水工隧洞爆破施工對邊坡影響的數值分析

趙祿山

(國家林業局昆明勘察設計院，昆明 650216)

0 引 言

水工隧洞爆破開挖過程中，振動波不僅會造成洞身巖體變形及局部碎裂，還會繼續傳播影響鄰近建筑物穩定性。針對隧洞爆破開挖產生振動效應的探索，國內外早已開展相關研究。引漢濟渭工程是國家172項重點水利建設項目之一，漢江水需要穿越秦嶺到達秦嶺北麓，穿越秦嶺段的隧洞埋深都在500 m以上，大埋深和超長距離成為水工隧洞技術難點，白少博、劉貴雄等以引漢濟渭秦嶺隧洞4號支洞為例，優化爆破開挖方式、鉆爆參數，對爆破開挖技術進行了分析[1-2]；賈澄澄等基于采用動力有限元法對引水隧洞施工爆破振動效應進行數值模擬，分析探討了爆破振動對上覆邊坡的穩定性影響[3];王舉以跳花坡隧道爆破為例，采用Midas/GTS有限元分析隧道洞中爆破振動對地表影響[4]。然而這些研究大多針對爆破振動對邊坡整體穩定性的影響，并未對邊坡不同部位受振影響進行深入研究。

本文以在建水利工程為例，采用數值模擬方法，對水工隧洞爆破開挖過程中的爆破振動對邊坡不同部位的應力應變影響展開分析。

1 下埋水工隧洞的邊坡模型及荷載施加

1.1 模型建立及邊界設置

重慶市某水利工程為大(Ⅱ)型水利工程，任務為以灌溉、供水為主，兼顧發電等綜合利用。該水利工程主要包括水庫樞紐及灌溉渠系建筑物。灌區設計灌溉面積2.039 3×104hm2，工程灌溉渠系線路較長，以其中一段渠系建筑物為例進行分析，該分干渠由1座水工隧洞形成，全長2.98 km，設計流量0.89 m3/s。隧洞通過區無大的斷裂切割，巖性為灰巖、白云巖等。建立該水工隧洞簡化模型，見圖1，圓形隧洞半徑為2.6 m，坡比1∶0.5，根據地質情況，水工隧洞圍巖類別分布有Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級。本文以奧陶系桐梓組Ⅲ級圍巖為例，并假定邊坡巖土體材料各向同性，不考慮地下水位的影響，圍巖參數見表1。

根據結構的動力特性，利用動力平衡方程，采用直接積分法，進行動力時程分析。動力平衡方程如下：

(1)

時程分析時間增量取1 ms，也即時間分析步長△t=0.001 s；總積分時間為400 ms，總時步取為N=400。

圖1 模型簡圖(單位：m)

表1 巖體參數

1.2 爆破荷載施加

采用二維模型分析隧洞爆破過程，需將動力加載過程作用于隧洞周壁面，其運算方法是將荷載施加于隧洞周壁的單元線，圖2為荷載的加載示意圖。

圖2 荷載的加載

爆破施工采用硝銨炸藥，炸藥密度ρ0=1 g/cm3，爆速Vr=3 600 m/s，施工中炸藥直徑0.032 m，小于炮孔直徑0.04 m，采用不耦合裝藥結構，爆破進尺2 m，單段最大藥量6.4 kg。

國內外學者對炸藥爆炸過程中產生的最大爆轟壓力提出了多種計算方法[5]，影響最大爆轟壓力的因素包括：使用的炸藥類型、耦合裝藥或不耦合裝藥結構等。齊景岳[6]給出了爆炸最大爆轟壓力計算式：

(2)

式中：ρ0為炸藥密度；Vr為爆速。

爆破后作用于巖體界面上的最大壓力并不等于最大爆轟壓力，根據彈性波理論及文獻[7]可求解得到不耦合裝藥炮孔條件下，孔壁界面的最大壓力Pm計算式為：

(3)

實際施工較難做到理想狀態下的藥卷與孔壁緊密接觸，同時本工程采用不耦合裝藥，因此基于單孔裝藥量與炮孔體積直接的關系，計算得到不耦合裝藥下的孔壁壓力峰值為：

式中：n為單孔藥卷數；A0為藥卷橫截面積；l為藥卷長度；A1為炮孔橫截面積；L為炮孔長度。

爆破荷載曲線采用簡化的荷載-時間歷程三角形曲線，達到爆破峰值壓力時間為4 ms，爆破過程總時長為67 ms。

2 計算結果

2.1 應力波變化

通過數值模擬，得到爆破過程中不同時刻的應力云圖，見圖3，從應力云圖可分析隧洞爆破時邊坡中的總應力波的傳播變化情況。

從應力云圖可以發現，動力加載過程是荷載沿圓周作用于隧洞周壁面并向外擴散，在2 ms到4 ms這段時間，應力波由隧洞逐漸向四周擴散，壓應力波的范圍逐漸擴大。從6 ms時邊坡應力波分布情況可見，該時刻壓應力波已擴散至坡面。從6和8 ms時的應力分布情況可發現，由于壓應力傳播至邊坡臨空面后發生反射作用，很快便形成反射的拉應力波。但在整個過程中，拉應力區的范圍呈現出先增大后減小的趨勢。坡腳處壓應力在爆破過程中一直持續偏大。邊坡模型中各單元應力值呈現先增后減的特征。

圖3 應力波傳播過程

2.2 位移變化

位移時程變化云圖見圖4。如前文應力波傳播規律，爆破后振動波同時向四周傳播，在6 ms時，振動波傳遞至邊坡坡面；在8 ms時，振動波傳遞至邊坡的坡腳地面處，從位移時程云圖可見邊坡坡面的位移較坡腳更大。隨著時間的增加，振動波迅速傳播至邊坡坡頂及整個模型周邊。

圖4 位移時程云圖

2.3 坡腳處平面振速時程變化

應力波作用導致巖體質點振動，判斷質點振動強度的一個重要指標是振速，因此對質點的垂直振速進行監測分析，進一步探明水工隧洞爆破作用對邊坡的影響情況。

在隧洞坡腳地面依次設置1～5測點(圖5)，并依次給出每個監測點的垂直振速時程曲線，見圖6。從時程曲線圖6可以發現，1#點的振幅最大，但是頻率最小；監測點的振速峰值隨著距邊坡坡腳距離增大而減小，振動頻率則隨著距邊坡坡腳距離增大而同步變大。

圖5 坡底監測點

圖6 監測點垂直振速時程曲線

2.4 坡頂振速時程變化

為了判斷爆破振動對整體邊坡的影響，同理在邊坡坡頂面從左向右依次設置1～5號測點，見圖7。同理依次給出每個監測點的垂直振速時程曲線，見圖8。從時程曲線圖8可以發現，5#點振幅最大，但是頻率最小；在坡頂處振速峰值隨著與坡肩距離的增加而逐漸減小，振動頻率隨著與坡肩距離的增加同步逐漸變大。

圖7 坡頂面監測點

圖8 坡頂面監測點垂直振速時程曲線

從邊坡坡腳與坡頂測點的垂直振速時程曲線圖對比分析可以發現，在水工隧洞爆破掘進時，坡頂的振速明顯大于邊坡坡腳。

3 結 論

1) 分析了隧洞爆破施工過程對邊坡的振動影響。采用數值模擬方法，以在建工程為例，建立水工隧洞-邊坡簡化模型，研究爆破振動對邊坡不同部位的應力應變影響。

2) 初爆瞬間動力荷載沿圓周作用于隧洞周壁面并向外擴散，壓應力波的范圍逐漸擴大。當壓應力波擴散至坡面后將發生反射作用并形成拉應力波，拉應力區的范圍呈現出先增大后減小的趨勢。坡腳處壓應力在爆破過程中一直持續偏大。在爆破過程中，邊坡中各部位應力值呈現先增后減的特征。邊坡坡面的位移較坡腳更大。

3) 監測點的振速時程曲線規律表明,在邊坡坡腳及坡頂，振速峰值隨著距坡腳及坡肩距離增大而減小，振動頻率則反之，同時坡頂振速明顯大于坡腳。