爆破震動對金堆城東川河隧洞影響分析

王修緣

金堆城鉬業(yè)股份有限公司，陜西渭南 714102

0 引言

在金堆城露天礦礦區(qū)內(nèi)，爆破震動誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險可能性較大的主要設(shè)施有東川河引水隧洞、排土場和周圍建筑物等。東川河引水隧洞是金堆城露天礦南擴非常重要的河流改道工程，隧洞的安全運行對露天礦的安全生產(chǎn)起著重要的作用，但該引水隧洞圍巖節(jié)理、斷層構(gòu)造極為發(fā)育，圍巖穩(wěn)定性非常差，距離南露天作業(yè)的采場較近（垂直距離最小為47m，水平距離最小為42m）。工程擾動和自然擾動均會對東川河引水隧洞造成不利影響。因此，開展爆破震動對礦區(qū)周圍重要設(shè)施有害效應(yīng)研究十分必要。通過爆破震動條件下對礦區(qū)周圍重要設(shè)施現(xiàn)場實際監(jiān)測和數(shù)值模擬試驗，對爆破震動誘發(fā)礦區(qū)周圍重要設(shè)施的安全風(fēng)險進行分析與評估，制定防災(zāi)減災(zāi)預(yù)案，做到防患于未然的目標。

1 東川河隧洞基本概況

1.1 爆破震動對隧洞安全影響

爆破震動會對地下隧洞的穩(wěn)定性會造成很大影響，主要因為爆破震動會導(dǎo)致地下隧洞的巖石力學(xué)性質(zhì)的變壞，如果隧洞周圍的圍巖構(gòu)造節(jié)理裂隙比較發(fā)育，則會造成更大影響。爆破震動作用會加快原有圍巖裂隙的張開與擴展，產(chǎn)生新的裂隙，降低巖體聲波的速度，增大圍巖滲透系數(shù)，從而可能引起地下建筑物、地表或構(gòu)筑物的倒塌與破裂，隧洞片幫及冒頂?shù)鹊刭|(zhì)災(zāi)害。爆破震動對既有隧洞的影響研究主要從理論分析方法、實驗方法和計算機數(shù)值模擬方法等幾個方面進行。

1.2 東川河引水隧洞

東川河發(fā)源于東部高山區(qū)，流經(jīng)礦區(qū)東部，從南露天境界內(nèi)流過，全長約9.5km。為了實施露天礦南擴計劃，必須將原東川河改造成東川河引水隧洞。東川河隧洞全長1 280m，開挖斷面寬6m、高7m，襯砌厚度為30mm～50mm。目前，東川河引水隧洞位于南露天爆區(qū)下方，高差約70mm～110m。爆區(qū)在整個采場內(nèi)隨生產(chǎn)計劃移動。

根據(jù)長安大學(xué)2006年12月提供的“金堆城東川河引水隧洞圍巖工程地質(zhì)編錄報告”，東川河隧洞的圍巖斷層和節(jié)理構(gòu)造非常發(fā)育，巖體完整性很差，多呈碎塊狀結(jié)構(gòu)，局部地段呈散體結(jié)構(gòu)，屬典型的硬、脆、碎型圍巖，圍巖類別Ⅳ～Ⅴ類，圍巖均含有水，圍巖的穩(wěn)定性非常差。隧洞距離南露天采場最小垂直距離僅為47m，最小水平距離為42m，爆破震動和礦山的正常生產(chǎn)活動對隧洞的安全運行均有著非常不利影響，隧洞的安全狀況令人擔(dān)憂。

1.3 露天礦南露天基本地質(zhì)情況

金堆城礦區(qū)南部見上元古界官道口群高山河組不整合覆蓋于熊耳群之上。上元古界官道口群高山河組以一層不穩(wěn)定的石英礫巖層與下伏地層呈不整合接觸。南露天礦區(qū)淺部以石英巖及板巖層為主，深部以蝕變安山玢巖為主。礦區(qū)普遍發(fā)育各種方向的節(jié)理，尤以安山玢巖中更為普遍，以剪節(jié)理為主，張節(jié)理次之。礦區(qū)中心部分安山玢巖中節(jié)理比較復(fù)雜、密集，礦體邊緣及其它巖石中的節(jié)理相對較為簡單和稀疏。f7斷層產(chǎn)狀為1350∠750，為壓扭性斷層，寬約3m，在東川河引水隧洞0+274m處出現(xiàn)

2 現(xiàn)場試驗研究及數(shù)據(jù)分析

2.1 南露天生產(chǎn)爆破參數(shù)

南露天生產(chǎn)爆破采用垂直深孔，炮孔直徑為250mm，臺階高度為12m，臺階坡面角為69°，孔網(wǎng)參數(shù)為7m×9m，堵塞長度為5.5m～6.5m，單孔最大藥量為430kg，采用車混乳化炸藥裝藥。爆破網(wǎng)路采用基于Orica非電高精度導(dǎo)爆管雷管的孔外延期網(wǎng)路，空間延期時間選用25ms、排間選用65ms或100ms。

2.2 東川河隧洞圍巖地質(zhì)結(jié)構(gòu)分析與引水隧洞危險段確定

根據(jù)“金堆城東川河引水隧洞圍巖工程地質(zhì)編錄報告”，東川河隧洞所處地段經(jīng)長期的構(gòu)造運動及巖漿活動，地層缺失現(xiàn)象嚴重，巖漿巖侵入變質(zhì)巖巖層，各種褶皺和斷裂極為發(fā)育，大小斷層達13處之多。該引水隧洞圍巖巖性以安山玢巖、石英巖為主，巖石堅硬，強度較高。圍巖完整性差，多呈散體～碎塊狀結(jié)構(gòu)，局部地段呈散體結(jié)構(gòu)，且裂隙水較發(fā)育，尤其在斷層及其影響帶附近，地下水甚至呈涌泉狀，某些圍巖段結(jié)構(gòu)面光滑，結(jié)合程度差，某些結(jié)構(gòu)面走向與隧道軸線近于平行，產(chǎn)狀不利，側(cè)壁壓力較大，使得原本較差的圍巖穩(wěn)定性進一步惡化。綜上所述，已建隧洞圍巖主要的危險圍巖段分為以下幾種：

1）圍巖極為破碎的地段；

2）斷層及其影響帶，一般也是地下水發(fā)育的圍巖段；

3）結(jié)構(gòu)面結(jié)合程度較差，或產(chǎn)狀極為不利的圍巖段；

4）施工中出現(xiàn)嚴重掉塊甚至坍塌，超挖嚴重的圍巖段。

本次測點設(shè)置主要依據(jù)地質(zhì)結(jié)構(gòu)分析中所列出的四種危險段進行設(shè)置，同時根據(jù)實際項目需要進行補充。增設(shè)代表性圍巖斷面，主要包括安山玢巖Ⅴ代表性斷面、石英巖Ⅳ級代表性斷面。

2.3 爆破震動測試系統(tǒng)

目前振動測試主要使用非電量電測系統(tǒng)，基本組成包括傳感器、中間交換器及記錄裝置三大部分。本次試驗采用成都中科動態(tài)儀器有限公司生產(chǎn)的TC-4850爆破震動儀及配套的速度傳感器，可完成多通道數(shù)據(jù)的采集、存儲和分析。TC-4850爆破震動記錄儀是一種便攜式儀器，具有記錄、分析爆破引起的地震波形信號，儀器直接與速度傳感器相連，將本設(shè)備安裝在測試點附近，每臺儀器可獨立及時自動記錄128M大小的振動事件文件及其采集時刻，儀器通過RS232 接口將波形傳給計算機，由計算機對數(shù)據(jù)進行處理。

2.4 試驗數(shù)據(jù)與軟件模擬分析

由于該隧洞所處地段經(jīng)過長期的構(gòu)造運動及巖漿活動，地層缺失現(xiàn)象嚴重，巖漿巖侵入變質(zhì)巖巖層，各種褶皺和斷裂極為發(fā)育，大小斷層達13處之多。該引水隧洞圍巖巖性以安山玢巖、石英巖為主，巖石堅硬，強度較高。圍巖完整性差，多呈散體～碎塊狀結(jié)構(gòu)，局部地段呈散體結(jié)構(gòu)，且裂隙水較發(fā)育，尤其在斷層及其影響帶附近，地下水甚至呈涌泉狀，某些圍巖段結(jié)構(gòu)面光滑，結(jié)合程度差，某些結(jié)構(gòu)面走向與隧洞軸線近于平行，產(chǎn)狀不利，側(cè)壁壓力較大，使得原本較差的圍巖穩(wěn)定性進一步惡化。根據(jù)這些地質(zhì)特點與工程的現(xiàn)狀選用現(xiàn)在這一類工程中最常用的FLAC3D軟件。

表1 部分隧洞爆破監(jiān)測數(shù)據(jù)一覽表

通過模擬結(jié)果與實測如表1結(jié)果反復(fù)比對，確保模擬材料屬性確定的準確性。在確定并根據(jù)現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)確認模擬材料屬性后，逐步減小露天采場離引水隧洞的最小垂直距離和最小水平距離，對引水隧洞的最危險面進行模擬，得出爆破震動對該斷面引水隧洞的影響規(guī)律。

利用FLAC 3D對東川河引水隧洞進行了數(shù)值模擬，模擬結(jié)果表明，在豎直振速為2.6cm/s～9.85cm/s的工況條件下，其位移變化在0.01mm～0.801mm范圍內(nèi)，爆破震動產(chǎn)生的應(yīng)力在其強度范圍內(nèi)，隧洞處于穩(wěn)定狀態(tài)。設(shè)定露天采場離引水隧洞的最小垂直距離模擬為45m時，斷面頂部質(zhì)點在豎直方向上的振動速度已經(jīng)達到了14.5cm/s，并有繼續(xù)增大的趨勢。當最小垂直距離僅有40m時，最危險斷面的頂部質(zhì)點的豎直方向上的振動速度的最大值達到了66.5cm/s，大大超出了安全規(guī)范要求的最大值15cm/s。

3 試驗成果分析

通過對東川河引水隧洞圍巖工程地質(zhì)編錄報告的分析、洞內(nèi)洞外的震動監(jiān)測、回歸分析和數(shù)值模擬，研究了東川河引水隧洞在南露天生產(chǎn)爆破震動荷載作用下的動態(tài)響應(yīng)特性，取得如下主要成果：

1）依據(jù)東川河引水隧洞圍巖工程地質(zhì)編錄報告，通過隧洞圍巖地質(zhì)結(jié)構(gòu)分析，圈定了隧洞危險地段，確定了試驗研究震動測試測點設(shè)置斷面位置；2）根據(jù)東川河隧洞內(nèi)外的爆破震動效應(yīng)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，獲取了爆破地震波由采場向隧洞傳播的規(guī)律。監(jiān)測數(shù)據(jù)分析顯示，降雨對爆破震動傳播有明顯的影響；3）現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析顯示，采場距隧洞的最小垂直距離為87m，最小水平距離為125m時，斷面2的頂部質(zhì)點在豎直方向上的振動速度的最大值已經(jīng)到達了7.54cm/s，已經(jīng)超過了安全允許值的下限。0+275m監(jiān)測斷面數(shù)據(jù)明顯偏大，由爆破震動波傳播理論可知，地質(zhì)條件是影響震動波傳播的主要因素，因此初步推斷造成數(shù)據(jù)異常偏大的可能原因是在0+274m處出現(xiàn)產(chǎn)狀為1350∠750的f7斷層和襯砌拱頂上部空區(qū)的影響；4）現(xiàn)場測試和數(shù)值模擬結(jié)果均顯示：隨著爆破振速的增加，隧洞壁產(chǎn)生的動態(tài)位移也呈相應(yīng)增加趨勢，表明隧洞襯砌動態(tài)位移與震動速度是關(guān)聯(lián)的。東川河引水隧洞在目前生產(chǎn)爆破震動作用條件下的動態(tài)位移最大為0.576mm，大部分分布在0.01mm～0.1mm之間。利用FLAC 3D對東川河引水隧洞進行了數(shù)值模擬，模擬結(jié)果表明，在豎直振速為2.6cm/s～9.85cm/s的工況條件下，其位移變化在0.01mm～0.801mm范圍內(nèi)，爆破震動產(chǎn)生的應(yīng)力在其強度范圍內(nèi)，隧洞處于穩(wěn)定狀態(tài)。因此，可以直接依據(jù)GB6722-200《爆破安全規(guī)程》規(guī)定的質(zhì)點震動速度7cm/s～15cm/s作為水工隧洞安全判據(jù)；5）數(shù)值模擬預(yù)測分析結(jié)果顯示，東川河引水隧洞與露天采場爆破區(qū)域間的最小垂直距離為50m時，斷面2的頂部質(zhì)點在豎直方向上的振動速度的最大值為14.5cm/s，當最小垂直距離只有40m的時候，其振動速度的最大值達到了66.5cm/s。表明在小于最小垂直距離50m平臺實施生產(chǎn)爆破時必須改變目前的爆破參數(shù)，否則會對東川河引水隧洞造成破壞性影響。

4 結(jié)論

根據(jù)研究結(jié)果可知，隨著爆破區(qū)域離東川河隧洞越來越近，爆破振動會對引水隧洞產(chǎn)生破壞性的影響，因此，在后期的礦山生產(chǎn)中，應(yīng)根據(jù)采場距隧洞的實際距離，調(diào)整礦山臨近東川河隧洞生產(chǎn)爆破參數(shù)設(shè)計，嚴格控制生產(chǎn)爆破振動對引水隧洞的不良影響，后期盡快進行隧洞襯砌空洞探明并進行必要的注漿加固施工。為確保隧洞安全及生產(chǎn)正常進行，應(yīng)采用實時在線監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)控爆破震動指標，及時調(diào)整爆破設(shè)計。

[1]劉春玲，祁生文，童立強.利用FALC3D分析某邊坡地震穩(wěn)定性[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2004，23(16)：2730-2733.

[2]譚忠盛，楊小林，王夢恕.復(fù)線隧道施工爆破對既有隧道的影響分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2003，22(2)：281-285.

[3]王新建.爆破振動公害及其控制研究[J].北京：公安大學(xué)學(xué)報，2002(3)：76-79.

[4]李海波，蔣會軍，趙堅.動荷載作用下巖體工程安全的幾個問題[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2003，22(11)：1887-1891.