隧道進洞爆破施工對邊仰坡穩定性影響研究

(重慶交通大學 土木工程學院 重慶 400074)

一、引言

隧道爆破開挖對洞口邊仰坡穩定性的影響也十分顯著。洞口邊仰坡在受到隧道爆破施工后很可能會發生滑塌、泥石流和坡體失穩等嚴重事故，不僅會對邊仰坡穩定性造成影響，嚴重時還可能對在建隧道、附近居民以及交通線等造成重大危害。而且更會拖延施工工期，給工程帶來不可估量的損失。

二、爆破地震波及震動效應

炸藥引爆炸時生成的應力波在逐漸減弱后會形成振動波。盡管由于地震波的衰減只有一小部分能量傳播，但是若不適當控制會對周邊環境帶來不可想象的危險和給人們造成很大的損失。

(一)爆破地震波的產生

炸藥發生爆炸時，會在周圍空間瞬間生成大量的高溫、高壓氣體，對周圍介質形成瞬間巨大壓力。依據被爆破巖土體的受力特性、破碎程度等將爆破近處的區域分成粉碎區域、破毀區域以及振動區域。

(二)爆破地震波的類型

縱波：在縱波擴展中，質點震蕩的方向與傳播一個方向，使介質也跟隨震動。它的特性是周期時間短、振幅小。

橫波：節質的震蕩方向與擴展方向成90度角，是橫向震蕩的，從而造成了質點的垂直性震蕩。橫波的特性大部分為周期時間有點長、振動幅度非常大、結果巖土體輸出剪切性振動。

瑞利波：是一個極為普通表面彈性波。這種波是順著羋無垠性巖體外表面擴展的震蕩波。

勒夫波：只在于波動方向成直角的平面內的剪切波動，沒有豎直波動，且只在覆蓋有至少一層低速地表層的半無線空間內才會發生。

(三)巖石爆破破壞機理

在均勻巖土體中，埋置在巖土體表面附近一個圓球形炸藥包。炸藥體與巖土體表面的間距叫作抵抗線。在炸藥包點燃后，爆破振動波從中心向外傳播。當傳播到裝藥的石壁上時生成初始沖擊波。這種初始沖擊波使藥包附近巖石造成破壞而形成粉碎區，從而使藥室擴大。爆炸震動波的波能跟著它在巖石中傳播且迅速降低而變成壓縮波。

由爆炸產生的裂縫到達表面后，內部的剩下氣壓繼續擠壓石頭，最終使石塊擠出巖面，產生表面的錐性破壞，這個損壞就是爆炸生成地漏斗。

三、工程實例

五峰山隧道工程隧道采用雙洞方案，左線全長1009.076m，右線全長1010.089m。隧道設計時速40km/h。

地表的水大部分為直接降水，分為區域內產水、區域外客水兩項，他們的空間排列和降雨規律差不多。區域內的河流豐富，他受植物、季節和農田灌溉的影響，能利用的比較有限。除此之外，還有大量的區域外的水資源。

位于恩施盆地南東側邊緣的五峰山隧道工程，在地貌上屬于丘陵地區。

(一)模型及材料參數選取

為了減少計算量并盡量計算精確，在MIDAS/GTS NX中模型的邊界應應選擇大小合適。根據前人的相關研究表明，當所取模型尺寸的邊界在2～5倍的隧道開挖范圍內時，幾乎可以忽略模型邊界對爆炸振動的影響。

模型尺寸是以爆炸鉆進的真實尺寸數值來取選材料的。建模的大小憑借實例大小建立，該模型主體由邊坡體構成，模型寬80米、長100米、高100米；邊坡地下寬24米、上面寬32米、高43.7米，邊坡為2級臺階結構，臺階高度在20米左右、坡面斜率是1：1。隧道尺寸采用三心圓+仰拱，R1=6.0m， R2=5.5m，R3=15m，寬度11.70m，高度8.25m，斷面面積S=81.78m2。隧道采取分層法爆破的方法，然后及時進行噴錨支護作為初期支護。

巖土體材料為四級圍巖+土體，初支為混凝土材料。建模過程中運用不一樣的本構關系來模擬屬性各不相同的物質。巖土體采用莫爾-庫倫(M-C)模型，而襯砌結構選用線彈性模型。模型中各材料的力學參數及本構模型如下表3.1所示。

表3.1 材料的物理力學參數

運用有限元方法研究不同爆破水平方向振動強度對邊坡穩定性的影響。通過炮震智能監測儀器現場采集到的炮震數據，最大速度為4.65cm/s，借助Matlab軟件將速.度曲線轉換為加速度響應時程曲線最大為5.82m/s2，最后把計算出的加速度響應時程.曲線加到邊坡巖體上進行數值分析。以邊坡巖體強度參數為常量，輸入水平方向加速度時程曲線數據。

當重力場為13.9m/s2時，邊坡水平方向位移發生突變，此時邊坡安全系數為1.42。

當振速V<17.93cm/s時，邊坡的安全系數大于安全儲備系數1.15，說明該位置比較穩定；當振速V=22.84cm/s時，邊坡安全系數急劇減小接近臨界安全系數1，說明此時邊坡隨時可能發生滑坡的危險。

邊坡坡體破壞形式為圓弧狀，伴隨振動強度的加大，破壞面逐步擴大，剪應力也相應變大。

四、結論

當安全系數為1.15時，邊坡能夠承載的最大.爆破.水平振速17.93cm/s，此時的可認為是邊.坡的安全振速；當安全系數.為1時，邊坡能夠承載.的極限爆破水平振速22.84cm/s，此時的振動速.度為臨界破壞振速。當.爆破產生的振動速度達到22.84cm/s時，邊坡有破壞的可能性。為保證邊坡穩定性，爆破產生的振動速度應小于安全振速，禁止超過臨界破壞振速。

【參考文獻】(References)：

[1]言志信,王后峪著.《爆破地震效應及安全》[M].北京:科學出版社,2001.

[2]王輝.輕軌隧道開挖引起的鐵路路基與邊坡等構筑物爆破地震效應及其控制[D].湖南科技大學,2015:1.

[3]LUZI L.PERGALANI F.A correlation between slope failures and celerometric parameters the26 September 1997 earthquake Umbria-Marche,Italy[J].Soil Dynamics and Earthquake Engineering,2000,20:301-313.

[4]翁憬.爆破地震波作用下斜拉橋的動力響應及樁土效應的影響研究[D].西安:長安大學,2011:2.

[5]魏金祝.爆破地震對露天礦邊坡穩定性影響研究[D].沈陽:東北大學,2007:2-8.

[6]唐宇峰.公路隧道爆破鉆爆系統安全質量控制方法的研究與應用[D].西安:西南交通大學,2012:3-6.

[7]G.A.Bollinger.爆破振動分析[M].科學出版社，1975.