爆破施工對隧道圍巖的穩(wěn)定性影響分析

尹曉玉，李建功

（1.云南云嶺公路工程注冊安全工程師事務(wù)所有限公司，昆明 650206；2.昆明華潤置地三聯(lián)置業(yè)有限公司，昆明 650200）

天然巖體具有微裂隙等宏觀缺陷。隧道在爆破施工中不可避免地會破壞圍巖，導(dǎo)致巖體力學(xué)性能發(fā)生較大變化，降低圍巖的穩(wěn)定性[1-2]。許多研究成果表明[3-6]，頻繁爆破也會對周圍的巖石造成累積性破壞，使其承載能力減弱，從而影響隧道在施工過程中的安全。在隧道開挖過程中，施工人員常常采用爆破的方法來進(jìn)行巷道的掘進(jìn)與巖石的開挖。但是，爆破時不可避免地會產(chǎn)生能量較大的沖擊應(yīng)力波。這些沖擊應(yīng)力波會對圍巖產(chǎn)生巨大影響，可能導(dǎo)致周圍巖石的裂縫與變形，嚴(yán)重影響到建設(shè)的設(shè)計計劃與施工進(jìn)度，且爆破產(chǎn)生的振動效應(yīng)也可能會嚴(yán)重影響到山體及周圍環(huán)境的穩(wěn)定性。對于隧道來說，周圍環(huán)境的穩(wěn)定極其重要，尤其是隧道施工時的圍巖穩(wěn)定性關(guān)系著重大的經(jīng)濟(jì)效益與安全性。稍有問題，可能會引發(fā)無法挽回的災(zāi)難。隧道施工時，圍巖的穩(wěn)定性對工程的影響必須重視[7-11]。由此來看，研究爆破對圍巖穩(wěn)定性的影響具有很大的實(shí)用價值，對保障隧道施工安全具有重要意義。

1 隧道開挖爆破產(chǎn)生的破壞和擾動

在施工階段，采用爆破手段進(jìn)行開挖時，炸藥在爆破過程中會產(chǎn)生很多種波，例如爆炸在傳播中的爆轟波，爆轟物在空氣中傳播產(chǎn)生的沖擊波，介質(zhì)向初始狀態(tài)變化的膨脹波等。爆炸產(chǎn)生的有害效應(yīng)也很多，比如爆破地震效應(yīng)，爆破爆炸空氣沖擊波效應(yīng)，爆破飛石效應(yīng)等。這些波和效應(yīng)都會對圍巖產(chǎn)生不同程度的破壞與擾動。以下從2個主要方面來研究爆破產(chǎn)生的破壞和擾動。

1.1 爆破的內(nèi)部作用

所謂爆破的內(nèi)部作用，即施工過程中，所裝藥包的中心與自由面的垂直距離超過臨界值，則爆炸后，爆炸的破壞作用未能到達(dá)自由面，在自由面上是看不到爆炸的痕跡的，爆炸只發(fā)生在了巖體內(nèi)部。內(nèi)部作用時，爆炸產(chǎn)生的應(yīng)力波的作用會隨著時間、距離而不斷變化。一般把破壞的范圍分為4個部分。

（1）擴(kuò)大空腔。即爆炸使炮孔周圍產(chǎn)生破壞，破孔變大。

（2）壓碎區(qū)。又稱壓縮區(qū)，即直接與藥包接觸的巖石，在爆炸發(fā)生后，爆炸產(chǎn)生的爆轟壓力激發(fā)了在巖石中傳播的沖擊波，沖擊波的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于巖石的動抗壓強(qiáng)度。使巖石破碎或形成壓縮空洞。

（3）破裂區(qū)。即沖擊波在通過壓碎區(qū)后，強(qiáng)度變小，以致于低于巖石的動抗壓強(qiáng)度，無法直接造成巖石的破碎。這種低于巖石動抗壓強(qiáng)度的波稱為壓縮波。壓縮波在壓碎區(qū)外圍的巖石中傳播，引起切向拉應(yīng)力，使得外圍的巖石產(chǎn)生徑向裂縫。同時壓縮波還會使外圍巖石壓縮，巖石的應(yīng)力釋放，出現(xiàn)環(huán)向裂縫。徑向環(huán)向的交互作用，使得巖石被割據(jù)成塊。

（4）振動區(qū)。在破裂區(qū)外圍的巖石，應(yīng)力波強(qiáng)度無法使巖石產(chǎn)生破壞。但是，這些應(yīng)力波會產(chǎn)生巖石的彈性振動。

1.2 爆破的外部作用

外部作用與內(nèi)部作用相對立。當(dāng)藥包的中心與自由面的垂直距離低于臨界值，則爆炸后，爆炸的破壞作用能到達(dá)自由面，造成自由面附近的巖石破壞。主要從以下幾點(diǎn)討論外部作用。

（1）爆炸產(chǎn)生的沖擊波或者應(yīng)力波在到達(dá)自由面后，會發(fā)生發(fā)射，反射波與入射波相反。反射波則為拉力波，使得巖石被拉斷。導(dǎo)致巖石從自由面向內(nèi)部破碎。

（2）自由面反射回來的拉伸波，與裂縫端口處的應(yīng)力場相互疊加，導(dǎo)致裂縫的延伸。

（3）巖石中的準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力場被改變。使得巖石在自由面方向受到剪切破壞更加容易。

2 隧道巖體爆破擾動分布規(guī)律分析

2.1 爆炸應(yīng)力波的衰減規(guī)律

在沖擊波傳播一段時間后，會逐漸衰減成應(yīng)力波，此時的瞬時性和強(qiáng)度都會被減弱，因此應(yīng)力波相對而言較為柔和，衰減也較為緩慢。因此，應(yīng)力波的作用范圍也比較大。雖說應(yīng)力波沒有沖擊波破壞性大，但是仍然可以使巖石發(fā)生變形和破壞。對應(yīng)力波的分析可以從很多點(diǎn)出發(fā)，易于監(jiān)測、應(yīng)用最為廣泛的方法便是質(zhì)點(diǎn)的振動速度。爆破振動條件下，薩道夫斯基公式[12]可以用來計算質(zhì)點(diǎn)振動峰值速度，公式如下

式中：V為質(zhì)點(diǎn)振動峰值速度，cm/s；Q為單段最大裝藥量，kg；R為為爆心距，m；k、a、β為與環(huán)境、藥量等條件相關(guān)的參數(shù)。

對式（1）2邊取對數(shù)，得到

假定參數(shù)γ計算如下

式中：Q、k、α、β均為定值。

則質(zhì)點(diǎn)振動峰值速度與爆心距之間的關(guān)系為

2.2 爆破擾動分區(qū)及判據(jù)

已經(jīng)證明，質(zhì)量振動的峰值速度可以作為巖體受損程度的直接指標(biāo)[13]。依據(jù)顏峰等[14]的研究，下式可以計算圍巖損傷因子即

式中：D為損傷度，無量綱；R為爆心距，m；A、B為計算參數(shù)。

將式（4）與式（5）合并可得

式中：A'、B'為計算參數(shù)。

巖石損傷程度的4個程度劃分，見表1。

表1 質(zhì)點(diǎn)峰值振動速度與巖體損傷效果（BAUER判據(jù)）

由表1可知，本研究可以按照巖體的損傷程度，將爆破后，圍巖的破壞分為斷裂區(qū)、嚴(yán)重破壞區(qū)、輕微破壞區(qū)和無破壞區(qū)4個區(qū)。本文重點(diǎn)分析了第二和第三破壞區(qū)。

式中：Lz為嚴(yán)重?fù)p傷區(qū)的長度。

式中：Lq為輕微損傷區(qū)的長度。

DL/T 5389—2007《水工建筑物巖石基礎(chǔ)開挖工程施工技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定：爆破損壞時，巖體的損傷閾值為0.19。以此為依據(jù)，筆者認(rèn)為嚴(yán)重?fù)p傷區(qū)上限和輕微損傷區(qū)下限分別為0.19和0，并代入式（6）。得到A'=0.082，B'=-0.264。

3 隧道圍巖應(yīng)力狀態(tài)

在隧道爆破開挖過程中，爆破沖擊荷載使巖體中的細(xì)小結(jié)構(gòu)缺陷（如微裂縫、微孔隙等）擴(kuò)展為宏觀裂縫，導(dǎo)致巖體本身的力學(xué)性能下降，結(jié)構(gòu)劣化。同時，爆破和開挖等工程力量破壞了巖體的初始地應(yīng)力場，導(dǎo)致巖體中的應(yīng)力重新分布。在開挖過程中應(yīng)用支護(hù)結(jié)構(gòu)可以防止圍巖因圍巖體力學(xué)性能劣化而發(fā)生不穩(wěn)定，及時應(yīng)用初始支護(hù)可以改善受損圍巖的力學(xué)性能，增強(qiáng)其穩(wěn)定性。

3.1 隧道開挖后圍巖的應(yīng)力狀態(tài)影響

隧道在進(jìn)行爆破開挖前，巖體由于其初始應(yīng)力的作用，處于彈性平衡狀態(tài)。爆破后，由于一部分的巖石剝離，產(chǎn)生一個空間，使得巖體失去了原有的支撐力以及約束力。周邊巖石產(chǎn)生一定的位移，進(jìn)而導(dǎo)致深部巖石的位移。當(dāng)深度到達(dá)一定程度，巖體的應(yīng)力狀態(tài)為保證力學(xué)平衡而發(fā)生改變。這種使巖體達(dá)到新的平衡狀態(tài)的應(yīng)力分布，稱為二次應(yīng)力或重分布應(yīng)力。二次應(yīng)力狀態(tài)主要影響因素如下。

（1）初始應(yīng)力場。巖體中的應(yīng)力場是復(fù)雜的三維應(yīng)力場，巖體的初始應(yīng)力狀態(tài)也受到很多因素的影響。比如自重、構(gòu)造運(yùn)動、地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)、巖體的力學(xué)性質(zhì)、孔隙流體和溫度等。

（2）開挖斷面形式。斷面橢圓比（長軸與短軸之比）越大，拱頂?shù)睦瓚?yīng)力區(qū)越大，角部的應(yīng)力集中現(xiàn)象越顯著；圓形斷面的應(yīng)力狀態(tài)最好。

（3）巖體結(jié)構(gòu)的影響。二次應(yīng)力場的分布與結(jié)構(gòu)面的方向有很大的關(guān)系。

（4）巖體性質(zhì)。巖石的物理性質(zhì)、強(qiáng)度特性、變形特性及流變都會影響二次應(yīng)力狀態(tài)。而巖石的性質(zhì)，又會受到巖石本身礦物成分，巖石的結(jié)構(gòu)構(gòu)造，水、溫度、風(fēng)化程度、圍壓與加載速度的影響。

（5）施工方式。在施工時，可以根據(jù)施工環(huán)境及施工要求合理選擇施工方式。根據(jù)地質(zhì)和水文條件、隧道斷面及形狀、長度、支護(hù)的方式、施工技術(shù)條件及工期等，合理選擇爆破方法。目前，使用較多的方法有全斷面法和正臺階法。

3.2 隧道開挖后圍巖的應(yīng)力特點(diǎn)

隧道斷面周圍圍巖主接觸壓力的最終穩(wěn)定值的分布如圖1所示。圖1假設(shè)為正壓應(yīng)力和負(fù)拉應(yīng)力。

根據(jù)圖1中2個不同斷面的圍巖—主支撐接觸壓力的分布情況，可以得出斷面周圍圍巖壓力分布的特點(diǎn)主要有以下幾點(diǎn)。

圖1 斷面圍巖—主支撐接觸壓力在斷面周邊分布圖

（1）支護(hù)結(jié)構(gòu)基本處于壓應(yīng)力狀態(tài)，即隧道開挖后，形成了一個裸露的自由面，圍巖應(yīng)力在向洞內(nèi)擠壓過程中重新分布，對支護(hù)結(jié)構(gòu)施加壓應(yīng)力。

（2）在圍巖壓力穩(wěn)定后，斷面的最大壓力出現(xiàn)在拱頂，其次是左肩。由于初期支護(hù)的質(zhì)量受人為因素的影響，混凝土噴射的壓力和混凝土硬化發(fā)展的不同程度對圍巖與初期支護(hù)的接觸壓力有不同程度的影響，導(dǎo)致圍巖壓力在隧道斷面上的空間分布不均勻。

（3）左洞的爆破開挖對右洞的圍巖有一定程度的干擾，特別是右洞的左側(cè)，圍巖的質(zhì)量直接影響到圍巖壓力的大小。根據(jù)圖1所示，支護(hù)結(jié)構(gòu)左側(cè)監(jiān)測點(diǎn)的壓力值大于支護(hù)結(jié)構(gòu)右側(cè)監(jiān)測點(diǎn)的壓力值，左側(cè)承受的壓力較大，且壓力主要集中在拱肩的范圍內(nèi)。

（4）在圍巖力學(xué)較好的情況下，壓力釋放較快，由于隧道設(shè)計剖面的受力特點(diǎn)和初期支護(hù)的時間，支撐結(jié)構(gòu)在隧道右側(cè)的上、下臺階側(cè)壁受力較小。

3.3 隧道巖石開挖的破壞分析

3.3.1 巖石隧道爆破破壞區(qū)的特征分析

巖體本身存在的一些軟弱面，這些軟弱面的強(qiáng)度是明顯低于巖石的。所以，那些不能引起圍巖變化的應(yīng)力波，可能會對這些軟弱面產(chǎn)生較大的影響。爆破后，爆破荷載的作用會導(dǎo)致這些軟弱面加劇。例如，巖石內(nèi)部的裂隙和節(jié)理的延伸與開裂，最后導(dǎo)致巖石的劣化。顯然，當(dāng)巖體中存在大量此類裂縫時，其性質(zhì)將發(fā)生重大改變，形成了一個爆破破壞區(qū)。如果這樣的破壞區(qū)存在于周圍的巖石中，勢必會阻礙巖石隧道的安全和穩(wěn)定。

3.3.2損傷變量

巖體損傷狀態(tài)的描述，可以使用損傷變量來描述。損傷變量是指巖石內(nèi)部存在多種形式的缺陷，比如裂縫和機(jī)理。是相互作用的，并不是獨(dú)立控制損傷的發(fā)展?fàn)顟B(tài)。由于巖石內(nèi)部，缺陷繁多，不可能對所有的缺陷進(jìn)行物理描述。每個裂縫端部的應(yīng)力場也不可能全部確定。因此，描述含有繁多裂紋的區(qū)域的損傷狀態(tài)的場變量時，稱損傷變量。根據(jù)拉博諾夫定義損傷變量D為

式中：A為表觀面積；A*為損傷面積。

（1）當(dāng)圍巖處于無損傷（初始損傷）狀態(tài)時，D=0；

（2）當(dāng)圍巖處于完全損傷（斷裂）狀態(tài)時，D=1；

（3）當(dāng)圍巖處于不同程度的損傷狀態(tài)時，0

假定單元體在不考慮損傷時的表觀應(yīng)力為σ，而考慮損傷時的有效應(yīng)力為σ′，則據(jù)式（9）和σ·A=σ′A′可得

測定有效面積相對來說有一定的難度。因此，假設(shè)應(yīng)力和有效應(yīng)力分別作用在有損和無損材料上，而引起的應(yīng)變是等價的。

式中：E為材料無損傷時的彈性模量；為受損材料的有效彈性模量。

式中：f（a，t）為微觀缺陷分布；D（σ，t）為巖體損傷變量；ρ為巖體微觀缺陷的密度。

4 隧道爆破對圍巖的防護(hù)措施

4.1 錨桿

通過將錨桿埋入巖土內(nèi)部，依靠周圍穩(wěn)定地層的抗剪強(qiáng)度傳遞拉力，提高結(jié)構(gòu)物或者巖土體的穩(wěn)定性。其特點(diǎn)是打入巖體內(nèi)部以后，可以在巷道周圍形成承載拱，通過改變圍巖力學(xué)狀態(tài)，提高巷道穩(wěn)定性。錨桿有很多優(yōu)點(diǎn)，比如效果好、成本低、操作方便、工人在使用階段可以靈活運(yùn)用及使用器械安裝也很方便，且其占地面積較小，可以有效節(jié)省施工占地，施工速度也比較快。但是，也有一定的缺點(diǎn)，比如封閉性差，無法有效減緩巖石的風(fēng)化，錨桿之間的巖石剝落也無法阻止。

4.2 噴射混凝土

通過使用機(jī)器，將混有速凝劑和高壓水的混凝土噴涂在巖壁上?；旌衔镌趲r壁上迅速凝結(jié)，形成一層密封的保護(hù)膜?？梢杂行岣邍鷰r的穩(wěn)定性，以及防治水、風(fēng)等對巖壁的侵蝕。其優(yōu)點(diǎn)是成本低、工作量小、機(jī)械化程度高、使用方便、應(yīng)用面廣及可操作性強(qiáng)等。其效果也是非常的好。

4.3 拱架

弧形框架的主要功能包括在噴射混凝土支護(hù)功能出現(xiàn)之前提供支護(hù)；突出混凝土的加固；作為超前支護(hù)的支點(diǎn)（包括早期的小管道和管棚）；與混凝土和錨定螺釘一起形成初始支撐。初期隧道支護(hù)拱結(jié)構(gòu)通常包括型鋼結(jié)構(gòu)和鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。型鋼框架具有剛度大、承載力強(qiáng)和受力及時等特點(diǎn)，其廣泛應(yīng)用于軟弱破碎圍巖、需要超前支護(hù)或塌方處理的圍巖地段；但該段鋼結(jié)構(gòu)與噴射混凝土黏結(jié)不好，與圍巖的縫隙難以用噴射混凝土填實(shí)。由于型鋼兩側(cè)的噴射混凝土由型鋼進(jìn)行保溫，型鋼附近的混凝土暴露在空氣中，與型鋼2側(cè)的混凝土存在溫差，鋼結(jié)構(gòu)附近的噴射混凝土容易出現(xiàn)裂縫。與型鋼框架相比，網(wǎng)格鋼框架具有受力好、重量輕、剛度可調(diào)、節(jié)省鋼材及易于制造和安裝的優(yōu)點(diǎn)，鋼架2側(cè)的噴射混凝土可以整體連接，共同工作。

4.4 施工方法

施工可以使用多段毫秒起爆，有效減少爆破振動。合理設(shè)計爆破方案，間隔時間要設(shè)計合理，保證爆破后巖石得到充分松動。合理選取爆破參數(shù)和單位體積的炸藥消耗量。

4.5 超前支護(hù)

超前支護(hù)是對施工支護(hù)的輔助。

5 結(jié)論

（1）對隧道開挖時，使用爆破方法產(chǎn)生的破壞和擾動進(jìn)行了闡述。

（2）對爆破擾動的分布規(guī)律進(jìn)行了分析。

（3）隧道的圍巖應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行了分析。

（4）例舉了利用錨桿、噴射混凝土和拱架支護(hù)等5種防護(hù)措施，提高圍巖的穩(wěn)定性。