多次爆破荷載作用下大荒溝小凈距隧道圍巖巖體位移響應＊

費鴻祿，張國輝

（1.遼寧工程技術大學，遼寧 阜新 123000；2.山西冀中能源集團礦業有限責任公司，山西 太原 030000）

各種高等級公路建設迅猛發展，而環境保護也日漸深入人心，山區或沿河高速公路選線時，上、下行隧道往往受地形的限制，使兩相鄰隧道的最小凈距不能滿足現設計規范要求。由于連拱隧道的工程造價高、施工難度大、施工周期長，大大超過普通雙線雙洞隧道，這樣迫使人們設計一種符合實際情況的隧道形式，這就是小凈距隧道［1－4］。小凈距隧道雙洞的中夾巖柱寬度介于連拱隧道和雙線隧道之間，一般小于隧道開挖斷面寬度的1.5倍。

目前，針對地下工程開挖中爆破荷載作用下的巖體硐室穩定性分析較少，大多是分析地震荷載作用下的巖體硐室安全。例如，于翔［5］、李小軍［6］、黃勝等［7］和李海波等［8］根據地震后的現場調查，分析了地下巖體工程的變形破壞模式、程度與覆蓋層厚度、巖石類型、支護類型和地震參數之間的關系。張麗華等［9］、黃潤秋等［10］、金峰等［11］和趙寶友等［12］采用有限元、離散元等方法，分析了地下巖體硐室 （隧道）在地震動荷載作用下的速度、加速度、位移等響應特征和規律。在爆破開挖地下硐室時，施工中關心的是每次爆破發生時對已開挖成型硐室的影響，即爆破發生時可能產生的地下硐室失穩情況。本文中，以大荒溝隧道掘進過程中小凈距標段為研究對象，采用FLAC－3D軟件模擬多次（6次）爆破荷載作用下的小凈距隧道圍巖位移響應特性，并和疲勞損傷聲波監測結果比較，確定多次爆破下隧道圍巖巖體穩定性，擬為工程設計提供一種理論計算及數據分析模擬的參考方法。

1 模型建立及參數選取

1.1 模型建立

丹東－通化高速公路大荒溝隧道左線長1 120m，右線長1 080m，通化端為分離式隧道，丹東端左、右線隧道毛洞間距范圍為9.812～24.095m，屬于小凈距隧道。模型的建模區域及尺寸，以大荒溝隧道施工中小凈距隧道標段的設計圖紙及現場測量數據為準，合理選擇模型大小，模擬以25m×78m×25m的區域為研究對象，其中小凈距間柱寬度為10m。圖1為小凈距隧道計算模型及監測點布置圖，質點橫向振動應力波沿隧道洞壁走向加載，質點豎向振動應力波沿隧道洞壁法向加載，A、B為測振儀布置點，a、b為模擬監測點。

圖1 小凈距隧道計算模型Fig.1 Asimulation model for small clearance tunnel

1.2 隧道圍巖主要力學參數及屈服準則

根據隧道深淺埋分界的規定［13］，大荒溝隧道小凈距隧道標段平均埋深為40m，屬于深埋隧道。隧道圍巖級別為Ⅳ級，區域地質結構似層狀較簡單，無軟弱結構面入侵及裂隙水等不良地質現象。線路通過區地層主要為片巖、二云片麻巖、石英片巖、黑云斜長片麻巖、角內巖、混合巖，其中上覆巖層以片巖為主，巖石動態力學參數與靜態力學參數差異不大。巖石的靜態力學參數分別為：彈性模量E＝37GPa，泊松比ν＝0.33，密度ρ＝2.15t／m3，內聚力c＝450kPa，體積模量 K＝3.6GPa，剪切模量G＝1.4GPa，抗拉強度σ＝1MPa，內摩擦角φ＝33°。

體積模量K和剪切模量G與彈性模量E及泊松比ν之間的關系分別為：

數值模擬中，采用理想彈塑性模型，屈服準則采用Mohr－Coulomb強度準則，屈服函數為［14－15］：

式中：σ1為最大主應力，σ3為最小主應力，Nφ＝（1＋sinφ）／（1－sinφ）。

當巖體內某一點應力滿足fs＜0時，發生剪切破壞；當滿足ft＞0時，發生拉伸破壞。

1.3 爆破荷載處理及邊界條件

圖2（a）為測振儀B采集左洞第1次爆破時質點振動速度原始波形，包含兩部分：豎向質點振動波形（黃色），橫向質點振動波形（綠色）。同樣，圖2（b）為測振儀A在左洞爆破結束后右洞第1次爆破時質點振動速度波形，右洞爆破開挖滯后于左洞。記錄了左、右洞交叉爆破共計6次，只列出前2次爆破時測振儀采集的數據。

圖2 實測波形Fig.2 The original waveforms

由于爆破振動信號頻率較高，為有效模擬爆破振動下隧道圍巖穩定性，采用SeismoSignal軟件進行濾波及基線校正處理，濾波頻率為20Hz，振動持續時間為1.2s。將圖2中前2次爆破振動波形進行處理，圖3（a）為左洞第1次爆破作用時豎向、橫向質點振動速度時程曲線，最大豎向、橫向振動速度分別為vn，m＝27mm／s，vp，m＝25mm／s。同樣，圖3（b）為右洞第1次爆破時質點振動速度時程曲線，vn，m＝33mm／s，vp，m＝31mm／s。

圖3 質點振動速度Fig.3 Particle vibration velocities

左洞和右洞各采集質點爆破振動數據3次，共計6次，其中后4次爆破波形處理同上。根據實際爆破振動情況，隧道在各次爆破1.2s后振動基本消除。為使計算結果快速收斂，采用連續加載方式，左洞加載1、3、5時間分別為0≤t＜1.2s、2.4s≤t＜3.6s、4.8s≤t＜6.0s，右洞加載2、4、6時間分別為1.2s≤t＜2.4s、3.6s≤t＜4.8s、6.0s≤t≤7.2s。表1為6次爆破加載波形參數，Q 為總藥量，L為爆心距，q為單段最大藥量，vn，m、vp，m為最大豎向、橫向質點振動速度。

表1 實驗數據Table1 The experimental data

采用應力時程方式加載，將質點振動速度時程曲線轉化成應力時程曲線［16－18］

式中：σn為正應力，σs為剪應力，ρ為密度，cP為介質的P波波速為介質的S波波速為豎向質點振動速度，vp為橫向質點振動速度。

由于測振儀所采集數據為隧道內某個質點的振動特性，不能簡單作為面荷載進行外部加載，同時為更好反映測振儀所在位置的圍巖位移響應特性，就所在隧道內爆破作業，將對應測振儀采集并經濾波處理的豎向和橫向波形加載在所在隧道內壁圍巖上，構成3維動力加載模型。其中，將豎向振動應力時程曲線沿隧道走向內壁法向入射，橫向質點振動應力時程曲線沿隧道內壁走向入射，采用爆破所在隧道全長動力加載方式模擬測振儀所在位置位移響應特性。模擬監測點a、b可選取模型任意斷面，因為爆破所在隧道內各斷面質點振動加載波形相同，內部動力加載模型外邊界采用動力分析下的靜態邊界即可滿足模擬要求；動力分析采用局部阻尼，局部阻尼因數取0.157 1。

2 模擬結果分析

模擬過程分2步進行：第1步，隧道初期支護完成下的靜力分析；第2步，模擬6次小凈距隧道交叉爆破應力作用下圍巖位移穩定性分析。

2.1 靜力分析

爆破開挖后噴射混凝土C30進行初期支護，厚度為6cm，初始地應力下小凈距隧道靜力平衡見圖4。由圖可知，隧道周邊圍巖測點所受最大、最小主應力，根據式（1）可知，隧道靜力平衡下未發生剪切及拉伸破壞，隧道處于靜力穩定狀態；靜力作用下，隧道監測點豎向最大位移發生在隧道頂點處，最大值為1.2cm。

圖4 靜力主應力云圖Fig.4 Principal stresses under static condition

2.2 多次爆破作用下的隧道動力分析

監測儀A、B采集的數據為質點振動速度時程曲線，將經濾波及校正后的質點振動應力時程曲線加載到隧道洞壁上，并對應爆破開挖所在隧道進行加載，即沿隧道洞壁法向入射豎向質點振動波形，沿隧道壁走向入射橫向質點振動波形。著重探討在左、右洞爆破循環加載下的小凈距隧道間柱的動態響應。圖5為多次爆破荷載作用下間柱監測點a、b豎向和橫向位移圖。

圖5 間柱監測點位移Fig.5 Displacements of monitoring points

圖6 監測點位移時程曲線Fig.6 The displacement－time curves of monitoring points

由圖5，得到間柱監測點a、b多次爆破結束后的位移時程曲線，見圖6。由圖6可知，小凈距隧道間柱監測點a、b在左、右洞各3次交叉爆破結束后的豎向終止位移基本一致，dn≈0.7mm；監測點b豎向位移曲線波動較大，差異在于左、右洞交叉爆破先后順序，即當左洞爆破掘進時，對應監測點豎向位移較大，對另側隧道影響較小；間柱測點a、b的橫向位移大于豎向位移，同時波動幅度較大，可知隨著爆破掘進開挖的持續進行，間柱最有可能發生剪切破壞而非擠壓破壞，在施工中應重點對間柱進行必要支護，在隧道開挖圍巖穩定情況下，可通過在間柱上部打錨桿進行預應力加固。總體變化趨勢是，隨著測點距爆源距離加大，作用于測點處巖體的應力波強度減小，小凈距隧道間柱位移最終趨于穩定。

圖7 聲波測試孔Fig.7 Acoustic wave measurers

3 多次爆破作用下巖體聲波傳播現場實驗

為了更好分析爆破對小凈距隧道間柱的振動影響，進行巖體聲波現場實驗，左洞開挖在右洞前，以右洞間柱一側為基礎，兩側對稱布置測試孔，孔深3m，孔距2m，聲波測孔布置見圖7。實際各洞爆破前進約2.5m，每次爆破前后進行聲波測試。左、右洞交叉爆破下巖石聲速隨聲波測孔位置的變化曲線見圖8。

圖8 巖石聲速隨位置變化曲線Fig.8 Acoustic wave velocities of rock in different positions

由圖8可知，左、右洞交叉爆破后的巖石聲速比爆前低；爆破地震波對爆破區域的巖體產生了擾動，使其結構、整體性及裂隙方向和裂隙長度、寬度發生了變化，導致了巖石聲速的降低，總體趨勢是巖石聲速隨著測點的深度減小而降低。隨著爆破掘進的進行，爆區離聲波探測孔距離逐漸變大，巖石損傷度逐漸減小，第4次爆破后減小幅度明顯降低，表明爆破對間柱影響長度為8～10m；同時，各次爆破對所在隧道間柱一側的影響大于間柱另一側，這與計算機爆破模擬結果大致相同。

4 結 論

在排除交叉爆破順序作用的影響下，小凈距隧道各主要監測點位移時程曲線以間柱為對稱面呈現一定的對稱性，即左洞爆破時，間柱右洞一側產生位移變動較小，在隨后的右洞爆破時，發生一定回彈，同時左洞已產生的位移變化也有所回彈；在間柱范圍內，橫向位移大于豎向位移且波動較大，因此爆破施工中應注意觀測；將計算機模擬爆破振動影響下小凈距隧道圍巖位移響應規律同實測爆破巖體超聲波監測實驗結合，通過對比較好地驗證了計算機模擬的可靠性，并較好地分析了爆破荷載下小凈距隧道圍巖位移響應規律及巖體疲勞損傷等特點，有很強的實用性，并且為爆破開挖地下硐室工程提供一種符合工程實際需要的模擬手段。

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