軟弱圍巖隧道爆破開挖圍巖應力分布及變形控制研究

王軼++熊山銘??

摘要：為了研究軟弱圍巖隧道爆破施工過程中掌子面周邊圍巖應力和位移的變化情況，依托尋全高速松虎坑3號隧道爆破施工實例，利用有限元軟件MIDAS/NX對軟弱圍巖隧道爆破過程中掌子面周邊圍巖的位移時間變化及其應力分布情況進行了分析，并且總結了軟弱圍巖隧道開挖過程中圍巖的變形機理及相應的控制變形工程對策。結果表明：爆破過程中爆破荷載的主應力對已開挖洞室周邊圍巖的影響范圍較小，掌子面周邊圍巖的位移沿開挖輪廓線向四周擴散，其位移量也逐漸減小。

關鍵詞：軟弱圍巖隧道；爆破施工；爆破荷載；應力和變形

中圖分類號：U455.6文獻標志碼：B

0引言

近年來，許多學者對爆破開挖后圍巖的穩定性做了大量的研究。宋波等[12]通過現場監測和數值模擬相結合的方法，對爆破作用下圍巖的穩定性進行了分析；陽生權等[34]基于地下結構及對圍巖的爆破震動監測，通過分析峰值質點振動速度及其主振動頻率，闡述了圍巖介質體中爆破地震波的傳播規律以及地下結構與圍巖爆破的地震效應；肖明等[57]根據數值計算提出了在地下洞室開挖爆破中，確定圍巖松動圈、預估巖體開裂深度及爆破損傷影響范圍的方法；傅洪賢[8]采用超聲波方法測試并分析圍巖爆破松動圈的大小、形狀及主要影響因素。雖然眾多學者做了大量的研究，但在軟弱圍巖隧道爆破過程中掌子面周邊圍巖的受力和變形的時程分析方面還缺乏廣泛認識和深入研究。

鑒于此，本文采用時程分析的方法對爆破施工過程中各階段圍巖的位移變化情況和所占比例進行整理和統計，并以此分析圍巖的變化趨勢。另外，對掌子面周邊的主應力進行分析，對最大主應力的分布情況及其對已開挖洞室輪廓線的影響進行探討，以期提高隧道爆破開挖效率，并為類似工程提供借鑒。

3.5應力分析

從圖7可以看出，掌子面圍巖應力以壓應力為主，而其周邊圍巖應力以拉應力為主，最大主應力P1=-4.42×10-3 kN·m-2，出現在掌子面前方10 m范圍。根據模擬結果，在實際爆破施工過程中可以確定爆破荷載對掌子面影響的縱向深度范圍在10 m之內，說明在掌子面爆破開挖時，后方10 m的圍巖應及時施作初期支護。

圖7最大主應力P1的分布

由以上分析可知，爆破荷載的主應力對于掌子面及前方作用力最大，故在爆破過程中可充分利用爆破荷載對掌子面前方圍巖做功而使其破碎。利用爆破荷載的主應力分析可以計算出爆破功能利用率。采用調整裝藥位置和爆破時間的方法，可以提高爆破過程中的掌子面出渣效率。另一方面，如果藥量適當，爆破荷載對于隧道已開挖輪廓線周圍圍巖的做功幾乎為零，不會破壞已開挖輪廓線的尺寸。

4軟弱圍巖隧道變形控制

4.1軟弱圍巖的變形機理

一般圍巖爆破施工引起的變形機理可以概括為：連續介質的彈塑性變形、結構面的張開閉合及顆粒的分離與擴容。變形反應有時間、空間上的過程，應力的重分布導致圍巖的物理力學性質變化，從原始應力狀態轉化為二次應力狀態，至支護穩定后的三次應力狀態[11]。爆破開挖將會導致圍巖的二次應力狀態，如果超前支護措施能夠最大限度控制圍巖變形接近原始應力狀態，就可以令應力重分布對圍巖的物理力學性質的負面影響降到最低，從而降低施工風險[1213]。

4.2圍巖變形的工程對策

為了控制圍巖變形，首先，要采用分布開挖及柔性支護來增加掌子面的自穩能力，釋放圍巖內部荷載，以此增加洞室的穩定性；其次，采用超前預約束及超前加固控制措施防止擠出變形；最后，以合理的支護措施約束圍巖變形，由于剛性支護不允許掌子面通過后圍巖發生較大的變形，在軟弱圍巖持續變形的情況下，剛性支護的初期變形無法控制，極易導致圍巖變形而引起支護體系徹底崩潰，因此軟弱圍巖隧道支護措施一般應采用柔性支護，并預留變形量，充分釋放圍巖應力，從而取得較好的圍巖變形控制效果。

5結語

以尋全高速公路松虎坑3號隧道為研究對象，利用有限元軟件MIDAS/NX詳細模擬分析了軟弱圍巖隧道掌子面爆破開挖過程中圍巖應力和位移的分布情況，由數值模擬結果可以得到以下結論。

（1）在軟弱圍巖掌子面爆破過程中，圍巖的位移范圍由隧道輪廓線逐漸擴大至周邊圍巖，且圍巖的位移逐漸變小并趨于穩定狀態。爆破完成后，已開挖輪廓線周邊位移較為明顯，應注意及時施作初次襯砌，對圍巖進行加固，以免已開挖輪廓線上部圍巖松動坍塌。

（2）爆破荷載的主應力對于掌子面及前方作用力最大，故在爆破過程中可充分利用爆破荷載對掌子面前方的圍巖進行破碎。利用爆破荷載的主應力分析可以計算出爆破功的利用率。采用調整裝藥位置和爆破時間的方法，可以提高爆破過程中的掌子面出渣效率。爆破荷載的主應力分析還證明，如果裝藥正確，爆破荷載對于隧道已開挖輪廓線范圍圍巖的做功幾乎為零，不會破壞已開挖輪廓線的尺寸。

（3）軟弱圍巖隧道爆破開挖控制變形的方法包括及時支護、超前預約束柔性支撐，要根據實際情況具體安排，避免出現支護過早或者過剛而引起圍巖破壞的現象。

參考文獻：

[1]宋波，李悅，單宏蘭，等.爆破作用對地下金屬礦山圍巖穩定性的影響[J].巖石力學與工程學報，2007，26（S1）：34613467.

[2]宋波，曹野.基于小波能量的爆破震動巷道圍巖穩定性判據[J].巖土力學，2013，34（S1）：234240.

[3]陽生權，周健，呂中玉.地下結構及其圍巖爆破地震效應[J].工程爆破，2006，12（1）：8285.

[4]陽生權，呂中玉，劉寶琛.隧道圍巖爆破地震累積效應研究[J].地下空間與工程學報，2007，3（8）：14511454.

[5]肖明，張雨霆，陳俊濤，等.地下洞室開挖爆破圍巖松動圈的數值分析計算[J].巖土力學，2010，31（8）：26132618.

[6]左雙英，肖明，續建科，等.隧道爆破開挖圍巖動力損傷效應數值模擬[J].巖土力學，2011，32（10）：31713176，3184.

[7]肖建清，馮夏庭，林大能.爆破循環對圍巖松動圈的影響[J].巖石力學與工程學報，2010，29（11）：22482255.

[8]傅洪賢，趙勇，謝晉水.鐵路雙線隧道圍巖爆破松動范圍測試分析[J].中國鐵道科學，2010，31（5）：5458.

[9]王國體，胡曉軍，潘恒芳.地基反力的數值模擬和基礎結構的內力響應[J].土木工程學報，2002，35（2）：103107.

[10]張玉成，楊光華，劉鵬，等.爆破荷載在數值計算中的等效施加方法研究[J].地下空間與工程學報，2012，8（1）：5664.

[11]趙勇.隧道軟弱圍巖變形機制與控制技術研究[D].北京：北京交通大學，2012.

[12]王玉鎖，王明年，陳煒韜，等.砂土質隧道圍巖內摩擦系數的試驗研究[J].巖土力學，2008，29（3）：741746.

[13]梁慶國，李潔，李德武，等.黃土隧道圍巖分級研究的若干問題[J].巖土工程學報，2011，33（S1）：170176.

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