爆破開挖對(duì)巖溶地層的破壞機(jī)理淺析

戰(zhàn) 軍，施進(jìn)賢 ，張亞娟

（1.沈陽市市政工程設(shè)計(jì)研究院青島開發(fā)區(qū)分院，山東青島 266555；2.青島正東建設(shè)集團(tuán)有限公司，山東青島 266555；3.青島同盛建設(shè)項(xiàng)目管理有限公司，山東青島 266555）

0 引言

巖溶塌陷的機(jī)制較為復(fù)雜，由于試驗(yàn)與實(shí)際觀察難度較大，許多學(xué)者只能從理論上進(jìn)行分析、推斷，故對(duì)巖溶塌陷的機(jī)制難以統(tǒng)一。主要有潛蝕效應(yīng)、真空吸蝕效應(yīng)、壓強(qiáng)差效應(yīng)、垂直滲流效應(yīng)、自重效應(yīng)、浮力效應(yīng)、土體強(qiáng)度效應(yīng)以及其它效應(yīng)。在此主要闡述振動(dòng)致塌的機(jī)制。

了解爆破振動(dòng)導(dǎo)致巖溶塌陷的機(jī)制不僅是理論問題，重要的是使采取的措施具有針對(duì)性，做到技術(shù)可靠，經(jīng)濟(jì)合理，理論有據(jù)。

1 巖溶區(qū)隧道爆破損傷機(jī)理探討

據(jù)研究[1]，巖溶地層塌陷的發(fā)生實(shí)質(zhì)上是溶洞的抗塌力小于致塌力的結(jié)果。抗塌力的方向一般垂直向上，致塌力的方向一般向下，如圖1所示。

圖1 塌陷體受力狀態(tài)示意圖

致塌力主要包括：洞頂巖土體的自重力、建筑物重量及堆荷重量、地下水的滲透壓力、氣體負(fù)壓力（或氣體正壓力）、大氣壓力、振動(dòng)力；抗塌力主要包括：巖土體的內(nèi)聚力、地下水浮力、摩阻力。在此主要分析爆破振動(dòng)導(dǎo)致溶洞塌陷的機(jī)制。

巖溶區(qū)巖層多為層狀石灰?guī)r，且溶洞內(nèi)介質(zhì)與周圍巖體亦屬不同介質(zhì)，因此有必要對(duì)爆炸應(yīng)力波在不同巖體中的傳播破壞機(jī)理進(jìn)行研究。爆炸應(yīng)力波在層狀巖體中傳播時(shí)會(huì)遇到不同性質(zhì)介質(zhì)的交界面，如兩種不同巖石的交界面、溶洞中泥沙與巖石的交界面、巖石與空氣的交界面即臨空面等，由于爆炸波邊界效應(yīng)的存在，使得交界面處巖體最容易遭到破壞。下面對(duì)交界面處爆炸應(yīng)力波的邊界效應(yīng)進(jìn)行分析。

設(shè)爆炸應(yīng)力波由介質(zhì)1進(jìn)入介質(zhì)2，Y軸為分界面，Y 軸兩側(cè)介質(zhì)波阻抗分別為 ρ1Cp1、ρ2Cp2。入射波到達(dá)Y面，將產(chǎn)生反射縱波、反射橫波、折射縱波和折射橫波，如圖2所示。

圖2 P波在界面反射、折射示意圖

經(jīng)過公式推導(dǎo)，我們可得考慮巖石損傷后的反射應(yīng)力 σDf和折射應(yīng)力 σDz：

式中：Rv為三軸比的影響系數(shù)為Misses等價(jià)應(yīng)力。

若入射波為壓縮波，由式（1）可得到如下結(jié)論。

（1）當(dāng) ρ2Cp2＞ρ1Cp1時(shí)，為爆炸波由“軟”介質(zhì)傳入“硬”介質(zhì)的情況，此時(shí)邊界處軟巖承受入射波和反射波的雙重破壞作用，爆炸波對(duì)軟巖損傷較大，而對(duì)硬巖的損傷很小。

（2）當(dāng) ρ2Cp2＜ρ1Cp1時(shí)，為爆炸波由“硬”介質(zhì)傳入“軟”介質(zhì)的情況，反射波應(yīng)力為負(fù)，質(zhì)點(diǎn)振速為正，說明反射波為拉伸波。爆炸應(yīng)力波透射系數(shù)較大。此種情況下硬巖損傷很大，軟巖層測(cè)到的應(yīng)變波峰值也較大，對(duì)軟巖產(chǎn)生的損傷也比較嚴(yán)重。若 ρ2Cp2=0（即溶洞空腔內(nèi)），則有：σf=σr，Vf=vr,σz=0，Vz=2Vr。

此時(shí)，應(yīng)力波從巖石內(nèi)向臨空面垂直入射時(shí)應(yīng)力波沒有折射，而是全部反射成拉伸應(yīng)力波，自由面上應(yīng)力為零，質(zhì)點(diǎn)振速為入射波速的2倍。但是，由于巖石等脆性介質(zhì)的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)度，所以就容易引起溶洞處巖石的破壞。

2 溶洞附近的應(yīng)力集中效應(yīng)

由彈性力學(xué)知識(shí)可知，設(shè)受力的彈性體具有小孔，則孔邊的應(yīng)力將遠(yuǎn)大于無孔時(shí)的應(yīng)力，也遠(yuǎn)大于距孔稍遠(yuǎn)處的應(yīng)力。這種現(xiàn)象稱為孔邊應(yīng)力集中效應(yīng)。溶洞附近也存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。溶洞附近的應(yīng)力集中，絕不是由于截面面積減小了一些而應(yīng)力有所增大，即使截面面積比無溶洞時(shí)只減小了百分之幾或千分之幾，應(yīng)力也會(huì)集中到若干倍。而且，對(duì)于同樣形態(tài)的溶洞來說，集中的倍數(shù)幾乎與溶洞的大小無關(guān)。實(shí)際上，由于溶洞的存在，溶洞附近的應(yīng)力狀態(tài)與形變狀態(tài)完全改觀。

首先，溶洞附近應(yīng)力集中是局部現(xiàn)象。在幾倍直徑之外，應(yīng)力幾乎不受溶洞的影響，應(yīng)力的分布情況以及數(shù)值的大小都幾乎與無溶洞時(shí)相同。一般說來，集中的程度越高，集中的現(xiàn)象越是局部性的，應(yīng)力隨著距溶洞中心的距離增大而越快地趨近于無溶洞時(shí)的應(yīng)力。

其次，應(yīng)力集中的程度與溶洞的形狀有關(guān)。一般說來，球形溶洞附近的集中程度最低。

3 結(jié)論與建議

由以上分析可以看出，導(dǎo)致巖溶底層塌陷的原因具有多面性，但歸根結(jié)底是由于溶洞的抗塌力小于致塌力的結(jié)果。了解了巖溶底層塌陷的原因，我們?cè)诠こ淘O(shè)計(jì)時(shí)可采取以下措施來防止巖溶地層破壞，以免造成嚴(yán)重后果。

（1）爆破施工前可預(yù)先對(duì)溶洞進(jìn)行預(yù)注漿處理，對(duì)易導(dǎo)致應(yīng)力集中的溶洞進(jìn)行預(yù)先填充，可將巖溶地層爆破開挖的可能性降至最低。

（2）爆破開挖時(shí)，可采用不同的裝藥結(jié)構(gòu)及起爆方式，盡量減少爆炸沖擊波對(duì)巖溶地層的破壞。

[1]陳國(guó)亮.巖溶地面塌陷的成因與防治[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，1994.

[1]王宏圖，賀建民.層狀復(fù)合巖體力學(xué)的相似模擬[J].礦山壓力與頂板管理，1999(2)：81-83.