隧洞爆破開挖圍巖損傷閾值

劉智振， 趙海龍， 于明亮

（湖南科技大學能源與安全工程學院， 湖南　湘潭　411201）

隧洞爆破開挖圍巖損傷閾值

劉智振， 趙海龍， 于明亮

（湖南科技大學能源與安全工程學院， 湖南湘潭411201）

以臺山核電站取水隧洞爆破掘進工程為實例，通過現場爆破振動試驗及監測、現場聲波試驗，結合動力有限元軟件ANSYS/LS-DYNA對爆破開挖過程進行模擬。采用智能爆破測震儀TC-4850監測得到了隧洞爆破時巖石質點爆破震動的質點峰值震動速度、震動速度主頻。提出以爆破振動速度表征的臺山核電站取水隧洞爆破掘進圍巖損傷安全閾值，即將距離爆源20m處質點振動速度峰值控制在1.5cm/s以內來確保爆破對圍巖的破壞。

圍巖損傷爆破震動數值模擬安全閾值

在隧洞爆破掘進工程中多數情況下，對于爆破荷載作用下所產生的掩體累計損傷效應被忽略[1-2]，然而在爆破開挖時爆炸荷載對圍巖的損傷是顯而易見的[3]。國內外眾多學者研究了爆炸荷載作用下巖石裂紋擴展和損傷問題[4-8]。不管爆破方法的控制方式有多好，爆破設計多么仔細，爆破沖擊荷載對隧洞開挖以外的圍巖損傷總是不能被完全消除，只能減弱[9]。另外，與開挖面相鄰的巖體屈服以及朝外擴展是由開挖輪廓線以外的圍巖應力重新分布引起的，同時開挖損傷區是由于圍巖應力的重新分布產生的圍巖屈服擴展造成的[10]。處于高應力環境的圍巖開挖相對應的應力路徑對開挖損傷區的影響是非常重要的[11]。連續爆破引起的爆炸地震波會使掘進面后面一定范圍內的隧洞圍巖產生連續損傷，在一定范圍內威脅隧洞圍巖的穩定和安全，所以要加以控制[12]。在多次爆破動載作用下，掘進面后方隧洞圍巖會產生損傷累積，如果達到一定程度就會破壞圍巖穩定[1，13-14]。這就要對爆破開挖圍巖損傷的安全閾值進行研究，給出一個相應的閾值來控制后方隧洞圍巖的穩定。

1　隧洞開挖圍巖損傷機理

巖石爆破破碎機理三種假說[15]：

1）應力波反射拉伸破壞理論。該理論認為炸藥爆炸產生的爆炸應力波在巖石中傳播時，會在經過巖石中的原生裂隙的自由面時產生反射波，反射應力波從之前的壓縮波變為拉伸波，巖石受到拉應力波的作用時產生破壞。

2）爆生氣體膨脹破壞機理。該理論認為炸藥爆炸產生的大量膨脹氣體使得巖體內的裂隙尖端繼續擴展，當裂隙擴展遇到自由面時巖體破碎。

3）應力波和爆生氣體膨脹壓力聯合作用理論。該理論認為巖石爆破中炸藥爆炸對巖石的破壞作用石油炸藥在爆炸是生成的爆炸沖擊波與爆生氣體聯合作用的結果。

2　隧洞爆破掘進圍巖損傷數值模擬

研究隧洞爆破開挖對圍巖損傷的安全閾值的主要目的是在隧洞掘進過程中減小爆破對圍巖的損傷。關于巖石爆破損傷過程的主要假說是膨脹氣體壓力和反射拉伸波共同作用。此處將工程現場的數據與理論和經驗公式計算的數值相結合進行數值模擬。

本次模擬采用有限元程序ANSYS/LS-DYNA，該程序能夠模擬顯示動力非線性真實巖體爆破的各種復雜問題，特別適合求解非線性結構的爆炸動力沖擊問題。

2.1LS-DYNA程序計算原理

2.1.1控制方程

模擬用到的算法為Lagrangian增量法，用此種計算方法時本次設定始位點坐標為Xi（i=1，2，3），那么在往后時刻t的坐標用Xj（j=1，2，3）表示，則此點的運動方程為：

考慮本次實體單元的計算，程序采用具有運算速度快、精度高并且可以更好地解決高速碰撞和應力波傳播的動力學問題的八節點六面體實體單元。

2.1.2時間積分和步長控制

考慮到阻尼影響，LS-DYNA程序的運動方程變為：

式中：M為總體質量矩陣；P為總體荷載矢量；F為等效節點矢量組集；H為總體沙漏黏性阻尼力；C為阻尼系數矩陣。

2.1.3單元積分簡化與沙漏控制

將非線性動力分析程序運用于工程計算最大的缺點就是耗時過多。為了解決耗時過多問題，對積分單元進行簡化，簡化之后對于處理大變形分析也產生了明顯的效果。

沙漏模態就是指在積分時通常會引起極大震蕩甚至會出現計算機無法對應變能的某些位移模態，而由此引發的結果就是導致計算結果無效。因此，LS-DYNA程序控制零能模式的方法就是采用沙漏阻尼。

2.1.4材料模型和應力計算

為了更適合爆破沖擊荷載，本次研究選擇了塑性隨動強化模型，當爆破沖擊荷載作用于材料結構時，材料會發生快速變形。且大量實驗表明靜態屈服應力遠小于動態屈服應力。二者關系如下：

式中：σy為動態極限屈服應力，N；σs為靜態極限屈服應力；N；ε為應變率；C、D均為與材料相關的系數。

本次研究的巖石基本力學特性如表1所示。

表1　巖石基本力學特性參數

2.1.5算法選取

利用LS-DYNA提供的Lagrange算法，炸藥的單元采用ALE算法。

2.1.6狀態方程和本構方程的選取

炸藥材料模型一般采用線彈性模型輸入炸藥，爆生氣體壓力—體積關系狀態方程JWL為：

式中：A、B、R1、R2、ω均為材料常數；E0為初始內能；P為炸藥產生的爆轟壓力；V為爆轟產物的相對體積。

本次研究所使用的炸藥參數如表2所示。

表2　炸藥參數

2.2數值模擬

本次模擬根據臺山核電站爆破現場的實際參數建立模型。炸藥采用二號巖石乳化炸藥，密度為1 100 kg/cm3，因為工程現場隧洞是直徑為3 m的類圓形淺埋隧洞，所以不考慮地應力的影響。在本次模擬中對于巖石和炸藥均使用非線性塑性材料模型，對于空氣采用NULL材料模型，用于堵塞炮孔的炮泥采用5號泡沫材料模型MAT-SOIL-AND-FOAM。根據經驗，模型大小是隧洞跨度的3倍以上，所以取模型長35 m、寬15 m、高15 m，數值模擬模型如圖1所示。為使模擬更真實，進行多炮孔模型模擬，分六個炮孔裝藥，在模型的空間離散化模型上使用六面體單元，模型周邊條件全部設定為透射條件來體現模型外無限大空間，上下邊界對稱約束，前后采用全位移約束。

圖1　數值模擬模型

在離炸藥中心10 m（A）、15 m（B）、20 m（C）位置監測巖石質點震動速度時程曲線如下頁圖2所示。

從圖2中可以看出：各個點的最大壓力值出現的時間點不同，而且最大壓力值隨著距爆心距的增加呈現出衰減趨勢；在壓力相同的情況下，距離不同，巖石質點震動峰值出現的時間點不相同，隨爆心距的增大呈現出衰減趨勢。可見，壓力值與震動峰值隨距離的增加，衰減的速度隨之下降，在距離炸藥近的地方衰減速度很快，距炸藥遠的地方衰減速度慢。根據模擬結果可知其符合爆破震動波傳播和衰減規律。通過圖2中幾個點的巖石最大壓力值和此時巖石質點震動峰值，結合相關計算公式可計算出施工現場在模擬中的圍巖損傷范圍。在距掘進面20 m處，即振動速度為1.39 cm/s時，計算出隧洞輪廓圍巖損傷范圍約為1.97 m。

圖2　質點震動速度時程曲線

3　工程實例

臺山核電站發電機組冷卻用水應急隧洞整體貫穿于第四系礫質黏性土層，為中等風化花崗巖層，局部較破碎。隧洞總體長度約為400 m，貫穿的山體非常陡峭，地表水系不發育。

3.1隧洞施工介紹

隧洞施工全程為新奧法施工，采用光面爆破法爆破炮孔布置。掏槽方式采用垂直楔形掏槽。周邊眼裝藥結構為間隔裝藥，全部使用Φ25 mm的乳化炸藥，將裝藥集中度控制在0.15～0.25 kg/m，起爆網絡采用導爆索傳爆。對于其他孔采用Φ32 mm的乳化炸藥。

3.2測點布置

本次現場爆破震動試驗和監測全部采用由成都中科測控有限公司生產的最新一代智能爆破測震儀TC-4850。臺山核電站冷卻用水應急隧洞爆破震動監測布置了三個測點，見圖3。1號、2號、3號測點分別被布置在距爆破點直線距離10 m、15 m、20 m處，監測儀均被布置在底板平整的巖石地基上。測點不隨掘進面的推進而移動。

3.3監測結果

根據現場爆破施工時各次爆破震動監測結果，可從質點震動速度曲線得到隧洞爆破時巖石質點爆破震動的質點峰值震動速度、震動速度主頻等?，F場質點最大震動速度和主震動頻率監測結果見表3。

圖3　測點布置圖

表3　爆破試驗爆破峰值震動速度和主頻監測結果

從表3可得，由爆破震動引起的質點震動速度峰值水平方向上的值要小于垂直方向，水平方向質點震動峰值衰減的速度小于垂直方向。

3.4安全閾值

一般認為，高于某一閾值的震動速度才對圍巖損傷度產生累積效應，當測孔處震動速度衰減值在這一閾值以下時，累積效應不明顯。由前面模擬以及工程實測可知，隨著爆心距的增大，隧洞測孔處的震動速度衰減到1.5 cm/s以下時，測孔處聲波波速不再變化，在本工程中可將震動速度1.5 cm/s視為震動累積損傷閾值。為確保在連續爆破過程中爆炸荷載對圍巖的累積損傷對隧洞圍巖穩定性造成較小破壞，通過控制距隧洞掘進面20 m處質點震動速度峰值不超過1.5 cm/s來保證其被弱破壞或不被破壞。距爆源20 m處安全閾值示意圖如下頁圖4。

4　結論

1）隧洞爆破開挖時掘進面后方圍巖損傷主要是爆破對圍巖產生的初始損傷。但在連續爆破作用下，后方一定范圍內的隧洞圍巖會受到爆破地震波的累積損傷。

2）模擬得出：爆破過程中震動速度和應力快速傳播，通過開挖輪廓面后繼續向后方圍巖內傳播并且隨著時間和距離的增加而快速衰減，當在距掘進面20 m的后方圍巖處累積損傷接近穩定值時，震動速度為1.39 m/s，隧洞輪廓圍巖損傷范圍約為1.97 m。

圖4　安全閾值示意圖

3）由數值模擬及工程實測得出將臺山核電取水隧洞爆破中距掘進面20 m處的爆破震動最大速度控制在1.5 cm/s以內來保證對圍巖產生較弱的破壞。

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（編輯：胡玉香）

The Threshold of Surrounding Rock Damage in Roadway during Blasting Excavation

LIU Zhizhen，ZHAO Hailong，YU Mingliang
（School of Energy and safety Engineering，Hunan University of Science and Technology，Xiangtan Hunan 411201）

Taking the TaiShan nuclear power plant water intake tunnel blasting excavation project as an example，through the field blasting vibration test and monitoring，the acoustic test，combining with the dynamic finite element software ANSYS/LS-DYNA simulates the process of blasting excavation.The tunnel blasting in rock particle vibration velocity of the peak particle vibration velocity and blasting vibration frequency were monitored by the TC-4850 intelligent blasting seismograph.This paper offers to blasting vibration velocity characterization of Taishan nuclear power plant water intake tunnel blasting excavation of surrounding rock damage thresholds，that is，an explosive source in 20 m is from the peak particle vibration velocity control within 1.5 cm/s to ensure the blasting.

rock damage，blasting vibration，numerical simulation，safety threshold

TD1

A

1672-1152（2016）04-0020-04

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2016.04.08

2016-06-17

劉智振（1991—），男，碩士在讀于湖南科技大學能源與安全工程學院，主要從事采礦工程研究。