與掘進(jìn)爆破同步進(jìn)行，不額外增加施工工序，操作簡便，適用性強(qiáng)，使開挖循環(huán)范圍內(nèi)巖體始終處于低應(yīng)力狀態(tài)。

2 分區(qū)爆破卸壓數(shù)值模擬分析

2.1 模型的建立及參數(shù)選取

以位于高構(gòu)造應(yīng)力區(qū)的半徑4 m 隧道為工程依托，建立三維數(shù)值模型。模型尺寸為200 m × 100 m ×200 m，見圖2。施加地應(yīng)力：水平徑向40 MPa，豎直方向20 MPa，隧道軸向25 MPa。隧道拱頂發(fā)生巖爆的概率較大，因此在隧道拱頂120°范圍第四條破裂帶（底面距隧道輪廓面7 m）和第五條破裂帶（底面距隧道輪廓面12 m）位置進(jìn)行破裂等效模擬。

圖2 數(shù)值計算模型

計算工況：①不考慮隧道拱頂爆破卸壓；②在隧道拱頂120°范圍第四條破裂帶爆破卸壓；③在隧道拱頂120°范圍第五條破裂帶爆破卸壓。

施工過程模擬：先開挖Ⅰ部，及時施作Ⅰ部的錨桿，待圍巖變形釋放80%時施作Ⅰ部二次襯砌；然后，開挖Ⅱ部，及時施作Ⅱ部錨桿，待圍巖變形釋放80%時施作Ⅱ部二次襯砌。

通過室內(nèi)試驗，花崗巖單軸抗壓強(qiáng)度100 MPa，裂隙區(qū)巖體物理力學(xué)參數(shù)通過減小的方式等效模擬，具體參考文獻(xiàn)［11］取值，見表1。錨桿和襯砌設(shè)計參數(shù)為：在隧道圍巖拱部180°范圍梅花形交錯布置?22 砂漿錨桿，長4 m，間距為1.0 m（環(huán)向）× 1.5 m（縱向），二次襯砌結(jié)構(gòu)為厚40 cm的C30混凝土。

表1 爆破卸壓前后巖體物理力學(xué)參數(shù)

2.2 模擬結(jié)果分析

2.2.1 巖爆概率分析

巖爆烈度等級采用Barton 巖爆判據(jù)定量分析［12］，判別系數(shù)η為圍巖最大主應(yīng)力σ1和巖石單軸抗壓強(qiáng)度σc的比值。η=0.2～0.4時為中等巖爆，η>0.4時為嚴(yán)重巖爆。本工程σc=100 MPa，對應(yīng)的σ1=40 MPa。

三種工況下最大主應(yīng)力云圖見圖3?？芍孩儆捎谌驀鷰r壓力設(shè)置較高，隧道開挖瞬間卸荷，開挖面最大主應(yīng)力大于40 MPa 區(qū)域主要位于隧道拱部120°范圍、隧道拱腳、隧道底部、隧道掌子面等部位，具備嚴(yán)重巖爆發(fā)生條件。②第四條破裂帶爆破卸壓后，隧道開挖導(dǎo)致主應(yīng)力集中區(qū)域主要位于拱頂上部3～5 m 和拱底下部6～8 m，σ1>40 MPa 區(qū)域已經(jīng)向圍巖深部轉(zhuǎn)移，隧道開挖后洞壁附近圍巖應(yīng)力主要在5～25 MPa，應(yīng)力集中現(xiàn)象得到緩解。③第五條破裂帶爆破卸壓后，隧道開挖導(dǎo)致主應(yīng)力集中區(qū)域主要位于拱頂上部6～9 m，σ1>40 MPa區(qū)域向圍巖深部轉(zhuǎn)移，隧道開挖后洞壁附近圍巖應(yīng)力主要在5～20 MPa。與爆破卸壓前相比，洞周附近巖爆風(fēng)險顯著降低。與第四條破裂帶爆破卸壓工況相比，洞周附近圍巖應(yīng)力變化不大，這是由于卸壓區(qū)離洞壁更遠(yuǎn)，洞周附近圍巖完整性更好。④爆破卸壓前隧道拱頂η=0.5～0.7，拱腳η=0.6～0.9，掌子面主應(yīng)力也較大，這些部位發(fā)生巖爆的可能性及烈度等級都很大；第四條、第五條破裂帶爆破卸壓后，拱頂η降至0.15～0.20，拱腳η降至0.20～0.30，隧道開挖面應(yīng)力集中程度大幅降低，高應(yīng)力承載區(qū)分別集中在拱頂5 m（靠近第四條破裂帶）和拱頂9 m（靠近第五條破裂帶）處，說明爆破卸壓起到良好的誘導(dǎo)應(yīng)力轉(zhuǎn)移的作用，驗證了爆破卸壓的有效性。

圖3 三種工況下最大主應(yīng)力云圖（單位：Pa）

2.2.2 應(yīng)力變形分析

三種工況下應(yīng)力和位移對比見表2?？芍孩俦菩秹呵?，由于圍巖（花崗巖）堅硬且完整，圍巖水平和豎向位移均很小，地應(yīng)力以彈性應(yīng)變能的形式儲存于巖體中，在拱頂爆破卸壓后破碎帶形成，使巖體中儲存的能量以變形方式釋放出來，所以產(chǎn)生較大的變形，且豎向位移大于水平位移。②由于卸壓后圍巖變形增大，所以錨桿受力增加，二次襯砌變形增大。第四破裂帶爆破卸壓后錨桿軸力由卸壓前的11.90 kN增至69.37 kN，增大了4.8倍。由于地應(yīng)力釋放，傳遞給二次襯砌結(jié)構(gòu)的地應(yīng)力減小，二次襯砌壓應(yīng)力從卸壓前的6.11 MPa降至4.67 MPa，降幅23.6%。這證明了爆破卸壓通過有效釋放應(yīng)變能和轉(zhuǎn)移高應(yīng)力的方式達(dá)到防治巖爆的效果，也印證了該爆破卸壓方法的可行性。③與第四條破裂帶爆破卸壓工況相比，第五條破裂帶爆破卸壓工況圍巖豎向位移稍小，錨桿受力略降，襯砌呈現(xiàn)出變形減小、壓應(yīng)力增大的特征。這是由于第五條破裂帶離隧道輪廓面更遠(yuǎn)，洞周附近巖體完整性更好。整體而言，兩個工況計算結(jié)果差別不大，均能達(dá)到預(yù)期卸壓效果。根據(jù)巖爆烈度等級，可選擇雙區(qū)聯(lián)合爆破卸壓方式。

表2 三種工況下位移和應(yīng)力對比

3 結(jié)論

1）基于深部巖體分區(qū)破裂化理論和高圍壓爆破破碎機(jī)理，提出在隧道斜前方第四條或第五條破裂帶進(jìn)行分區(qū)爆破卸壓的方法。與掘進(jìn)爆破同步進(jìn)行，確保隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的同時，有效緩解了隧道前方應(yīng)力集中程度，使開挖過程始終處于低應(yīng)力狀態(tài)，適用于強(qiáng)（極強(qiáng)）巖爆隧道段應(yīng)力調(diào)整。

2）通過數(shù)值模擬，采取爆破卸壓后隧道輪廓面處的Barton 巖爆判別系數(shù)從0.50～0.90 降至0.15～0.30，巖爆發(fā)生的概率和烈度大大降低。卸壓后圍巖變形和二次襯砌變形增加，錨桿軸力增大了4.8倍，二次襯砌壓應(yīng)力降低了23.6%，證明了爆破卸壓通過有效釋放應(yīng)變能和轉(zhuǎn)移高應(yīng)力的方式達(dá)到防治巖爆的效果。

3）與第四條破裂帶爆破卸壓工況相比，第五條破裂帶爆破卸壓工況圍巖豎向位移稍小，錨桿受力略降，襯砌呈現(xiàn)出變形減小、壓應(yīng)力增大的特征。這是由于第五條破裂帶離隧道輪廓面更遠(yuǎn)，洞周附近巖體完整性更好。