爆破荷載作用下圍巖損傷范圍對(duì)隧道穩(wěn)定性影響分析

聶　浩

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031)

鉆爆法憑借其施工成本低、適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于水利水電、交通土建的巖體開挖工程。然而在隧道掘進(jìn)過(guò)程中，爆破在破碎、拋擲巖體的同時(shí)，不可避免對(duì)保留巖體產(chǎn)生擾動(dòng)損傷，導(dǎo)致炮孔周圍一定范圍內(nèi)圍巖參數(shù)劣化，完整性變差，對(duì)隧道圍巖的穩(wěn)定產(chǎn)生一定影響[1]。隧道圍巖的穩(wěn)定性對(duì)隧道開挖工程而言至關(guān)重要，現(xiàn)有圍巖穩(wěn)定性的研究方法主要分為模擬研究、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和理論研究[2]。由于理論研究的局限，而現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)主要作為驗(yàn)證方法，因此以數(shù)值模擬研究為主。在現(xiàn)有數(shù)值模擬研究中，圍巖損傷區(qū)范圍的大小對(duì)隧道穩(wěn)定性的影響研究相對(duì)較少，通過(guò)分析其對(duì)隧道穩(wěn)定性的影響，有利于提高圍巖穩(wěn)定性分析中數(shù)值模擬準(zhǔn)確性。

爆破參數(shù)的設(shè)計(jì)與施工將直接影響爆破荷載對(duì)圍巖的擾動(dòng)損傷程度，在不同的施工方式下圍巖的損傷程度不同。本文基于光面爆破施工方式下圍巖損傷情況，建立數(shù)值模擬模型，進(jìn)行不同損傷情況下隧道圍巖穩(wěn)定性研究，分析在數(shù)值模擬過(guò)程中圍巖損傷區(qū)對(duì)隧道穩(wěn)定性的影響。

1　工程背景

1.1　地質(zhì)概況

以濟(jì)南連接線工程漿水泉隧道為依托，依據(jù)現(xiàn)有施工進(jìn)度，選取位于里程K3+180～K3+220內(nèi)Ⅲ級(jí)圍巖段進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)與圍巖聲波損傷鑒定，為數(shù)值模擬研究提供依據(jù)。由地勘可知，該段圍巖以灰色中風(fēng)化灰?guī)r為主，巖質(zhì)堅(jiān)硬不易軟化，主要存在兩組節(jié)理，結(jié)合較差，產(chǎn)狀陡立，主要地勘參數(shù)為[BQ]=315，Rc=61.4 MPa，Vp=3 330 m/s，Kv=0.55。

1.2　光爆設(shè)計(jì)與施工

采用光面爆破施工，根據(jù)圍巖等級(jí)確定爆破掘進(jìn)進(jìn)尺為3 m，掏槽孔采用矩形布置，共6對(duì)，線裝藥密度為0.68 kg/m，周邊孔孔距控制在50～55 cm范圍內(nèi)，最小抵抗線為70～74 cm，周邊孔采用導(dǎo)爆索起爆，線裝藥密度為0.14 kg/m，炮孔堵塞長(zhǎng)度不低于40 cm。隧道跨度大，達(dá)19.2 m，在Ⅲ級(jí)圍巖段隧道開挖斷面為170.0 m2，由于隧道斷面大，采用錨噴支護(hù)，隧道斷面與支護(hù)見圖1。

圖1　隧道支護(hù)斷面(單位：cm)

2　圍巖損傷范圍

為確定爆破掘進(jìn)方式下圍巖擾動(dòng)損傷的范圍，利用RSM-SY5(T)非金屬聲波檢測(cè)儀，采用跨孔透射法對(duì)圍巖損傷范圍進(jìn)行測(cè)定。根據(jù)聲波探測(cè)原理，探孔需向下傾斜一定角度，使探測(cè)孔能儲(chǔ)存足夠水量。聲波探測(cè)位置選在掌子面后方隧道邊墻處，且沿隧道掘進(jìn)方向每隔1.5 m布置一個(gè)探測(cè)孔，并分別命令為1#、2#、3#、4#探測(cè)孔(圖2)。定義1#與2#探測(cè)孔之間為隧道1-2截面，依此類推。

圖2　聲波檢測(cè)示意

依據(jù)DL/T 5389-2007《水工建筑物巖石基礎(chǔ)開挖工程施工技術(shù)規(guī)范》中巖體損傷的定義，將波速降低10 %作為圍巖損傷的臨界值。由于損傷前圍巖聲波波速不易測(cè)量，可將探測(cè)孔底部較為穩(wěn)定的聲波波速作為原巖波速。利用聲波探頭探測(cè)不同隧道斷面處距離隧道壁面不同距離時(shí)的聲波波速，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)可得圖3。

圖3　光面爆破開挖方式下波速變化

經(jīng)分析，在該隧道地質(zhì)條件下采用光面爆破掘進(jìn)，圍巖的損傷范圍在20～80 cm，為便于利用數(shù)值模擬分析的方法研究損傷范圍對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響，可將損傷范圍確定為20 cm、40 cm、60 cm、80 cm，研究不同損傷范圍下隧道開挖支護(hù)后圍巖的變形與應(yīng)力，進(jìn)而得到損傷區(qū)范圍對(duì)圍巖穩(wěn)定的影響。

3　模擬方案

3.1　模型建立與基本假設(shè)

Ⅲ級(jí)圍巖裂隙相對(duì)較少，在此將巖體視作連續(xù)介質(zhì)，而且僅考慮自重應(yīng)力的影響。利用數(shù)值模擬軟件FLAC3D進(jìn)行模擬分析，模型尺寸為160 m×138 m×150 m(長(zhǎng)×寬×高)，除上表面外，模型邊界采用垂直于邊界面的位移約束。在隧道二襯外建立一層損傷區(qū)模擬爆破開挖導(dǎo)致的圍巖損傷，建立不同損傷區(qū)厚度的模型進(jìn)行隧道開挖圍巖穩(wěn)定性的對(duì)比分析。圍巖、損傷區(qū)與二次襯砌采用實(shí)體單元模擬，初期支護(hù)與錨桿分別采用shell結(jié)構(gòu)單元與cable結(jié)構(gòu)單元模擬[3]，具體開挖支護(hù)模擬圖見圖4。

圖4　隧道開挖支護(hù)模擬

3.2　模擬參數(shù)確定

利用損傷變量進(jìn)行損傷區(qū)圍巖力學(xué)參數(shù)的選取[4]，巖體損傷參量的定義見下式：

式中：D為損傷參量，C與C0分別為巖體損傷前與損傷后的聲波波速。為保證圍巖與損傷區(qū)力學(xué)參數(shù)選取的合理性，首先根據(jù)所研究隧道里程段的地勘資料進(jìn)行圍巖參數(shù)的選取，模擬現(xiàn)行隧道開挖支護(hù)方式，結(jié)合隧道圍巖變形的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行圍巖和損傷區(qū)力學(xué)參數(shù)的反演分析，如果通過(guò)數(shù)值分析得到的隧道圍巖變形量與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)得到的變形量較為吻合，在許可誤差范圍內(nèi)，就可認(rèn)為圍巖與損傷區(qū)力學(xué)參數(shù)選取合理。具體隧道開挖支護(hù)模擬參數(shù)見表1。

表1　隧道開挖支護(hù)模擬參數(shù)

4　數(shù)值模擬及其分析

隧道采用臺(tái)階法開挖，掘進(jìn)進(jìn)尺為3 m，針對(duì)初期支護(hù)緊跟掌子面的開挖支護(hù)工況，模擬計(jì)算不同損傷范圍下隧道開挖引起的拱頂豎向位移、拱肩豎向位移、隧道圍巖應(yīng)力與圍巖塑性區(qū)，通過(guò)對(duì)比分析得到圍巖損傷范圍對(duì)隧道穩(wěn)定性的影響。

4.1　位移分析

沿隧道軸向方向開挖一定距離后，監(jiān)測(cè)距離掌子面不同距離處拱頂豎向位移、拱肩豎向位移、拱腰水平收斂量，每隔1 m設(shè)置一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，提取不同斷面處隧道圍巖的位移見圖5～圖7。

圖5　拱頂豎向沉降

4.2　應(yīng)力分析

對(duì)隧道掌子面后1.5 m處隧道截面進(jìn)行圍巖應(yīng)力分析，統(tǒng)計(jì)不同損傷范圍下隧道圍巖應(yīng)力(表2)。

4.3　塑性區(qū)分析

隧道開挖后應(yīng)力重分布可能導(dǎo)致圍巖進(jìn)入塑性狀態(tài)，通過(guò)分析圍巖塑性區(qū)的分布位置與塑性區(qū)大小，可得到該條件下圍巖的穩(wěn)定狀態(tài)。通過(guò)FLAC3D模擬不同損傷范圍下圍巖開挖后的塑性區(qū)(圖8、表3)。

表2　隧道各部位應(yīng)力值　MPa

圖6　拱肩豎向沉降量

圖7　拱腰水平收斂量

開挖方案損傷區(qū)20cm損傷區(qū)40cm損傷區(qū)60cm損傷區(qū)80cm塑性區(qū)體積/m31.2466×1041.2746 ×1041.2875×1041.2972×104

5　結(jié)論及分析

(1)當(dāng)圍巖損傷區(qū)范圍不同時(shí)，隧道拱頂豎向沉降、隧道拱肩豎向沉降及隧道拱腰水平收斂隨損傷區(qū)范圍的增大具有增大的趨勢(shì)，當(dāng)損傷區(qū)厚度為80 cm時(shí)，隧道拱頂最大豎向沉降為7.94 cm。

(2)隨損傷區(qū)范圍的增加隧道拱頂水平應(yīng)力略有增加，最大應(yīng)力為0.362 MPa；隨塑性區(qū)的增加拱腰豎向應(yīng)力增大，最大應(yīng)力為3.035 MPa。

圖8　不同損傷區(qū)范圍圍巖塑性區(qū)云圖

(3)隨圍巖損傷區(qū)的增加隧道開挖后圍巖塑性區(qū)增大，塑性區(qū)體積最大為1.2972×104m3。

綜上，在光面爆破開挖方式下隧道圍巖損傷范圍對(duì)圍巖穩(wěn)定具有一定的影響，在數(shù)值模擬過(guò)程中，需考慮一定掘進(jìn)方式下隧道圍巖損傷范圍，建立圍巖損傷區(qū)，有助于數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。