硐室爆破對邊坡坡面震動的數值分析

張亞明

(武漢理工大學土木工程與建筑學院，武漢 430070)

隧道硐室爆破在提高隧道挖掘效率的同時，爆破震動很可能使山坡體變得不穩定，甚至誘發滑坡等地質災害給附近居民的生命財產帶來潛在的安全隱患。硐室爆破具有單次炸藥量較多，爆破震動較劇烈，并且對山體和房屋等建筑物破壞較大等特點，故研究硐室爆破對臨近邊坡的坡面震動影響很有必要。目前對于爆破震動的研究更多的是以露天爆破為主，而硐室爆破的研究方向主要在于對地表振動、地面沉降以及巷道支護變形方面，對于硐室爆破對臨近邊坡震動影響的研究較少[1,2]。隨著計算機的發展應用,采用有限元法、有限差分等數值模擬軟件研究爆破震動效應越來越廣泛[2]。目前有關爆破震動與邊坡方面的數值計算大多是模擬露天爆破對邊坡的動力響應，對于硐室爆破在臨近邊坡處的質點震動問題研究較少[3]。

此工程以湖北巴東某鐵礦隧道硐室爆破施工為依托，建立硐室爆破震動模型，采用有限差分軟件FLAC3D對硐室爆破引起的臨近邊坡震動進行計算，通過將數值模擬結果與現場監測數據進行比較分析，研究硐室爆破地震波傳播規律，得到硐室爆破下邊坡上最大質點震速以及對邊坡穩定性的影響。

1 工程概況及爆破方案

所研究的礦區位于鄂西南高中三峽谷區，屬構造侵蝕高中山地貌，地形切割較強烈，多發育“V”型溝谷，溪溝水系較發育。區內地勢總體為西南高北東低，山體海拔標高一般為1 700～1 850 m。礦床內按目前所揭露的巖(土)體巖性及其堅硬程度分為四類，從上至下依次為:松散土(巖)類、軟弱巖類，半堅硬巖類及堅硬巖類。隧道斷面呈馬蹄形，開挖凈高3.2 m，最寬3.2 m，圍巖為堅硬巖類，巖石等級為Ⅱ級。

此工程爆破方案為:爆破作業為平硐掘進，采用分段爆破。根據工程實情和類似工程經驗該礦山巷道掘進面爆破采用全斷面施工，一次成形。井巷掘進為鉆眼爆破，掏槽方式為楔形掏槽，炮眼直徑為φ=40 mm，斷面炮眼深為1.8～2 m；現場使用的是2號巖石乳化炸藥，裝藥系數為0.45～0.6，根據該礦石特性、斷面情況和類似礦山開采經驗，此工程炸藥單耗確定為:1.31 kg/m3。

2 計算模型和參數

2.1 模型的建立

為方便爆破荷載模型的建立，將巷道斷面簡化成半徑為2 m圓形，由于邊坡模型較復雜，使用FLAC3D內置的建模命令建模較困難，故先通過ansys進行邊坡模型的建立，巖層分組完成后再將模型導入FLAC3D中。簡化模型如圖1所示，巖體力學參數見表1。

表1 巖體參數

巖層密度/(kg·m-3)動彈性模量/GPa泊松比粘聚力/kPa內摩擦角/°松散土(巖)190020．232535軟弱巖類2300100．253540半堅硬巖類2500380．286050堅硬巖類2700500．297060

2.2 邊界條件及阻尼設置

在處理動力問題時，往往需要通過設置阻尼使模型在動力荷載作用下的運動規律符合現實情況。這是因為如果模型尺寸較小，在動力荷載作用下模型邊界會產生波的反射，這種反射波將影響計算結果的可靠性。考慮到計算模型僅選取了隧道掘進方向的一段邊坡，故在模型的前后側，右側和底部均設置了靜態邊界。

目前FLAC3D動力計算提供的阻尼形式主要有三種，分別是瑞利阻尼、局部阻尼和滯后阻尼；其中以瑞利阻尼應用較多，此工程模擬也是采用瑞利阻尼。在數值計算中確定瑞利阻尼的參數，一般是通過試算結果并和現場實測資料比較得到的。根據試算，對于巖土材料而言，臨界阻尼比的范圍一般是2%～5%，此次數值模擬臨界阻尼比取0.02，最小中心頻率取2.0。

2.3 爆破荷載的確定

炸藥的爆炸反應是一個瞬態過程并產生大量高溫高壓氣體迅速膨脹并以極高的壓力作用于爆孔壁，確定爆破動力荷載也一直是研究的一大難點。目前爆破荷載的確定往往都是帶有經驗性的公式，主要有將爆破荷載簡化成三角形荷載和級數形式[4]。簡化的三角形荷載適用于集中爆破，而用于分段爆破會造成很大的誤差，并且峰值壓力和爆破時間的確定也比較困難。

為了準確反映硐室爆破下邊坡和巷道的震動情況，采用硐室爆破中掌子面附近巷道內的實測震速時程作為數值計算的輸入時程[1]，峰值震速138 cm/s，再將震速按式(1)轉化成震動荷載加載于隧道四周，數值模擬時硐室爆破荷載的峰值荷載為σmax=13.41 MPa。

σ=ρcpv

(1)

式中,σ為爆破荷載，Pa；ρ為巖土體密度，kg/m3；cp為縱坡(p波)波速，m/s，此工程硐室巖體取3 600 m/s；v為震動速度，m/s。

2.4 本構模型的確定

FLAC3D5.0中共提供了15種力學本構模型，包括1個空模型組、3個彈性模型組和11個塑性模型組，此外，在動力分析模式下，還提供了兩種可考慮材料孔壓的本構模型。此工程選用摩爾-庫倫模型，這種模型適用于土體、巖石和混凝土等材料。

2.5 測點的布置

為了研究硐室爆破下鄰近邊坡坡面的振動情況，分別在順著邊坡向上和沿著邊坡走向進行布點，其中沿著邊坡走向的05號測點距離邊坡底部39.4 m，其余測點分布于05號測點兩側，間距為5 m，如圖2(a)所示；順著邊坡向上測點位于爆破點的剖面上，如圖2(b)所示。

3 計算結果和數據分析

3.1 邊坡質點振動速度數據分析

由表2可知，在沿著邊坡走向的測點中，最大震速出現在05號測點，為0.855 cm/s，05號測點兩側的測點震速相應減小，反映了質點振速峰值隨爆心距的增大不斷衰減的規律且X方向震速均大于Z方向震速。

在沿著邊坡向上的測點中，最大振速出現在坡面最上端的#5測點，Z方向振速0.969 cm/s，Z方向震速大于X方向震速；質點峰值震速明顯大于坡面其他測點振速，出現高程放大效應[5,6]。

表2 測點震速數據統計

3.2 邊坡穩定性定性分析

邊坡坡面質點最大振速出現在坡面最上端的#5測點，為Z方向振速0.969 cm/s。現行的爆破安全規程(GB6722—2014)[7]采用峰值震速和頻率雙參數作為安全判據。對于永久性巖石邊坡，當f≤10 Hz，V為5～9；10 Hz50 Hz，V為10～15。其中f為頻率，Hz，V為規范允許的質點震速，cm/s。根據現場實測，硐室爆破邊坡震動主頻主要集中在30～90 Hz，安全允許震速V為大于8 cm/s，遠大于0.969 cm/s，故硐室爆破下邊坡是處于安全穩定狀態。

3.3 邊坡穩定性定量分析

采用擬靜力法和簡化Bishop對硐室爆破下邊坡穩定性影響進行定量分析。采用FLAC3D中內置的強度折減法確定邊坡危險滑移面，滑塊面經條分后采用簡化Bishop法計算，得到未進行硐室爆破時邊坡的初始安全系數為1.528。

擬靜力法是將爆破振動荷載轉化為水平向外(指向邊坡臨空面)和豎直向下的靜荷載來計算。

Q=keW

(2)

ke=BK

(3)

其中,Q為硐室爆破作用于滑塊體的擬靜力荷載，kN；ke為擬靜力系數；W為滑塊重量，kN；B為爆破動力折減系數；K為振動系數。

爆破動力折減系數B通常在0.1～0.2范圍內取值，具體分析時綜合考慮巖體強度、質點振動速度及工程重要性級別等，考慮到該硐室爆破采用的微差爆破，爆破規模較小，總藥量較小，故此工程硐室爆破的動力折減系數取0.1。振動系數K是爆破荷載下巖土體質點振動加速度與重力加速度g的比值。由于邊坡坡面質點最大振速出現在坡面最上端的#5測點，故通過#5測點的加速度時程來確定質點加速度。水平向加速度取a=1.95 m/s，垂直向加速度取a=2.66 m/s，故水平向和垂直向擬靜力系數分別為0.020和0.027。通過式(3)得到各條塊的慣性力后，即可使用簡化Bishop法得到硐室爆破荷載下邊坡的安全系數為1.475，相比未進行硐室爆破時，邊坡安全系數減小約3.47%。安全系數減小不大，邊坡整體呈穩定狀態。

4 結 論

a.邊坡坡面峰值震速隨爆心距的增大不斷衰減，但坡頂峰值震速較坡面質點峰值明顯增大；坡面震動峰值以X方向為主，而坡頂水平面質點震動峰值以Z方向為主。由于高程效應的影響，坡頂峰值較大，因此硐室爆破對邊坡穩定性的影響要以垂直向為控制方向。

b.通過計算得到邊坡的質點峰值震速，結合現行的爆破安全規范對邊坡穩定性進行定性評價；利用FLAC3D計算質點振動加速度時程，采用擬靜力法和簡化Bishop法得到硐室爆破后邊坡安全系數為1.475，相比未進行硐室爆破時，邊坡安全系數減小約3.47%。安全系數減小不大，邊坡呈整體穩定狀態。因此對硐室爆破下的邊坡穩定性進行定性和定量評價是有效的，對于評價與優化硐室爆破施工方案能夠提供有效參考。

[1] 曹孝君.淺埋隧道掘進爆破地表震動效應數值模擬[J].西南交通大學學報，2006，41(6):680-684.

[2] 王 舉.隧道洞中爆破振動對地表影響的數值分析[J].土工基礎，2017，31(4):443-448.

[3] 陳振中.巖質高邊坡爆破動力反應規律及穩定性研究[D].武漢:武漢理工大學，2009.

[4] 陳占軍.爆破荷載作用下巖石邊坡動態響應的 FLAC3D模擬研究[J].爆破，2005，22(4):8-13.

[5] 郭學彬.爆破振動作用的坡面效應[J].巖石力學與工程學報，2001，20(1):83-87.

[6] 徐 穎，孟益平，吳德義.爆破工程[M].武漢:武漢大學出版社，2014.

[7] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.GB6722—2014 爆破安全規程[S].北京:中國標準出版社，2014.