地下洞室開挖爆破對初期支護安全的影響綜述

摘 要：通過查閱國內(nèi)外大量文獻，綜述了爆破對初期支護的影響機理研究現(xiàn)狀與進展，分析了地下工程建設(shè)最常見的錨噴支護中噴射混凝土和砂漿錨桿的破壞機理；介紹了常用的爆破作用下圍巖初期支護結(jié)構(gòu)響應(yīng)的預(yù)測模型和方法，以及考慮初期支護齡期和入射波頻率的幾種安全標準，最后指出了現(xiàn)階段發(fā)展存在的問題，如爆破對初期支護影響機理的研究仍滯后、計算方法和預(yù)測模型仍有局限性、現(xiàn)場檢測手段亟待發(fā)展等。

關(guān)鍵詞：噴射混凝土；砂漿錨桿；爆破振動；預(yù)測方法；安全標準

中圖分類號：TB41" " " " " " " " " " " " " " " " " 文獻標志碼：A" " " " "doi：10.19679/j.cnki.cjjsjj.2025.0115

0 引言

鉆孔爆破法是地下工程的常用開挖手段，相較于機械開挖，具有效率高、操作靈活等特點，被廣泛應(yīng)用于水利水電、公路交通、礦產(chǎn)開采等工程領(lǐng)域[1]。然而，其有害效應(yīng)同樣不能忽視，炸藥能量瞬間釋放產(chǎn)生的高強度荷載不僅作用在待開挖巖體上，也給周圍保留巖體及鄰近結(jié)構(gòu)物帶來了一定的擾動，導(dǎo)致?lián)p傷產(chǎn)生（如圍巖片幫，初噴開裂，錨桿失效等）。地下洞室中，由于工程地質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性[2]，開挖過程中會不可避免地遇到節(jié)理、斷層帶等比較破碎的區(qū)域，導(dǎo)致洞室掉塊塌方的風(fēng)險增加，相關(guān)工程大多采取噴射混凝土和錨桿聯(lián)合支護的形式來穩(wěn)定圍巖。在支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的前提下，地下工程的安全性大幅提高[3]，但是隨著隧洞不斷進尺開挖和跟進支護，進尺開挖始終會對支護產(chǎn)生一定的影響，因此，支護結(jié)構(gòu)在爆破荷載作用下的響應(yīng)，一直是國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的重要課題[4-6]。

1 爆破對初期支護的影響機理研究

初期支護（以下簡稱“初支”）作為一種開挖期維持圍巖穩(wěn)定的工程辦法，主要包含噴射混凝土（又稱“初支混凝土”）及錨桿。

1.1 爆破對初支混凝土的影響

噴射混凝土在初支中主要起到抵抗圍巖壓力、填充巖石裂隙的作用，將松散的圍巖嵌合為一個整體，能快速提高巖石的自穩(wěn)能力，而爆破荷載作用下初支混凝土的破壞主要包括混凝土自身拉裂和混凝土與巖石的粘結(jié)力失效導(dǎo)致的脫空[7]。爆破荷載對初支的影響主要由爆破應(yīng)力波引起，應(yīng)力波的峰值超過混凝土抗拉強度時，混凝土支護失效[8]。唐先習(xí)等[9]通過研究噴射混凝土的凝結(jié)硬化原理，認為噴射混凝土在初凝期易受爆破應(yīng)力波影響，其內(nèi)部膠凝材料與骨料之間的開裂形成初始缺陷，從而影響初支結(jié)構(gòu)的后期強度增長，但沒有量化初支結(jié)構(gòu)的強度受爆破影響的程度。萬春浪等[10]依托某隧道工程分析了全斷面法、上下臺階法和三臺階法爆破荷載作用下，初支混凝土受影響程度的空間分布規(guī)律。胡振鋒等[11]利用APDL語言編程對ANSYS二次開發(fā)，進行噴射混凝土襯砌的有限元分析，主要應(yīng)用了混凝土損傷的基本理論和混凝土分段曲線損傷模型，得出了噴射混凝土襯砌的損傷受爆破沖擊波影響的數(shù)值解，并按照5%的允許損傷準則計算得出了不同條件下的最大裝藥量。范凱亮[12]、斯郎擁宗等[13]通過現(xiàn)場監(jiān)測分析和數(shù)值模擬法分析了不同圍巖等級、不同開挖方式、不同開挖進尺下爆破對初支噴層的影響，得出了混凝土在不同齡期以及爆心距下?lián)p傷程度的變化規(guī)律。Chu等[14]基于損傷累積試驗研究混凝土在不同振速下的抗壓強度變化，建議混凝土的爆破振動安全標準設(shè)為1.5 cm/s。單仁亮等[15]利用模型試驗?zāi)M了巷道的爆破掘進，研究了初支混凝土在循環(huán)爆破作業(yè)下的累積損傷效應(yīng)，爆心距與爆破損傷之間存在非線性關(guān)系，并用二次多項式進行擬合得出，爆破近區(qū)的初支混凝土的損傷是需要關(guān)注的重點。模型試驗、數(shù)值模擬作為研究的重要手段，與現(xiàn)場實際的擬合度方面有時存在偏差，應(yīng)用于現(xiàn)場時常常要將偏差考慮在內(nèi)。

1.2 爆破對錨桿的影響

錨桿也是穩(wěn)定圍巖的重要結(jié)構(gòu)，大量學(xué)者研究了錨桿在循環(huán)爆破荷載作用下的動態(tài)響應(yīng)。劉少虹等[16]采用錨桿無損檢測系統(tǒng)對煤礦巷道進行現(xiàn)場原位試驗，發(fā)現(xiàn)爆破藥量和煤體性質(zhì)是導(dǎo)致錨桿軸力損失的核心因素，同時錨桿軸力損失與錨桿方位相關(guān)。易長平等[17]根據(jù)動力波理論，采用波函數(shù)展開法研究了爆炸應(yīng)力波與錨桿的相互作用，比較了不同頻率應(yīng)力波對錨桿的影響，認為入射波頻率越高，砂漿錨桿所允許的安全質(zhì)點峰值振速越大。張向陽等[18]對爆炸荷載作用下錨桿受力性能進行了研究，結(jié)果表明在頂爆條件下，拱頂部位是加固重點，錨桿端部受力以受拉為主，在根部以受壓為主；在拱頂爆炸荷載作用下，拱部錨桿的受力要大于側(cè)墻部位錨桿的受力，并且這兩個部位的錨桿壓應(yīng)變峰值和拉應(yīng)變峰值均產(chǎn)生在桿體中間部位。胡帥偉等[19]采用結(jié)構(gòu)動力學(xué)理論，計算了爆破振動下錨桿動力響應(yīng)解析解，得出了黏結(jié)式錨桿在爆破振動作用下的振動規(guī)律，認為錨固長度對錨桿振動效應(yīng)的影響較大，適當(dāng)降低錨固長度能夠減小錨桿振動。

單仁亮等[20]通過模型試驗研究了集中裝藥爆破荷載作用下臨近爆源端錨錨桿的動態(tài)響應(yīng)，采用小波包理論分析爆破引起錨桿振動的頻率分布，進一步證明彎曲應(yīng)變波的頻率隨錨桿至爆源距離的增加而衰減。薛亞東等[21]利用有限差分程序FLAC對回采巷道錨桿支護（端錨和全錨）進行地震動載模擬分析，提出端錨支護巷道受動載的破壞較全錨小，建議動載巷道錨桿支護采用端錨（或加長端錨）方式。楊自友等[22]通過模型試驗比較了爆破作用下不同錨桿間距對洞室圍巖的加固效果，認為較小間距的錨桿加固效果較好。周紀軍等[23]通過模型試驗研究了端錨固結(jié)構(gòu)不同部位（如錨固段，自由段和錨尾）在掏槽爆破作用下的振動規(guī)律和損傷，控制振動幅值、主頻段、持續(xù)時間和提高結(jié)構(gòu)抗動載性能可以預(yù)防錨固結(jié)構(gòu)損傷，如控制爆破規(guī)模、調(diào)整錨固結(jié)構(gòu)組件和優(yōu)化注漿材料等。王光勇等[24]利用有限元軟件LS-DYNA研究了集中裝藥應(yīng)力波作用下錨桿的動載響應(yīng)和應(yīng)力分布規(guī)律，分析得出拱部和邊墻位移的不協(xié)調(diào)可能會導(dǎo)致拱腳和側(cè)墻錨桿剪切破壞。

2 爆破作用下初支結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)預(yù)測模型和方法

關(guān)于初支與圍巖形成的整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性研究，國內(nèi)外學(xué)者做了大量工作。徐剛等[25]在大規(guī)模地下開挖中建立了相似材料預(yù)測模型，分析了地下結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。謝楠等[26]模擬爆破等施工環(huán)境，研究了不同齡期混凝土的強度等性能，提出了適用于早齡期噴射混凝土徐變度的預(yù)測模型。

除實物模型外，許多學(xué)者采用計算機編程等計算分析法提高預(yù)測模型的計算效率。軟巖等不穩(wěn)定圍巖支護結(jié)構(gòu)常用的變形預(yù)測方法有拉格朗日插值法、指數(shù)平滑法、樣條插值法、回歸模型法[27–28]、時間序列分析法[29–31]、灰色系統(tǒng)[32–35]和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[36–40]等。王永巖[41]通過研究指出，后3種方法在精度上從高到低排序為：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、時間序列分析、灰色系統(tǒng)；模型適應(yīng)性從高到低排序為：時間序列分析、灰色系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；在建模難易上，從難到易為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、時間序列分析、灰色系統(tǒng)；但從適用性上看，3種方法預(yù)測結(jié)果的局限性均較強，僅適用于一定條件和一定程度下的預(yù)測。

大型地下洞室的穩(wěn)定性分析是工程中一大難題[42-43]。聶衛(wèi)平等[44]為預(yù)測糯扎渡水電站調(diào)壓井圍巖支護結(jié)構(gòu)的極限位移，建立了隨機權(quán)重粒子群算法-最小二乘支持向量機（RandWPSO-LSSVM）預(yù)測模型，并與工程實際對比，最大誤差僅為6.72%。劉唐圣等[45]將Fisher判別分析模型運用于支護效果分析，預(yù)測結(jié)果良好。鄧廣哲等[46]基于高應(yīng)力軟巖巷道支護抗爆分析，采用機器學(xué)習(xí)將支護結(jié)構(gòu)簡化為葫蘆結(jié)構(gòu)模型，分析了不同破壞強度下的模型預(yù)測精度，精度均在90%以上。在預(yù)測模型的自變量選取上，工程師常將爆破參數(shù)和支護參數(shù)同時間變量一起加入預(yù)測模型，將現(xiàn)場觀測量作為已知量，并用各種算法（如遞推平差方法和卡爾曼濾波算法等）估計模型中需要的工程系數(shù)，得到的預(yù)測結(jié)果在精度和計算效率方面具有優(yōu)勢[47-48]。

3 爆破條件下初支混凝土和錨桿安全標準

從20世紀開始，爆破振速就作為安全判據(jù)被廣泛應(yīng)用于工程領(lǐng)域[49]，初支中最易受影響的是初噴后齡期較短的新澆混凝土，基于爆破振動對新澆混凝土影響的復(fù)雜性，新澆混凝土的安全控制標準主要通過相關(guān)工程經(jīng)驗總結(jié)并考慮一定的安全裕度得到。國內(nèi)外學(xué)者針對爆破振動對新澆大體積混凝土的影響開展了一系列試驗，Hulshizer[50]通過試驗認為新澆混凝土在振速達到5 cm/s時不產(chǎn)生損傷。朱傳統(tǒng)等[51]基于現(xiàn)場實測資料并參考類似工程經(jīng)驗，提出了新澆大體積混凝土爆破振動控制標準。

本質(zhì)上，噴射混凝土區(qū)別于大體積混凝土。黃琦等[52]基于理論推導(dǎo)和現(xiàn)場試驗，得出爆破振動并非都降低混凝土強度，在初凝至中凝期間（7～20 h）爆破振動會強化混凝土，但中凝以后（20 h以后）爆破振動有可能使混凝土產(chǎn)生內(nèi)部裂縫，從而劣化混凝土。在此基礎(chǔ)上，隨著支護混凝土齡期增長，其受爆破影響受損的安全振速閾值快速增長。唐先習(xí)等[53]依托某隧道工程現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)及薩氏經(jīng)驗公式進行回歸分析，得出不同齡期噴射混凝土的安全振速閾值（見表1）。

謝江峰等[54]通過現(xiàn)場振動測試和信號分析，運用爆破動力學(xué)理論，指出單次爆破的損傷增量超過增量閾值并不一定造成材料的破壞以及在混凝土中摻入早強劑有顯著減震效果。舒大強等[55]參考三峽工程中新澆混凝土安全控制標準（見表2），通過薩氏公式回歸、設(shè)置振速警告值、爆破方案優(yōu)化等技術(shù)手段，提出了相應(yīng)的安全控制技術(shù) ，為類似工程提供了參考。

一些學(xué)者通過現(xiàn)場試驗和計算，提出了初支工程中錨桿的安全振速標準。朱斌等[56]采用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA建立了計算模型，根據(jù)錨桿安全軸力計算得到了不同圍巖級別、不同齡期下隧道爆破開挖砂漿錨桿的安全振速（見表3）。

《水電水利工程錨噴支護施工規(guī)范》（DL/T 5181—2017）[57]中規(guī)定噴射混凝土作業(yè)完成后4 h、砂漿錨桿安裝后6 h，方可進行下一循環(huán)的爆破作業(yè)，實際爆破作業(yè)中錨桿的振速也有嚴格的安全標準（見表5）。

4 結(jié)束語

國內(nèi)外大量工程利用爆破破巖，尤其隧道、礦井等地下工程，初期支護在其中發(fā)揮著巨大的作用，尤其在爆破作業(yè)條件下保障初期支護安全穩(wěn)定就是保障圍巖安全穩(wěn)定，是至關(guān)重要的工程安全目標。相關(guān)研究很大程度上促進了初期支護的保護工作，但仍不充分。建議從以下幾個方向加強爆破對初期支護的相關(guān)研究：

（1）由于爆破地震波傳播、地質(zhì)條件和工程材料的復(fù)雜性，相比于工程實踐，爆破對初期支護的影響機理研究仍處于滯后狀態(tài)，亟待進一步的研究。

（2）更快速、更精確、全方位、全生命周期的圍巖支護結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)、監(jiān)測技術(shù)和反饋機制，包括預(yù)測模型和計算方法在內(nèi)越來越被工程需要。

（3）保守的安全標準最大程度確保了工程安全，但過于保守有時會增加大量的投資。在降本增效、保質(zhì)保量的工程環(huán)境下，通過考慮多尺度的控制方案，將圍巖優(yōu)劣、爆破方案等因素考慮在內(nèi)的同時進一步精細劃分安全標準有助于工程效率與安全的雙重控制。

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收稿日期：2024-03-14

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目（52279093，52079009）；中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費項目（CKSF2023187/YT）

作者簡介：張振康，男，碩士研究生，主要從事工程爆破與巖石動力學(xué)方向的研究。E-mail：cky_zkzhang@163.com

Abstract：By reviewing literature in China and abroad，we made a review on the current situation and progress of research on the mechanism of blasting influence on initial support，and expounded the damage mechanism of shotcrete and mortar anchors commonly used in anchor spray support for underground construction. Furthermore，we introduced the models and methods of predicting the response of initial support structure of surrounding rock under frequent blasting actions，and presented several safety standards that take into account the age of initial support and the frequency of incident wave. Finally，we identified some existing problems in current development：research on the mechanism of blasting’s impact on initial support has lagged，calculation methods and prediction models have limitations，and on-site inspection methods are in urgent need.