基于圍巖損傷隧道爆破進尺優化

王 旭

（重慶交通大學 土木工程學院， 重慶 400074）

0 引言

爆破開挖作為隧道掘進最經濟、最有效的手段，一直作為隧道開挖的最常見方法，使圍巖少受或不受爆破振動影響，降低爆破對圍巖的損傷程度。實際工程中隧道開挖爆破時，必然會對要保留的圍巖體造成損傷和破壞，導致其力學性能劣化。不斷調整后期卸荷應力場的劣化，進一步演化和形成破壞，從而降低圍巖承載力和穩定性。因此，圍巖損傷是爆破掘進中影響圍巖穩定性的重要因素，是圍巖支護形式選擇時應考慮的主要因素之一。

1 圍巖爆破損傷機理

損傷是指在外部載荷或環境因素等的影響下，材料中的微觀缺陷擴展引起的材料性質不穩定的過程。爆破載荷影響，巖石其內部存在的隨機的地質缺陷，如節理、裂隙等[1]會導致巖石的穩定性減小、有效承載能力降低等。

1.1 按裂隙面積定義損傷變量

巖體內天然存在的裂隙當做初始損傷[2]。當材料受到破壞時，其維持自身穩定性的有效承載面積會減小，根據拉博諾夫理論[3]可以定義損傷變量 D 為：

式中：A， A1—損傷前后巖體承載面積。

1.2 按彈性模量降低定義損傷變量[3]

由于測定有效承載面積在實際操作中是困難的，因此梅勒特提出了應變等價原理[4]。此時，損傷變量 D 就可以定義為：

式中：E0，1—巖體損傷前后的彈性模量；

對損傷定損傷因子 D 做出定以后，可同樣定義巖石中應力、應變與損傷因子之間的關系：

2 工程實例分析

本文以江北區某隧道為依托，按照隧道設計文件，隧道選取 IV級圍巖重度

通過 Midas/GTS 軟件實現隧道爆破開挖過程中的有限元模擬分析全過程。模型采用新建隧道兩側各模擬開挖寬度的 3倍左右，模型 110×90×80m，埋深取40m。

隧道采用上下長臺階法施工， IV級圍巖采用摩爾-庫侖模型。開挖區的損傷區損傷范圍[3]取2.2m，為摩爾-庫倫模型。初期支護采用噴錨支護，采用C30防水混凝土復合式襯砌實體板單元，為彈性模型。模型網格劃分采用四面體和六面體混合單元劃分，計算時爆破荷載分臺階加載。劃分后的網格如圖1所示。

圖1 模型三維網格圖

3 數值模擬

3.1 不同進尺下襯砌振速分析

通過在隧道掌子面損傷程度進行模擬，得到無損傷及損傷因子D=0.4的模型振速分析。如表1所示。

表1 進尺振速計算結果比較

由上表可看出，隧道襯砌各個方向的最大振動速度隨開挖進尺的增大而變大，Z方向最大。圍巖損傷程度越高，襯砌出現的最大振速越大。以隧道安全振動速度為臨界值[5]。無損傷情況下（D=0），取得隧道最優開挖進尺為2m。在圍巖損傷（D=0.4）時，取得隧道最優開挖進尺為1m。

3.2 爆破進尺1m襯砌應力分析

實際施工階段，襯砌應力峰值往往會對隧道初支結構有一定影響。本節分析隧道在進尺1m下，在損傷程度D=0.4時，爆破沖擊應力的振動響應規律。從而驗證隧道在1m進尺下，襯砌結構的穩定性。

表2 應力計算分析

通過不同位置下隧道襯砌拉壓應力分析，在1m進尺的爆破施工中，隧道初期支護混凝土中出現的最大拉應力為0.94Mpa，最大壓應力為3.30Mpa，均在允許范圍內。對隧道初支結構不會造成破壞。

4 結語

本文對隧道襯砌結構在圍巖損傷下的力學性能分析，得出如下結論:圍巖損傷程度越高其穩定性越差。綜合因素分析，取得隧道最優開挖進尺為1m。該進尺的爆破施工時，對隧道結構不會造成破壞。

[1]鈕強.巖石爆破機理[M].沈陽：北工學院出版社,1990

[2]戴俊.巖石力學特性與爆破理論[M].北京:冶金工業出版社,2002

[3]李鳳儀等.巖體開挖與維護[M].徐州:中國礦業大學出版社,2003.

[4] 余壽文,馮西橋.損傷力學[M].北京:清華大學出版社,1997

[5].中國爆破協會.GG6722-2003 爆破安全規程[S].北京:中國標準出版社,2003.