爆破載荷下隧道圍巖破壞動力響應分析

王躍儒

(西南交通大學，四川成都610000)

爆破作業是地下工程的典型施工方法，在采礦工程中有著廣泛地應用。爆炸產生的載荷通常以高速高壓沖擊波的形式影響爆炸源附近的巖體，其持續時間極短。瞬間的能量釋放，由于巨大的壓力和破壞，導致周圍結構發生明顯的變形。在工程中，將這一原理應用于巖石的爆破破壞，開挖現場根據工程設計不斷推進，將指定部位的巖體移走，形成地下空間，實現工程目標。然而，在巖石破壞的同時，由應力激波引起的振動效應往往對圍巖造成破壞，地下結構規模較大。在開挖過程中很可能會產生各種不利的地質條件，以及爆炸結構產生的沖擊波和振動效應。這將加劇山脈的破壞，很容易造成山脈的不穩定。對圍巖完整性和工程安全的影響不容忽視。因此，研究圍巖在爆炸振動荷載作用下的動力響應具有一定的實用價值。

1 隧道圍巖力學特性

1.1 隧道圍巖變形及破壞特性

在隧道施工的影響下，圍巖應力的調整和傳遞往往伴隨著變形和破壞。隨著圍巖變形的增大，破壞逐漸發展，圍巖失穩范圍增大，破壞形式多樣。圍巖的變形經歷了四個階段，從正面開始，依次為緩慢變形、快速變形、緩慢變形和穩定變形。

1.2 隧道圍巖的復合結構特性

圍巖結構破壞后，隧道圍巖由內而外逐漸破壞。內層圍巖不穩定。隧道上部圍巖以下降為特征，下部圍巖以滑移為特征，滑移是隧道圍巖的松動區。這部分圍巖必須及時控制，而在此區域以外的圍巖則處于相對穩定狀態。

2 地下隧洞爆破施工有限元模型

隧洞斷面為圓形，開挖斷面直徑為3.5 m，隧洞圍巖巖性以花崗巖為主，對于模型尺寸，依據相關研究經驗，為避免模型邊界對動力分析的影響，模型在隧洞徑向上向外延伸的距離在3倍洞徑以上，沿軸向取約8倍洞徑的長度。爆孔直徑d=76.0 mm，屬于中孔徑的爆孔(50 mm

3 載荷下隧道圍巖破壞動力響應分析

自爆炸振動荷載逐漸擴散到中、遠地區周圍的巖石、爆炸載荷的壓力峰值和峰值振動速度也減弱，因此巖體的動力響應在不同距離爆炸在爆炸振動的來源是不同的。一個小隧道洞直徑和圍巖質量好，一系列的爆炸隧道洞的輪廓，可以迅速形成一個隧道，同時爆炸，但振動負荷由炸藥爆炸影響周圍的巖體。為了了解爆炸荷載作用下井壁周圍巖體的動力響應，在爆炸井周圍巖石圓形工作面上部徑向設置了若干控制點。

3.1 圍巖主應力動力響應分析

在爆破振動荷載的作用下，隨著爆破荷載作用時間的增長，隧洞掌子面處圍巖的第一主應力和第三主應力數值均出現波動現象，主應力的波動主要是由加載在爆孔壁上的爆破壓力隨時程波動造成的。較大的主應力峰值一般出現在炸藥引爆后800 μs以內，至炸藥引爆1 000 μs后爆破振動引起的主應力波動基本結束。對比爆破壓力的時程曲線可以看出，掌子面處圍巖主應力達到最大峰值的時間基本均在較為突出的爆破壓力峰值之后，且第一主應力在達到最大峰值之前有一個明顯的累積增長過程，第三主應力則在應力累積之后的極短時間內降至最大峰值。巖體應力的累積增長可能與巖體的材料塑性特性有關，而第三主應力最大峰值的突然出現可能是巖體在持續受拉后突然卸載的回彈造成的。

由此，在研究爆破荷載作用下的隧洞圍巖動力響應時不僅需要關注爆破最大峰值壓力對巖體的作用，在此之后的較小的峰值壓力持續作用有可能進一步催化圍巖的破壞；同時，對于巖土體材料的塑性特點也需特別加以關注，不同的材料特性可能導致極大的動力響應差異。

總體來講，隧洞壁面處的主應力峰值的應力水平偏小，加之其作用時間較短，除緊鄰爆孔的壁面可能因主拉應力的作用而留有少許碎裂痕跡外，其余主應力不至造成圍巖的破壞。這符合爆破施工的目的，爆炸破巖時在輪廓線附近布置的爆孔是為了形成開挖的壁面，巖石的破碎掉落情況不應延伸至預定開挖輪廓之外。而洞壁上不會出現過高主應力，主要是由于爆孔邊緣距壁面有一定的距離，該距離的取值主要依靠對爆炸造成的粉碎區及裂隙區的計算與判斷。

因此，在設計爆破施工中，要注意控制爆破孔之間的距離排列和開挖墻距離，以確保主應力可能導致巖石碎片不會作用于設計墻在一個大范圍，以便控制超挖。同時，還應注意環上孔的間距。孔內爆炸引起破碎區巖石破碎，同時破碎區外巖體產生裂縫，形成裂隙帶。爆破孔周圍裂隙帶貫通后，可能與完好巖體剝離，完成指定部位的開挖；較小的間距有利于隧道開挖的快速完成，但消耗炸藥多。多個爆破沖擊波的疊加和反射所引起的爆破振動量可能會造成不必要的巖石破碎，影響施工安全，而大間距可能會導致爆破荷載在短時間內作用難以達到巖石破碎的目的。

3.2 圍巖振速動力響應分析

從掌子面爆破振動作用下圍巖振動速度的角度看，振動速度沿各方向時程曲線的變化趨勢隨爆破加載時間的增加呈現波動和逐漸衰減的現象。因此，巖體振動主要是由爆破壓力波引起的。與圍巖主應力變化的時間曲線相似，炸藥爆轟后800 μs內也出現較大的振動速度，而炸藥爆轟后1 000 μs內爆破引起的振動速度減小到較小的值，并逐漸趨近于0。

隨著爆心距的增加，掌子面處圍巖依次開始出現各方向上的振動；距爆源0.1 m范圍內的巖體各向振速在達到最大峰值前均出現了持續增長的現象，與主應力變化規律類似，區別于該范圍外圍巖的爆破振動情況。越靠近爆源的圍巖的振速峰值越大，距爆源0.1 m處圍巖的豎直向振動速度峰值可達到5.04 m/s、水平徑向振速的最大峰值為1.94 m/s、軸向振速的最大峰值為0.65 m/s；但隨著與爆源距離的增加，振速峰值的衰減也較快，距爆源0.2 m處的圍巖豎直向振速峰值即已降至1.2 m/s、水平徑向振速峰值降至0.12 m/s、軸向振速振速峰值則降至0.3 m/s；距爆源0.5 m以外的巖體豎直向振速峰值基本均降至0.5 m/s以下，其余兩向振速則接近于0；說明振速峰值同樣在距爆源較近的圍巖內部衰減幅度較大。

從各方向與爆破壓力的相對關系來看，垂直(徑向)振動對爆破壓力荷載的響應最為直觀，因為垂直(徑向)振動與爆破壓力方向一致，水平和徑向振動也占一定比例。通過比較的值隨時間的變化曲線振動速度在不同的方向，可以看出，最大垂直振動速度一致的方向爆破壓力加載約為5.04 m/s，而最大橫向和徑向振動速度方向垂直，爆破壓力加載為1.94 m/s，最大軸向振動速度是0.65 m/s。

總體來講，進行爆破施工設計時，應在相關規范中對巖體振速的相關規定的指導下進行爆孔布置及裝藥量的計算，避免爆孔距開挖輪廓線過近、爆孔間距過小或者爆破振動幅值過大而導致的隧洞圍巖振速過大造成巖體破壞。

4 結論

巖體爆破施工主要依靠裝藥孔炸藥爆炸產生的爆炸沖擊載荷引起的巖體破碎，達到巖體開挖的目的。爆炸能量對巖體的影響一直是工程界關注的問題。本文研究了爆破荷載作用下隧道圍巖破壞的動力響應。對于隧道工作面圍巖，爆破振動引起的圍巖主應力和振動速度隨時間的增加而衰減，最大峰值通常發生在爆炸后800 μs以內；較大的峰值主要發生在爆破孔的圍巖附近，爆破引起的巖體振動主要發生在爆破孔的徑向方向。相應的振動速度也較大。通過對隧道圍巖在爆破荷載作用下的動力響應的研究，可以進一步了解巖體爆破施工的相關知識，充分了解爆破的荷載特征和工作方法。