爆破開挖對巖溶地層的破壞機理淺析

戰 軍，施進賢 ，張亞娟

（1.沈陽市市政工程設計研究院青島開發區分院，山東青島 266555；2.青島正東建設集團有限公司，山東青島 266555；3.青島同盛建設項目管理有限公司，山東青島 266555）

0 引言

巖溶塌陷的機制較為復雜，由于試驗與實際觀察難度較大，許多學者只能從理論上進行分析、推斷，故對巖溶塌陷的機制難以統一。主要有潛蝕效應、真空吸蝕效應、壓強差效應、垂直滲流效應、自重效應、浮力效應、土體強度效應以及其它效應。在此主要闡述振動致塌的機制。

了解爆破振動導致巖溶塌陷的機制不僅是理論問題，重要的是使采取的措施具有針對性，做到技術可靠，經濟合理，理論有據。

1 巖溶區隧道爆破損傷機理探討

據研究[1]，巖溶地層塌陷的發生實質上是溶洞的抗塌力小于致塌力的結果。抗塌力的方向一般垂直向上，致塌力的方向一般向下，如圖1所示。

圖1 塌陷體受力狀態示意圖

致塌力主要包括：洞頂巖土體的自重力、建筑物重量及堆荷重量、地下水的滲透壓力、氣體負壓力（或氣體正壓力）、大氣壓力、振動力；抗塌力主要包括：巖土體的內聚力、地下水浮力、摩阻力。在此主要分析爆破振動導致溶洞塌陷的機制。

巖溶區巖層多為層狀石灰巖，且溶洞內介質與周圍巖體亦屬不同介質，因此有必要對爆炸應力波在不同巖體中的傳播破壞機理進行研究。爆炸應力波在層狀巖體中傳播時會遇到不同性質介質的交界面，如兩種不同巖石的交界面、溶洞中泥沙與巖石的交界面、巖石與空氣的交界面即臨空面等，由于爆炸波邊界效應的存在，使得交界面處巖體最容易遭到破壞。下面對交界面處爆炸應力波的邊界效應進行分析。

設爆炸應力波由介質1進入介質2，Y軸為分界面，Y 軸兩側介質波阻抗分別為 ρ1Cp1、ρ2Cp2。入射波到達Y面，將產生反射縱波、反射橫波、折射縱波和折射橫波，如圖2所示。

圖2 P波在界面反射、折射示意圖

經過公式推導，我們可得考慮巖石損傷后的反射應力 σDf和折射應力 σDz：

式中：Rv為三軸比的影響系數為Misses等價應力。

若入射波為壓縮波，由式（1）可得到如下結論。

（1）當 ρ2Cp2＞ρ1Cp1時，為爆炸波由“軟”介質傳入“硬”介質的情況，此時邊界處軟巖承受入射波和反射波的雙重破壞作用，爆炸波對軟巖損傷較大，而對硬巖的損傷很小。

（2）當 ρ2Cp2＜ρ1Cp1時，為爆炸波由“硬”介質傳入“軟”介質的情況，反射波應力為負，質點振速為正，說明反射波為拉伸波。爆炸應力波透射系數較大。此種情況下硬巖損傷很大，軟巖層測到的應變波峰值也較大，對軟巖產生的損傷也比較嚴重。若 ρ2Cp2=0（即溶洞空腔內），則有：σf=σr，Vf=vr,σz=0，Vz=2Vr。

此時，應力波從巖石內向臨空面垂直入射時應力波沒有折射，而是全部反射成拉伸應力波，自由面上應力為零，質點振速為入射波速的2倍。但是，由于巖石等脆性介質的動態抗拉強度遠小于抗壓強度，所以就容易引起溶洞處巖石的破壞。

2 溶洞附近的應力集中效應

由彈性力學知識可知，設受力的彈性體具有小孔，則孔邊的應力將遠大于無孔時的應力，也遠大于距孔稍遠處的應力。這種現象稱為孔邊應力集中效應。溶洞附近也存在應力集中現象。溶洞附近的應力集中，絕不是由于截面面積減小了一些而應力有所增大，即使截面面積比無溶洞時只減小了百分之幾或千分之幾，應力也會集中到若干倍。而且，對于同樣形態的溶洞來說，集中的倍數幾乎與溶洞的大小無關。實際上，由于溶洞的存在，溶洞附近的應力狀態與形變狀態完全改觀。

首先，溶洞附近應力集中是局部現象。在幾倍直徑之外，應力幾乎不受溶洞的影響，應力的分布情況以及數值的大小都幾乎與無溶洞時相同。一般說來，集中的程度越高，集中的現象越是局部性的，應力隨著距溶洞中心的距離增大而越快地趨近于無溶洞時的應力。

其次，應力集中的程度與溶洞的形狀有關。一般說來，球形溶洞附近的集中程度最低。

3 結論與建議

由以上分析可以看出，導致巖溶底層塌陷的原因具有多面性，但歸根結底是由于溶洞的抗塌力小于致塌力的結果。了解了巖溶底層塌陷的原因，我們在工程設計時可采取以下措施來防止巖溶地層破壞，以免造成嚴重后果。

（1）爆破施工前可預先對溶洞進行預注漿處理，對易導致應力集中的溶洞進行預先填充，可將巖溶地層爆破開挖的可能性降至最低。

（2）爆破開挖時，可采用不同的裝藥結構及起爆方式，盡量減少爆炸沖擊波對巖溶地層的破壞。

[1]陳國亮.巖溶地面塌陷的成因與防治[M].北京：中國鐵道出版社，1994.

[1]王宏圖，賀建民.層狀復合巖體力學的相似模擬[J].礦山壓力與頂板管理，1999(2)：81-83.