層狀巖體隧道穩(wěn)定性及控制爆破技術(shù)研究

文／沈業(yè)倉、徐品德、張鵬、王丙輝 核工業(yè)金華建設(shè)集團(tuán)有限公司 浙江金華 321001

引言：

目前隧道掘進(jìn)主要采用的是光面爆破技術(shù)，該項(xiàng)技術(shù)除了能夠使隧道附近構(gòu)建出光滑輪廓以外，對隧道圍巖不會造成明顯的破壞，從而確保圍巖的承載力達(dá)到理想的要求。不過在層狀巖體采取隧道爆破開挖時，會因?qū)用娑鴮?dǎo)致圍巖具有明顯的異性，且還會使圍巖具有不連續(xù)性，在爆破過程中形成爆破氣體，其會順著較弱的層理面擴(kuò)散，從而使巖層剝落，斷面無法呈現(xiàn)出此前已經(jīng)設(shè)計(jì)完成的斷面形狀，由此引發(fā)超欠挖情況[1]。除了會浪費(fèi)大量的支護(hù)材料以外，還會給圍巖造成明顯的損壞。

浙江省蘭溪市橫溪鎮(zhèn)錢宅礦區(qū)礦地綜合開發(fā)利用項(xiàng)目隧道工程，隧道洞身為白堊紀(jì)下統(tǒng)壽昌組安山玢巖，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體破碎，為中風(fēng)化巖體，呈裂隙塊狀或中厚層狀結(jié)構(gòu)，圍巖自穩(wěn)能力較差，隧道開挖易松動、破裂導(dǎo)致坍塌、掉塊等，為Ⅳ級圍巖。

本文在不考慮斷面尺寸形狀以及其他地層構(gòu)造影響，僅針對理想狀態(tài)下的同一圍巖結(jié)構(gòu)，通過數(shù)值計(jì)算和錢宅礦區(qū)隧道工程現(xiàn)場測試的方式著重研究層狀巖體隧道穩(wěn)定性及控制爆破。

1.層狀圍巖隧道穩(wěn)定性數(shù)值分析

1.1 不同巖層傾角層狀巖體隧道數(shù)值統(tǒng)計(jì)

1.1.1 圍巖變形分析

通過對表1 的分析可得：

表1 不同傾角條件下隧道圍巖變形 單位：mm

（1）若巖層角度是0°，那么最高豎向位移值會處在仰拱底處，而若巖層角度達(dá)到90°的情況下，最高豎向位移就會處于拱頂位置。

（2）巖層傾角越大，那么拱頂下沉的程度就會降低，當(dāng)巖層傾角是0°的情況下，隧道開挖的拱頂沉降會達(dá)到12.31mm；當(dāng)巖層傾角是90°的情況下，拱頂沉降會達(dá)到9.75mm，從中了解到，下降了21%；巖層傾角越大，仰拱底部隆起值就會越小，巖層傾角是0°的情況下，仰拱底部隆起值是13.73mm，仰拱底部隆起值在巖層傾角是90°的情況下會達(dá)到9.32mm，降低了1.43 倍。

（3）隧道開挖時，其附近變形情況會因巖層傾角而產(chǎn)生較大的差異。一是會使隧道附近變形分布情況會從水平巖層的對稱分布轉(zhuǎn)換成不對稱分布；此外，各傾角會呈現(xiàn)出各自的變形量，在巖層傾角增加的情況下，水平收斂會表現(xiàn)出先增大再下降的現(xiàn)象，當(dāng)巖層傾角達(dá)到30°后為最大。隧道開挖的水平收斂會在巖層傾角為0°的情況下達(dá)到6.85mm，當(dāng)傾角是30°的情況下，會增加到8.15mm，然后就會降低，水平收斂會在傾角是90°的情況下會達(dá)到6.27mm，與最大收斂值比較，降低了1.88mm。

1.1.2 圍巖應(yīng)力分析

（1）隧道開挖的水平應(yīng)力和豎向應(yīng)力會受到巖層角度的影響，和層理面會處于幾乎平行的狀態(tài)。

（2）各種巖層傾角會讓圍巖最大主應(yīng)力分布在相應(yīng)的位置，同時會形成不同的大小。當(dāng)巖層角度是0°和90°的情況下，最大水平應(yīng)力會在左右墻腳處周圍，當(dāng)是0°的情況下，最大豎向應(yīng)力會處在左右墻腳位置，當(dāng)是90°的情況下，豎直應(yīng)力全部處在左右邊墻周圍，在巖層角度使30°和60°的情況下，最大水平應(yīng)力和豎向應(yīng)力全部處在左右墻腳位置周圍[2]。

1.1.3 支護(hù)結(jié)構(gòu)受力對比

（1）在巖層角度是0°和90°的情況下，支護(hù)結(jié)構(gòu)所受軸力和彎矩會形成對稱分布；在巖層傾角是30°和60°的情況下，襯砌軸力和彎矩圖形不會形成對稱。

（2）支護(hù)結(jié)構(gòu)的特征點(diǎn)所受軸力值和彎矩值會由于巖層傾角的加大而變大，在巖層傾角達(dá)到90°的情況下，特征點(diǎn)軸力和彎矩值會逐步降低。

1.1.4 塑性區(qū)對比

圍巖塑性區(qū)分布形狀會在各種巖層傾角下形成明顯的差異。在隧道的頂部、兩側(cè)等處會因水平層狀圍巖而產(chǎn)生塑性變形，會加大仰拱隆起的概率；巖層圍巖的傾角是30°的情況下，塑性變形會朝著傾角處延伸，塑性區(qū)處于隧道兩端，則會朝著巖層走向發(fā)展；層狀圍巖是90°的情況下，塑性區(qū)會延伸至拱部，會處在隧道兩端邊墻至拱腰處，體現(xiàn)出剪切破壞的特點(diǎn)；層狀圍巖是90°的情況下，隧道兩端邊墻區(qū)會產(chǎn)生較大的塑性變形，會加大發(fā)生邊墻彎曲的概率。

1.2 不同巖層厚度層狀巖體隧道數(shù)值統(tǒng)計(jì)

1.2.1 圍巖變形對比分析

通過對表2 的分析后可得：

表2 不同巖層厚度條件下隧道圍巖變形 單位：mm

表3 圍巖及炸藥物理學(xué)力學(xué)參數(shù)取值表

（1）巖層厚度對隧道開挖后圍巖位移的趨勢相同，不會決定隧道水平方向位移變形情況，不過卻會關(guān)乎到豎向位移變形。

（2）巖層厚度改變的情況下，最大豎向位移會處于拱底處，最大水平位移會全部處于左右邊墻位置；和水平位移相比，豎向位移值要更大，層厚和豎向位移、水平位移呈反比例關(guān)系；而巖層厚度加大，兩方向變形都會慢慢的降低。

1.2.2 圍巖應(yīng)力分析

進(jìn)行隧道開挖，拱頂和拱底會產(chǎn)生拉應(yīng)力，其范圍和層面厚度呈反比例關(guān)系。巖層厚度達(dá)到0.2m 的情況下，拱頂以上1.8m 與拱底以下3.4m 處會產(chǎn)生拉應(yīng)力，在巖層厚度達(dá)到0.35m 的情況下，只是在拱頂0.2m 處首層和拱底1.6m 處形成拉應(yīng)力。這充分證明頂板圍巖是否穩(wěn)定，主要取決于巖層是否有足夠的厚度[3]。

1.2.3 錨桿軸力對比

（1）對于水平層狀圍巖來講，在隧道開挖期間，拱部錨桿所受軸力值最大，而邊墻處錨桿受力不大，這就證明在近水平層狀巖體里，拱部錨桿可達(dá)到理想的支護(hù)效果；通常錨桿中間位置的應(yīng)力值最高，在往兩側(cè)后會慢慢變?yōu)?，符合錨桿的中性點(diǎn)理論。

（2）巖層厚度和錨桿所受軸力呈反比例關(guān)系，這充分證明圍巖條件相同的情況下，圍巖的穩(wěn)定性主要取決于巖層厚度。

1.2.4 塑性區(qū)對比

巖層厚度會關(guān)乎到圍巖塑性區(qū)的分布情況。盡管巖層厚度不一樣，不過屈服區(qū)產(chǎn)生的部位則較為類似，基本處于拱頂、邊墻和墻腳處。同時，巖層厚度在加大的情況下，塑性區(qū)范圍會逐步縮減。塑性區(qū)發(fā)生部位也是應(yīng)力集中的敏感部位，因此務(wù)必要實(shí)施特別處理。

2.層狀巖體隧道爆破控制技術(shù)

2.1 層狀結(jié)構(gòu)對爆破的影響

2.1.1 層狀結(jié)構(gòu)對爆炸應(yīng)力波的影響

巖體里的炸藥引爆以后，爆炸應(yīng)力波會向巖體里擴(kuò)散，這主要是因?yàn)閹r體的不連續(xù)性所導(dǎo)致。巖石里的瞬間波無法穿越具有空氣的裂縫，只能繞開。接下來圍繞平面彈性應(yīng)力波在各種介質(zhì)界面?zhèn)鞑ヒ?guī)律，對應(yīng)力波在層狀圍巖爆破中的傳播規(guī)律進(jìn)行分析。

圖1 應(yīng)力波入射節(jié)理示意圖

其中P1Cp1、P2Cp2代表的是結(jié)構(gòu)面兩側(cè)介質(zhì)的波阻抗，oi、or、ot依次是射波、反射波與透射波的應(yīng)力幅值，Vr、Vi反射波與透射波在傳播介質(zhì)里引起的質(zhì)點(diǎn)位移速度，A-A 代表的是節(jié)理界面，也就是巖石（P1Cpt）和充填介質(zhì)（P2CP2）的交界面。在入射壓力波（oi，Vi）遭遇A-A界面后，一些會透射進(jìn)充填介質(zhì)（oi，Vi）里，一部分反射回原巖（oi，Vr），通過推導(dǎo)后得出：

or=P2CP2-P1CP1/P2Cp2+P1Cpt

Ot=2P2Cp2/P2Cp2+P1Cp1

（1）若層理面里充填物是密實(shí)介質(zhì)的情況下，P1Cp1=P2Cp2，通過對or=P2CP2-P1CP1/P2Cp2+P1Cpt、Ot=2P2Cp2/P2Cp2+P1Cp1的分析后能夠了解到，or=0，ot=oi。在此狀況中，應(yīng)力波會經(jīng)節(jié)理面滲進(jìn)充填介質(zhì)。不過考慮到應(yīng)力波在層理面進(jìn)行傳播期間，會出現(xiàn)逸散情況，使應(yīng)力波強(qiáng)度變低。

（2）層理面充填物和巖體結(jié)構(gòu)不相符的情況下，也就是P2CP2≠P1Cp1，就證明在A-A 位置不但存在透射壓力波，同時也存在反射拉力波。在反射好入射的互相影響下，可使與飽孔一端節(jié)理面范圍里的碎石加大，結(jié)果會在節(jié)理面的另一面產(chǎn)生大塊碎石。

（3）在層理面具有水的情況下，狀況沒有多大區(qū)別。但受水的影響，使得巖石顆粒的粘結(jié)力和強(qiáng)度明顯下降。水還可起到對爆炸能量吸收的作用，同時參與炸藥反應(yīng)，從而讓炸藥變?yōu)樨?fù)氧平衡，形成大量有害氣體。爆炸能量越低，破巖效果就越不理想。

2.1.2 層狀結(jié)構(gòu)對爆轟氣體的影響

層狀圍巖具有層面，導(dǎo)致圍巖具備具有相異性，在此圍巖里采取光面爆破，會導(dǎo)致爆生氣體順平行層面往外溢，從而減弱爆破能量，這樣一來就會使巖體里的爆破能量分布不均，此外還會因節(jié)理面而導(dǎo)致應(yīng)力波反射、透射，進(jìn)而不斷沖擊巖體，最終導(dǎo)致巖體變形。

2.2 層狀巖體隧道爆破數(shù)值模擬

2.2.1 創(chuàng)建模型

（1）運(yùn)算范圍和運(yùn)算工況

從動力載荷的角度上來講，為能夠節(jié)省研究時間，通常所創(chuàng)建的運(yùn)算模型不會太大，可取隧道附近水平方向60m，豎直方向50m 即可。對IV 級圍巖進(jìn)行分析，通過相同巖層厚度，各種巖層傾角來予以研究。

（2）運(yùn)算參數(shù)

通過查找有關(guān)文獻(xiàn)，了解到模型運(yùn)算參數(shù)為：

2.2.2 爆破載荷運(yùn)算

對IV 級圍巖予以爆破載荷運(yùn)算，其中爆孔和炸藥直徑分別為42mm 和25mm（周邊眼采用小藥卷）。

（1）單段爆壓峰值運(yùn)算

在該公式里，Pb代表的是最大爆轟壓力，單位是Pa；P 代表的是炸藥密度，單位是kg/m3。V 代表的是炸藥爆速，單位是m/s。

（2）單孔爆孔壁壓力峰值

在公式里，Cp代表的是巖石縱波波速，單位是m/s；P0代表的是巖石密度，單位是kg/m3。

（3）單孔不耦合間隔裝藥孔壁壓力峰值為：

d 代表的是炸藥直徑，單位是m；D 代表的是爆孔直徑，單位是m；n 代表的是柱狀裝藥系數(shù)；v 代表的是氣體多方指數(shù)；N 代表的是單個爆孔的藥卷個數(shù)，通過裝藥量進(jìn)行運(yùn)算；

AO代表的是藥卷橫斷面積，其中；AL 代表的是爆孔橫斷面積，AL=πD2/4；l 代表的是藥卷長度；L 代表爆孔深度。

（4）傳遞至隧道開挖巖壁的爆破載荷壓力峰值

因不同爆孔間存在不同程度的距離，所以孔壁最大爆破壓力峰值均布到爆孔連心線上的均布壓力為：

在公式當(dāng)中，J 代表的是爆孔連心線距離，單位是m。

（5）爆破載荷時程曲線

n、m 代表無量綱和阻尼參數(shù)，其會關(guān)乎到爆炸脈沖的起始位置與脈沖波形。其中n 的值為0.055，m 的值為0.035。

W 代表的是介質(zhì)的縱波波速和爆孔直徑函數(shù)，也就是：

Po指的是在t=tR的情況下，f(tR)就是1.0 的常數(shù)，則

tR代表的是脈沖的起始時間，屬于n、m 與W 的函數(shù)：

把上面的所有運(yùn)算參數(shù)全部套到里，能夠了解到，在設(shè)計(jì)爆破參數(shù)條件下作用于隧道壁面位置的爆破載荷時程函數(shù)。如圖2 所示。

2.2.3 邊界條件

為了能夠最大程度的降低爆破地震波的反射影響運(yùn)算結(jié)果，需在模型兩端和底部建立靜態(tài)邊界。

2.3 結(jié)果分析

（1）通過爆破載荷，在不同巖層傾角中圍巖在振速、加速度都體現(xiàn)出了方位性的特點(diǎn)，而無論是拱頂還是拱腰，均為豎向，而拱腳則是水平向，和豎向相比，其下降速度更快。

（2）在不同巖層角度中，水平振速最快的是拱腳，其次是拱腰，最后是拱頂。傾斜巖層的水平振速并不對稱，和對稱的右拱腰和右拱腳振速相比，左拱腰和左拱腳振速更慢；巖層角在0°到90°的情況下，豎向振速最快的是拱頂，其次是拱腰，最后是拱腳，當(dāng)巖層角度是30°和60°的情況下，左拱腰大于拱頂大于右拱腰大于左拱腰大于右拱腳。

（3）巖層傾角處于水平狀態(tài)的情況下，當(dāng)輪廓爆炸時，拱頂、拱腰很有可能失去穩(wěn)定性，發(fā)生超挖的情況，而邊墻處就會比較平穩(wěn)，不過很容易發(fā)生欠挖的情況。在爆破期間要降低拱部附近的藥量；在巖層角度是30°和60°的情況下，左拱腰處很有可能發(fā)生超挖情況，在巖層角度是60°的情況下，左拱腰位置的超挖量要比巖層角度多；在巖層角度是90°的情況下，拱腰和拱腳處很有可能發(fā)生欠挖的情況。

結(jié)語：

層狀圍巖的層面除了會讓圍巖具有明顯的異性以外，還會導(dǎo)致圍巖不具備連續(xù)性。在層狀巖體里施工隧道期間，很有可能發(fā)生圍巖變形的情況。而本文就主要是通過數(shù)值計(jì)算和現(xiàn)場測試的方式著重研究了層狀巖體隧道穩(wěn)定性及爆破控制技術(shù)[4]。通過本文的研究，可為層狀巖體隧道爆破的安全性提供有價值的參考依據(jù)。