基于三維重構技術的爆破活動對鄰近巷道圍巖損傷影響分析

俞祥杰 袁海平 熊禮軍 陳 晨 張 羽

（合肥工業大學土木與水利工程學院，安徽合肥230009）

進入21世紀以來，國家的現代化進程不斷加速，各種基礎設施建設如火如荼地展開，礦業資源需求量急劇增長，國內礦山的開采規模也隨之得到快速增長，而爆破施工目前作為國內礦石開采的主要方法，對于周邊巖體的穩定性有著很大影響，是一種具有破壞性質的施工方法，周邊巖體的裂隙會因受到爆破沖擊波的影響而進一步發展，周邊巷道的安全系數進一步降低，甚至會導致地下巷道發生失穩破壞等事故。所以，如何準確分析爆破對于鄰近巷道圍巖的損傷程度及破壞規律，進而判斷鄰近巷道的穩定性就顯得至關重要。

近些年來，國內外的相關研究人員對于此類問題展開了廣泛的研究，并且也取得了許多重要的研究成果。宋肖龍等［1］以地質雷達為工具，研究了隧道爆破對圍巖損傷規律，發現循環爆破對爆源60 m范圍內巖體損傷最明顯；左雙英等［2］針對爆破開挖活動對圍巖損傷效應展開了數值模擬，得知質點振速峰值與其損傷度存在正相關性；劉樹新等［3］基于CT技術對巖石軸壓破壞過程中損傷破壞過程進行了研究；NASSERI等［4］運用CT技術得到巖石樣本的內部損傷圖像，并評估了巖石損傷的分布情況；黃少攀等［5］運用數值模擬軟件對爆破回采過程展開模擬，分析了在爆破影響下采場的位移、應力變化情況；劉小樂等［6］運用HHT方法對爆破振動信號進行處理，分析與研究了爆破的破壞規律；李新平等［7］通過彈塑性本構方程中引入損傷變量，研究了單段炸藥量與爆破對圍巖破壞情況的關系；褚懷保［8］通過振速測試試驗，探究了巖體破壞情況與波速衰減情況之間的關系。

較多專家學者運用數值模擬軟件對爆破開采活動進行了數值模擬，雖然能夠從宏觀的角度分析爆破開采活動對周邊巖體產生的影響，但是對于巖體內部破損演化情況不能夠進行觀察，而直觀展示和準確表征巖體內部復雜空間分布能夠有效幫助研究地下工程穩定問題。而CT技術雖然能觀察到巖石試件的內部損傷情況，但是由于CT機自身的大小及技術限制，不允許它對工程巖體進行使用，目前僅限制于實驗室內進行研究。三維重構技術作為一種以重構模型的方式直觀展現工程巖體內部的三維空間形態，進而有效揭示了巖體內部破損的演化特征和力學行為的新興技術，具有較好的實用價值，所以本文基于三維重構技術研究爆破活動對鄰近巷道圍巖穩定性影響問題，以期進一步認識爆破破壞規律，為工程減少爆破危害以及巷道支護方面提供指導作用。

1 三維重構技術介紹

采用的三維重構技術是一種參照CT技術原理，并基于數值模擬軟件和數據分析與仿真軟件的數據處理與繪圖功能，對巖體內部損傷的空間形態進行三維可視化重構的新興技術，它能夠幫助研究人員深入認識巖體損傷演化行為并解決工程實際問題。

1.1 三維重構技術基本原理

三維重構技術以數值計算軟件FLAC3D為基礎，結合MATLAB軟件的數據處理及其繪圖功能作為實現的工具。首先運用FLAC3D軟件，計算模擬巖土體的受力情況；再將模型各個節點和單元的三維坐標及相關數據（應力、位移、破壞接近度值等）輸出到MATLAB中，在MATLAB的圖形窗口中產生位于三維坐標系的行線性矢量，并生成三維矩陣；然后通過命令導入三維散點數據，進而從三維數據中提取等值面數據生成等值曲面，最后通過設置視角、顏色、透明度、光照等視圖效果及繪制模型的輪廓圖來實現三維形態展示。重復上述步驟，就得到各個工況下計算模型各單元的應力、位移等信息的立體分布情況。三維重構技術的實現流程如圖1所示。

1.2 三維重構技術優勢分析

目前研究巖石內部損傷形態的主要方法是對試驗試件進行CT掃描，根據CT數的變化表示巖石的損傷破壞情況，再對CT圖片利用Mimics等專業影像軟件進行巖石中損傷區的三維重構。由于巖石材料內部的損傷不僅分布隨機并且難以觀察，因此，CT技術對于辨識巖石內復雜的損傷結構的空間分布及重建具體模型具有重要的作用［9-12］。但是，由于CT機本身大小及技術的原因限制，僅僅限制在試驗室內，該技術不能觀察工程巖體的內部裂隙發展、演化和積累過程，并且室內試驗的試件尺寸與實際工程巖體相差多個數量級，而工程巖體存在著明顯的尺寸效應。三維重構技術是通過數值計算軟件，來模擬巖土體的受力情況，并獲得模型各節點、單元的數據來實現巖土內部形態展現的一項新技術，由于三維重構技術不受模型大小的限制，能夠對工程巖體進行數值模擬，從而避免了CT掃描技術所帶來的尺寸效應，在認識工程巖石損壞機理及判斷工程巖體損傷程度等方面具有較好的指導作用。

2 數值計算模型

本研究以華中地區某大型礦山為解決爆破活動引發巷道片幫而設立的爆破監測項目為基礎，建立數值計算模型，并基于三維重構技術分析爆破活動對既有巷道的穩定性影響。數值計算模型主要由2條直墻巷道構成，左巷道為既有巷道，右巷道為爆破施工巷道，左右巷道尺寸相同，直墻高4.0 m、拱高2 m、寬度4 m，兩巷道中心距為14 m，模型的影響范圍取長20 m，寬40 m，高30 m。在劃分網格時，為了同時滿足計算結果精度與計算機計算能力，模型的網格進行了簡化，同時也對既有巷道與爆破施工巷道的網格單元進行了加密處理。如圖2所示，模型由580 698個單元體構成。同時在左側既有巷道內，每4 m設置1組振速監測點，圖3為巷道斷面的監測點布置示意圖。

整個數值計算主要模擬了在σv=10.7 MPa，σh=3.32 MPa的應力條件下，爆破活動對于周邊既有巷道穩定性的影響。整個計算主要由靜力計算以及動力計算這2個部分組成。先進行靜力計算，此時對模型四周及底部加上約束位移邊界，然后沿著X軸正半軸開挖，每次開挖2.5 m，靜力計算部分分8步完成。當靜力計算完成后，再進行動力計算，此時需要去除原來的邊界條件，換成粘滯邊界條件，再將速度時程施加到待開挖的巷道巖石上，進行爆破開挖數值模擬計算，同樣也是每次開挖2.5 m，分8步完成。巖石參數如表1所列。

3 數值模擬結果分析

爆破開挖活動對鄰近巷道穩定性產生的影響，主要由兩個方面原因引起，分別為洞室開挖導致的應力重分布作用及爆破動荷載作用，簡稱為靜載作用和動載作用。本部分基于三維重構技術，對數值計算結果進行立體展示，分別從靜載及動載作用方面，研究分析爆破開挖活動對鄰近巷道穩定性的影響。

3.1 位移分析

既有巷道和施工巷道在靜載和動載作用下的水平位移三維重構圖如圖4所示。從圖4可知：在靜載作用下，巷道圍巖水平位移Uy=1 mm、0.5 mm、-0.5 mm、-1 mm的等值面主要呈拋物線狀，而且主要分布在巷道的兩側；由于重力的存在，巷道直墻部位均產生向內的水平位移；當施加動載后，既有巷道的巖體受到擾動，產生二次應力重分布，直墻部位的水平位移也隨之增大，特別是迎爆側直墻部位變化最大；和靜載狀態相比，新產生了Uy=-1 mm水平位移等值面，這表明爆破活動加大了既有巷道直墻部位的水平位移，而且可以很明顯地看出迎爆側直墻的水平位移增長更加顯著，這也同現場實際情況相吻合。同時和靜載狀態相比，動載狀態下的施工巷道各個數值的水平位移等值面范圍均有著較大程度的擴大，說明爆破所帶來的破壞作用較為明顯。豎直位移三維重構圖如圖5所示，和靜載狀態相比，動載作用下既有巷道的豎直位移有著較大程度的增長，各豎直位移等值面范圍均有所擴大，特別是頂板與底板部位最為明顯，這也從另一角度驗證了上面的分析，體現了爆破活動對鄰近巷道穩定性確實有著較為明顯的影響。

3.2 應力分析

既有巷道和施工巷道在靜載和動載作用下的水平位移三維重構圖如圖6所示。從圖中可知：巷道圍巖的最小主應力 S3=1 MPa、0 MPa、-0.5 MPa、-1.5 MPa的應力等值面呈蝶狀，分布于巷道圍巖上，越靠近內部應力值越大，而且拉應力主要集中于巷道的頂板及底板處。同靜載狀態相比，在動載作用下，無論是既有巷道還是施工巷道的最小主應力等值面范圍均有不同程度的范圍增長，其中施工巷道增長最多，這是由于爆破就在此巷道內進行，周邊圍巖受到的影響最顯著，而既有巷道與爆源的距離較遠，受到的影響較小，但依然有著一定程度的增長。

3.3 監測點振速分析

因為爆破產生應力波對巖體完整性等方面影響很大，巖石的峰值振動速度越大，巖石的損傷也就越大。所以在本此次數值計算中，對既有巷道的X=2 m、X=6 m、X=10 m、X=14 m、X=18 m這5處剖面分別設置了監測點進行振速監測，各監測點的峰值振速如圖7所示。從圖中可以明顯得知：各剖面的6、7、8號監測點的Y向峰值振速均大于同剖面的其他監測點，而它們均位于鄰近巷道迎爆側直墻部位；根據波的傳播途徑分析可知，迎爆側直墻部位同施工巷道的爆心高度最為一致，爆破施工所產生的振動波幾乎垂直入射到該部位，所以該部位波速最大，受到的影響也越大，這也進一步驗證了分析位移時得出的該部位水平位移增大較為明顯，發生破壞的概率較大的結論；分別位于既有巷道底板與頂板的4、5號監測點振速次之，該部位振動波的入射角較大，同時巷道底角存在夾制作用，會較大削弱振動波的強度；位于既有巷道左側直墻部位的1、2、3號監測點振速最小，這是因為該部位距離爆心位置最遠，爆破所產生的振動波需要經過較長繞射距離才能抵達，振動波的強度會得到極大削弱，故此部位受到爆破的影響最小。綜上可知，迎爆側直墻部位受到爆破活動的影響最大，而實際現場靠近爆源側直墻發生破壞案例較多的情況也驗證這一點，所以在實際工程中要加強對該部位的監測與支護，盡最大可能防止此類安全事故的發生。

3.4 數值模擬結果驗證

數值模擬是一種基于現場實際情況而建立模型進行計算的方法，它所得到的結果精確度受到很多因素的影響，如計算模型形狀、邊界條件等因素均會影響到最終計算的準確性，甚至有時會發生偏離正確結果較多的情況，所以本小節將以現場爆破波速測量數據為依據，同數值模擬波速結果進行對比與分析，驗證數值計算結果的準確性，使上述分析結果更具有可信度。

本次驗證選取數值計算Y向振動曲線與現場切向振動曲線展開分析，如圖8所示。數值計算與現場實測所得振速數據無論是持續時間還是峰值振速都較為接近，但是2條曲線的波峰出現時間有所出入，這是因為現場的巖石是有著各式各樣節理等地質構造的不均勻介質，而在數值計算中為了計算方便，巖石是被當做均勻介質體，而且爆破的影響因素較多，在測量中總會出現不可避免的誤差。從總體的角度來看，數值計算曲線與現場實測的曲線擬合性較好，這證明本次數值計算建立的模型較為合理，計算結果同實際情況較為相符，進而說明本研究的結果分析是具有說服力的。

4 結論

針對某礦山由于爆破開挖活動而引發鄰近巷道破壞的情況，本文基于三維重構技術對FLAC3D軟件得出的應力、位移等結果進行直觀展示，分析爆破開挖活動對鄰近巷道穩定性的影響問題，并將數值模擬的監測點振速與現場實際測量值進行對比，得出以下結論：

（1）從對數值計算結果進行三維重構的效果來看，應用三維重構技術對巖體應力、位移方面進行直觀展示是可行的，而且存在著較大的實用價值。

（2）數值模擬與現場測量的振速曲線的良好擬合性，說明本次數值計算能夠較好模擬爆破活動對周邊圍巖影響，所以本次數值計算結果及分析結論具有較大可信度。

（3）爆破開挖活動對于鄰近巷道的穩定性有著較為明顯的影響，既有巷道圍巖的應力，位移等方面均有不同程度的增長，其中迎爆側直墻圍巖因距離爆心較近且同爆心位于同一高度，爆破產生的振動波幾乎垂直入射到該部位，故該部位圍巖損傷較為嚴重。因此，在實際工程中應該加強對該部位圍巖的監測，并及時采取素噴混凝土等有效支護手段，避免該部位圍巖發生失穩破壞。