隧道開挖的圍巖擾動分析及方案優(yōu)化

吳向東

（保利長大工程有限公司，廣東 廣州 510660）

控制炸藥數(shù)量和爆炸產(chǎn)生的能量在隧道安全生產(chǎn)中至關(guān)重要[1]。光面爆破是常用的爆破手段，能減輕圍巖擾動，減少開挖過程中發(fā)生超欠挖的次數(shù)，保護圍巖完整性，強化隧道結(jié)構(gòu)安全性[2～3]。

一、工程概況

例如某高速公路施工隧道，地巖層類別為灰?guī)r，圍巖強度為Ⅳ級，采用臺階開挖法施工。隧道進口主洞起訖里程為k241+395～k243+467.5，長度為2072.5m，其中明洞為35m，Ⅴ級圍巖150m，Ⅳ級圍巖472.5m，Ⅲ級圍巖1415m，進口段為Ⅳ級圍巖；進口平導起訖里程為dk241+465～dk241+770，長度305m；1座人行橫道25m。

二、計算模型

采用ANSYS-DYNA建模，LS-DYNA中有上百種本構(gòu)模型，輸入對應(yīng)的材料參數(shù)和狀態(tài)方程即可開始計算。LS-DYNA自帶本構(gòu)模型MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CONCRETE(JHC)常用來模擬圍巖，觀察圍巖損傷情況和破裂過程。JHC本構(gòu)模型用單元應(yīng)力模擬圍巖損傷情況，損炸藥采用LS-SYNA中自帶的炸藥材料模型MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN，炸藥有關(guān)參數(shù)如表1所示。巖石采用LS-SYNA中的材料模型MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CONCRETE，有關(guān)參數(shù)如表2所示。采用JWL（Jones-Wilkens-Lee）狀態(tài)方程描述爆炸產(chǎn)生的壓強為：

表1 炸藥材料參數(shù)

表2 巖體參數(shù)

如式1所示，P為爆轟產(chǎn)生的氣體壓強（單位：GPa）；E為內(nèi)能常數(shù)；V為相對體積；A、B、R1、R2和W為材料常數(shù)，由試驗得到。此次模擬取值如表3所示[4]。

表3 炸藥的JWL方程狀態(tài)參數(shù)

實際工程要求，上臺階開挖炮眼布置，根據(jù)爆炸當量相同的原則，簡化炮眼數(shù)量，模擬上臺階開挖時，爆破振動的傳播范圍及周圍巖體的擾動。以此為依據(jù)，優(yōu)化現(xiàn)有爆破方案，降低爆破振動對圍巖結(jié)構(gòu)整體性的破壞，同時減少超欠挖出現(xiàn)的次數(shù)。

采用三維計算模型，建立以Ⅳ級圍巖為基礎(chǔ)的巖體結(jié)構(gòu)，模擬隧道開挖過程中，上臺階開挖爆破的效果，爆破斷面面積為85.48m2，采用2號巖石乳化炸藥，炮眼深度為4m。簡化炮眼數(shù)量，等效換算為同質(zhì)量的炸藥模擬爆破效果。簡化后炸藥量為60.2kg。模型尺寸為400cm×200cm×40cm，模擬炮孔耦合裝藥，起爆位置為炸藥中心，計算時間為2000μs。模型下邊界不設(shè)置約束，上、左、右邊界設(shè)置無反射邊界條件。單元網(wǎng)格采用四面體自由劃分，單元數(shù)量約為5萬個。

三、計算結(jié)果及分析

（一）巖體損傷情況

取洞口處左、右、上3個方向共9個測點，左右兩側(cè)測點間隔50cm，洞口正上方測點間隔30cm。爆炸產(chǎn)生的應(yīng)力波在巖層中傳播，炮眼布置多分布于上半部，由于波的疊加作用，可以發(fā)現(xiàn)應(yīng)力較大的單元主要集中在洞口正上方。巖體損傷情況多出現(xiàn)在巖體上半部分，且爆炸發(fā)生前段達到峰值，呈對稱狀分布在洞口兩側(cè)，取監(jiān)測點的應(yīng)力及振動速度，研究圍巖在爆炸發(fā)生狀態(tài)下的受力情況。

應(yīng)力分布與爆心距成反比，距離爆炸中心越遠，應(yīng)力分布越少，衰減速度較大。爆炸振動主要發(fā)生在前2000μs，主要爆發(fā)在1/4時刻處，振動傳播達到峰值。監(jiān)測點以距離洞口較近處設(shè)為1，較遠處設(shè)為3。

由于監(jiān)測點位置不同，波在巖體中傳播受巖層層理影響，所以測得洞口左右兩側(cè)數(shù)據(jù)不同，最大值約為0.2MPa～0.3MPa，最終取各方向合應(yīng)力。巖石的抗拉強度遠小于抗壓強度，開挖過程中爆破產(chǎn)生的自由面使應(yīng)力波在傳遞過程中發(fā)生反射形成拉伸波，因此圍巖發(fā)生的主要破壞類型為拉伸破壞。由于兩側(cè)波的疊加作用，洞口正上方應(yīng)力值略大于洞口兩側(cè)，同時，兩側(cè)波在傳遞過程中部分相互抵消，數(shù)值低于洞口正上方。爆炸應(yīng)力波在巖石中傳遞，應(yīng)力峰值與爆心距成反比，衰減速度也隨著傳播距離的增大而變快，導致距離爆炸中心越遠，巖石受到的波動越小。

測點震速是監(jiān)測爆破振動的有效依據(jù)，取監(jiān)測點x、y、z方向各點震速，x方向震速大于其他方向，距離洞口越近，震速越大。震速主要與炸藥品種、炸藥量有關(guān)，應(yīng)力波在巖石中傳遞的速度取決于介質(zhì)性質(zhì)，所以在同種圍巖狀態(tài)下，控制爆炸當量是減輕圍巖擾動的關(guān)鍵。震速峰值出現(xiàn)在中段，由于頂端的放大效應(yīng)，洞口上方某些測點y方向震速大于洞口附近，取合速度來代表測點實際震速。觀察發(fā)現(xiàn)震速最大值約為2cm/s，小于安全規(guī)程要求，為了得到更好的爆破效果，需對現(xiàn)有爆破方案做出優(yōu)化。

四、爆破方案優(yōu)化

光面爆破是解決超挖的主要手段，在目前隧道開挖中應(yīng)用廣泛[5]。

光面爆破常常采用延時起爆，即采用周邊孔與套槽孔不同的起爆時間來控制光爆層的形成，圍巖與周邊孔之間形成最小抵抗線，爆破效果良好，延時爆破分為毫秒延時爆破和秒延時爆破，其優(yōu)點有：增強破碎作用，減小巖石爆破塊度，擴大爆破參數(shù)，降低單位炸藥消耗量；減小拋擲作用和拋擲距離，防止周圍設(shè)備損壞，提高裝巖效率；降低爆破產(chǎn)生的振動，避免破壞周圍建筑物[6]。

根據(jù)國內(nèi)爆破經(jīng)驗可知，相同工況下，相較于同時起爆，延時起爆能減輕約50%的振動，微差段數(shù)越多，降振效果越好。實踐證明，當間隔段時間足夠時，減震效果顯著；間隔段時間太短時，前后爆炸產(chǎn)生的沖擊波相互疊加，降震效果不明顯。現(xiàn)場需按照設(shè)計方案實施分段延時爆破。

減小單段炸藥量也是一種有效方法。在爆破工程中，距離爆炸中心越遠，振動放大效應(yīng)越明顯，減小單段炸藥量，增加炮孔內(nèi)空氣體積，產(chǎn)生不耦合裝藥效果。不耦合裝藥能有效降低爆生氣體的逃逸速度，降低炮孔巖壁上的作用力，降低壓力衰減速度，使壓力曲線變得平緩，也就是減小爆炸沖擊波作用于炮孔孔壁的強度、增加作用時間，從而降低炸藥爆炸的沖擊作用[7]。