爆破荷載作用下圍巖損傷范圍對隧道穩定性影響分析

聶　浩

(西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031)

鉆爆法憑借其施工成本低、適應性強的優點廣泛應用于水利水電、交通土建的巖體開挖工程。然而在隧道掘進過程中，爆破在破碎、拋擲巖體的同時，不可避免對保留巖體產生擾動損傷，導致炮孔周圍一定范圍內圍巖參數劣化，完整性變差，對隧道圍巖的穩定產生一定影響[1]。隧道圍巖的穩定性對隧道開挖工程而言至關重要，現有圍巖穩定性的研究方法主要分為模擬研究、現場試驗和理論研究[2]。由于理論研究的局限，而現場試驗主要作為驗證方法，因此以數值模擬研究為主。在現有數值模擬研究中，圍巖損傷區范圍的大小對隧道穩定性的影響研究相對較少，通過分析其對隧道穩定性的影響，有利于提高圍巖穩定性分析中數值模擬準確性。

爆破參數的設計與施工將直接影響爆破荷載對圍巖的擾動損傷程度，在不同的施工方式下圍巖的損傷程度不同。本文基于光面爆破施工方式下圍巖損傷情況，建立數值模擬模型，進行不同損傷情況下隧道圍巖穩定性研究，分析在數值模擬過程中圍巖損傷區對隧道穩定性的影響。

1　工程背景

1.1　地質概況

以濟南連接線工程漿水泉隧道為依托，依據現有施工進度，選取位于里程K3+180～K3+220內Ⅲ級圍巖段進行現場爆破試驗與圍巖聲波損傷鑒定，為數值模擬研究提供依據。由地勘可知，該段圍巖以灰色中風化灰巖為主，巖質堅硬不易軟化，主要存在兩組節理，結合較差，產狀陡立，主要地勘參數為[BQ]=315，Rc=61.4 MPa，Vp=3 330 m/s，Kv=0.55。

1.2　光爆設計與施工

采用光面爆破施工，根據圍巖等級確定爆破掘進進尺為3 m，掏槽孔采用矩形布置，共6對，線裝藥密度為0.68 kg/m，周邊孔孔距控制在50～55 cm范圍內，最小抵抗線為70～74 cm，周邊孔采用導爆索起爆，線裝藥密度為0.14 kg/m，炮孔堵塞長度不低于40 cm。隧道跨度大，達19.2 m，在Ⅲ級圍巖段隧道開挖斷面為170.0 m2，由于隧道斷面大，采用錨噴支護，隧道斷面與支護見圖1。

圖1　隧道支護斷面(單位：cm)

2　圍巖損傷范圍

為確定爆破掘進方式下圍巖擾動損傷的范圍，利用RSM-SY5(T)非金屬聲波檢測儀，采用跨孔透射法對圍巖損傷范圍進行測定。根據聲波探測原理，探孔需向下傾斜一定角度，使探測孔能儲存足夠水量。聲波探測位置選在掌子面后方隧道邊墻處，且沿隧道掘進方向每隔1.5 m布置一個探測孔，并分別命令為1#、2#、3#、4#探測孔(圖2)。定義1#與2#探測孔之間為隧道1-2截面，依此類推。

圖2　聲波檢測示意

依據DL/T 5389-2007《水工建筑物巖石基礎開挖工程施工技術規范》中巖體損傷的定義，將波速降低10 %作為圍巖損傷的臨界值。由于損傷前圍巖聲波波速不易測量，可將探測孔底部較為穩定的聲波波速作為原巖波速。利用聲波探頭探測不同隧道斷面處距離隧道壁面不同距離時的聲波波速，并進行統計可得圖3。

圖3　光面爆破開挖方式下波速變化

經分析，在該隧道地質條件下采用光面爆破掘進，圍巖的損傷范圍在20～80 cm，為便于利用數值模擬分析的方法研究損傷范圍對圍巖穩定性的影響，可將損傷范圍確定為20 cm、40 cm、60 cm、80 cm，研究不同損傷范圍下隧道開挖支護后圍巖的變形與應力，進而得到損傷區范圍對圍巖穩定的影響。

3　模擬方案

3.1　模型建立與基本假設

Ⅲ級圍巖裂隙相對較少，在此將巖體視作連續介質，而且僅考慮自重應力的影響。利用數值模擬軟件FLAC3D進行模擬分析，模型尺寸為160 m×138 m×150 m(長×寬×高)，除上表面外，模型邊界采用垂直于邊界面的位移約束。在隧道二襯外建立一層損傷區模擬爆破開挖導致的圍巖損傷，建立不同損傷區厚度的模型進行隧道開挖圍巖穩定性的對比分析。圍巖、損傷區與二次襯砌采用實體單元模擬，初期支護與錨桿分別采用shell結構單元與cable結構單元模擬[3]，具體開挖支護模擬圖見圖4。

圖4　隧道開挖支護模擬

3.2　模擬參數確定

利用損傷變量進行損傷區圍巖力學參數的選取[4]，巖體損傷參量的定義見下式：

式中：D為損傷參量，C與C0分別為巖體損傷前與損傷后的聲波波速。為保證圍巖與損傷區力學參數選取的合理性，首先根據所研究隧道里程段的地勘資料進行圍巖參數的選取，模擬現行隧道開挖支護方式，結合隧道圍巖變形的現場監測數據，進行圍巖和損傷區力學參數的反演分析，如果通過數值分析得到的隧道圍巖變形量與現場監測得到的變形量較為吻合，在許可誤差范圍內，就可認為圍巖與損傷區力學參數選取合理。具體隧道開挖支護模擬參數見表1。

表1　隧道開挖支護模擬參數

4　數值模擬及其分析

隧道采用臺階法開挖，掘進進尺為3 m，針對初期支護緊跟掌子面的開挖支護工況，模擬計算不同損傷范圍下隧道開挖引起的拱頂豎向位移、拱肩豎向位移、隧道圍巖應力與圍巖塑性區，通過對比分析得到圍巖損傷范圍對隧道穩定性的影響。

4.1　位移分析

沿隧道軸向方向開挖一定距離后，監測距離掌子面不同距離處拱頂豎向位移、拱肩豎向位移、拱腰水平收斂量，每隔1 m設置一個監測斷面，提取不同斷面處隧道圍巖的位移見圖5～圖7。

圖5　拱頂豎向沉降

4.2　應力分析

對隧道掌子面后1.5 m處隧道截面進行圍巖應力分析，統計不同損傷范圍下隧道圍巖應力(表2)。

4.3　塑性區分析

隧道開挖后應力重分布可能導致圍巖進入塑性狀態，通過分析圍巖塑性區的分布位置與塑性區大小，可得到該條件下圍巖的穩定狀態。通過FLAC3D模擬不同損傷范圍下圍巖開挖后的塑性區(圖8、表3)。

表2　隧道各部位應力值　MPa

圖6　拱肩豎向沉降量

圖7　拱腰水平收斂量

開挖方案損傷區20cm損傷區40cm損傷區60cm損傷區80cm塑性區體積/m31.2466×1041.2746 ×1041.2875×1041.2972×104

5　結論及分析

(1)當圍巖損傷區范圍不同時，隧道拱頂豎向沉降、隧道拱肩豎向沉降及隧道拱腰水平收斂隨損傷區范圍的增大具有增大的趨勢，當損傷區厚度為80 cm時，隧道拱頂最大豎向沉降為7.94 cm。

(2)隨損傷區范圍的增加隧道拱頂水平應力略有增加，最大應力為0.362 MPa；隨塑性區的增加拱腰豎向應力增大，最大應力為3.035 MPa。

圖8　不同損傷區范圍圍巖塑性區云圖

(3)隨圍巖損傷區的增加隧道開挖后圍巖塑性區增大，塑性區體積最大為1.2972×104m3。

綜上，在光面爆破開挖方式下隧道圍巖損傷范圍對圍巖穩定具有一定的影響，在數值模擬過程中，需考慮一定掘進方式下隧道圍巖損傷范圍，建立圍巖損傷區，有助于數值模擬結果的準確性。