爆破對淺埋偏壓隧道穩定性的影響

黃竹純+秦占立

摘要：爆破開挖由于其具有高效、快速和低成本等優點而被廣泛運用于隧道開挖過程中，但是對于在圍巖等級較差的偏壓淺埋隧道進行爆破開挖時有可能會出現邊坡失穩的情況。因此了解隧道爆破對邊坡應力和變形的變化規律具有重要的現實和指導意義。

關鍵詞：隧道；邊坡穩定性；毫秒延期爆破

1引言：近年來，我國隧道建設進入高峰期，出現大量在建和待建的山嶺隧道工程。目前我國對于山嶺隧道工程的開挖絕大部分是采用爆破技術。然而，爆破振動會產生諸如爆炸應力波、爆破振動、爆破飛石等之類的有害效應[1]。特別是在不良地質條件下的偏壓陡坡洞口段進行爆破開挖極有可能會引發山體滑坡、崩塌等地質災害，嚴重的影響施工的安全。

2 工程概況

XXX隧道出口DK725+980～DK726+090段，長為110m，出口位于山體斜坡地帶，坡面上陡下緩，洞內圍巖等級為Ⅳ級，完整性較差，基底為燕山期花崗巖。隧道出口段存在隧道斷面大、隧道埋深淺、偏壓嚴重、圍巖性質差的工程特點，屬于隧道與邊坡相互影響的耦合地質體系統。由于出口段斜坡坡面上陡下緩受隧道施工開挖爆破的影響，表層黏質黃土易沿開挖面剪出，引起坡面滑動。

3 隧道爆破數值模擬分析

3.1 計算模型

根據XXX隧道出口段的地形、地質條件，選取典型的地形建立三維的數值分析模型。依據彈性力學[3]和巖石力學相關原理可知：隧道開挖對圍巖應力狀態的影響區域為隧道開挖輪廓線外3倍洞室寬度。所以模型在水平和仰拱向下的方向各取3倍洞徑的距離為40m。

3.2 爆破參數及荷載的確定

根據工程實際情況炸藥選用常用2號巖石乳化炸藥。由于不同的爆破參數對爆破的結果影響很大，所以選擇合理的爆破參數至關重要。文章結合現場試驗情況和前人的研究結果依據爆破應力波疊加的原則[4]和薩道夫斯基經驗公式[5]計算出爆破時微差間隔時間和最大段爆破裝藥量，并在此基礎上確定相關參數如下表所示；起爆順序按照掏槽眼-擴槽眼-內圈眼-周邊眼/底眼的順序進行。

本文在參考美國公路研究所（National Highway Institute（US）， 1991）建議的公式基礎上，考慮爆破振動衰減的退耦公式，最終使用隨時間作用的動壓力公式為 Starfield [5]等建議的公式。

其中，Pdet：爆破荷載；PB：作用在孔壁面上的退耦爆破壓力； Ve：爆破速度；dc：裝藥直徑；dh：裝藥孔直徑；Sge：容重；PD（t）：作用在孔壁上的壓力是隨時間變化的動力荷載；B：荷載系數，為每 1kg 裝藥量產生的動壓力，可取16338；t：時間。

式中：S 為相鄰兩炮孔間的距離。4計算結果及分析

邊坡是否會沿巖土分界面出現失穩的情況關鍵是分析爆破對巖土分界面上剪應力的影響，所以本文根據上文所計算的邊坡在重力條件下剪應力分布結果選取3個特征點進行跟蹤分析。

4.1剪應力分布情況

由不同特征點剪應力時程曲線圖可知：由于巖體對具有應力波的衰減作用，所以隨著特征點離爆破邊界的逐漸距離增大，所產生的剪應力會逐漸減小。對于同一個特征點，毫秒延期起爆的方式進行隧道的開挖，在巖土體中產生的剪應力會隨著不同時段和不同位置的爆破而重復的出現增強和衰減（如下圖所示），當爆破結束后剪應力會逐漸消失，在擴槽眼起爆后巖土體的剪應力會達到峰值，此時邊坡的最小安全系數則為1.524。

結論：文章基于XXX出口段隧道工程，通過數值模擬軟件建立了爆破荷載下隧道邊坡的動力響應模型分析了爆破荷載對邊坡穩定性的影響，得出了如下結論：

巖體對具有應力波的衰減作用，所以隨著特征點離爆破邊界的逐漸距離增大，所產生的剪應力會逐漸減小；對于同一特征點在擴槽眼起爆后巖土體的剪應力最大。

參考文獻

[1]張小強. 深孔臺階爆破振動對巖質邊坡穩定性影響研究[D].西安科技大學，2013.

[2]劉美山. 特高陡邊坡開挖爆破技術及其對邊坡穩定性的影響[D].中國科學技術大學，2007.

[3]徐芝綸.彈性力學[ M].北京：高等教育出版社，1982

[4]Anderson D A. Synthetic Delay Versus Frequency Plots for Predicting Ground Analysis and Discrimination [M]. New York： Washington D C，1983

[5] 中國工程爆破協會. 爆破安全規程（GB6722-2011）