地下巷道對近區爆破動荷載的響應特性研究*

閻要鋒，王公忠，嚴敏嘉,3，柴修偉，徐 亮，彭亞利，金勝利

(1.武漢理工大學 土木與建筑工程學院，武漢 430070；2.河南工程學院 安全工程學院，鄭州 450000；3.廣西民族大學 建筑工程學院，南寧 530006；4.武漢工程大學 資源與安全工程學院，武漢 430073；5.湖北興發化工集團有限責任公司，興山 443700)

隨著世界經濟的高速發展，深部礦產資源開采、交通隧道、深埋存儲、深地軍事等工程將向深部巖體開挖轉變，“高地應力”是深部巖石力學的重要研究方面，如錦屏二級水電站引水隧洞最大地應力可達到72 MPa；錦屏一級和官地等水電工程地下洞室的最大主應力也達到20～40 MPa。目前開挖施工中鉆爆法依然是深部工程開挖最常用的方式，相比于淺層巖體開挖，在“三高一擾動”的影響下，深部巖體鉆爆開挖會呈現出更多的工程技術難題。國內外許多學者對深部巖體工程進行了大量的研究探索，岳萬友[1]、蔡濟勇等采用有限元模擬方法研究深部裂隙巖體在爆破動荷載作用下的力學特性[2]；宋凱文等從理論上分析和數值模擬角度討論了開挖過程中巖體內應力波傳播規律以及加卸載應力波之間作用特征[3,4]，以及在顯式分析里面地應力施加和初始地應力對掏槽爆破有明顯的抑制作用[5,6]。Mandal和Singh發現在鉆爆開挖過程中[7]，初始地應力的瞬態卸荷會大幅度增加隧洞的超挖量。嚴鵬等采用ANSYS的動力計算模塊研究了巷道圍巖的動態卸荷過程[8]，并將數值解與理論解進行了對比驗證。盧文波等基于等效彈性邊界概念[9]，提出了一種群孔起爆條件下爆炸荷載與開挖荷載瞬態卸荷耦合作用的等效數值模擬方法。

對于深部開挖卸荷下圍巖力學特征，董春亮等認為主要表現為最小主應力卸荷、最大主應力集中[10]，而主應力差的瞬間增大，誘發開挖面內裂隙擴展、貫通，形成由強及弱連續分布的破壞區。Carter等針對長隧道的開挖研究發現[11]，初始地應力的瞬態卸載會產生強烈的拉應力，其幅值與卸荷速率有關。同時深部巖體往往存在高地應力，Toks和Kehrer認為高地應力誘導引起應變能快速釋放誘發的地表振動甚至超過爆炸地震波引起的地表振動[12]。Cao等研究不同地應力狀態下地應力瞬態卸荷誘發圍巖振動的特性[13]。Yang等采用幅值譜分析和時頻分析方法對地應力瞬態卸荷誘發的圍巖振動進行了識別[14]。盧文波等認為深埋高地應力巖體爆破開挖，伴隨著爆破破巖裂紋擴展以及新開挖面的形成[15]，開挖面上的地應力在爆破瞬間也隨之釋放。

國內外學者對深部巖體開挖過程進行了全面系統的研究，而對于逐步向深部開拓采掘的礦山，對于相鄰開拓采掘巷道的爆破開挖施工的受力特征和變形破壞情況研究較少。因此通過構建數值計算模型，研究臨近巷道爆破施工對于既有倒梯形隧道的影響，合理確定其安全距離有助于地下工程結構安全穩定，同時指導優化鉆爆施工技術參數。

1 礦山地質背景及計算模型

1.1 地質背景

某磷礦地質構造復雜，礦層呈緩傾斜產出，為薄-中厚層，礦體形態基本呈層狀分布且兩礦層相距較近，形成緩傾斜疊層礦體。礦層頂板為中厚層狀夾薄層狀結構，其中夾有相對軟弱薄層狀云質泥巖。斷面形狀采用倒梯形布置，斷面頂板寬為4.2 m，底板寬為4.0 m，邊墻高為4.0 m，斷面面積為16.4 m2，礦石堅固性系數f=10，巷道開挖斷面特征如圖1所示。

圖 1 某巷道輪廓Fig. 1 The outline of a roadway

1.2 計算模型

本數值模型采用ANSYS/LSDYNA顯式算法，為節省計算機時和提升計算效率，對該模型進行相應簡化如下：(1)將三維模型抽象為平面應變模型來模擬在距離既有運輸巷道不同距離處采準巷道爆破施工對既有運輸巷道的影響。模型的尺寸為：X、Y、Z分別為5000 cm、2400 cm、6 cm；(2)考慮到建立群孔炸藥的復雜性以及兩個巷道距離相對較遠，為便于數值計算，用集中裝藥取代施工現場的群孔裝藥；(3)在模型邊界施加無反射邊界條件實現以有限的模型模擬無限域；(4)針對不同工況下特征單元精確位置選取問題，考慮模型尺寸較大且相鄰巷道距離較遠特點，將巖石區域中的炸藥位置不進行開挖設置炸藥而是另行建立炸藥單元附著在巖石上。模型材料采用2號巖石乳化炸藥參數如表1所示，磷礦石的力學參數如表2所示，爆破數值模型如圖2(a)所示，從圖2(b)中單元時程壓力曲線的特點可以看出，模型的簡化處理是合理的。

表 1 炸藥參數

表 2 巖石力學參數

圖 2 模型概況及單元應力曲線圖Fig. 2 Model overview and element stress curve

2 爆破數值計算模型結果分析

地下礦山、交通隧道、水利工程等在施工過程中，同一水平或者不同水平相鄰巷道在不同時間甚至同一時間進行鉆爆開挖施工時有發生，高能量的爆破荷載的輸入嚴重威脅到巷道結構物的安全穩定，巷道結構物在施工過程中及其后續運行過程中安全穩定性成為亟待研究和解決的問題，因此以某個礦區某開采水平施工現場為背景進行針對性分析來闡明不同相對水平位置處巷道爆破施工對既有運輸巷道的影響。

2.1 爆源在巷道右側不同位置典型時刻應力云圖分析

如圖3所示，不同時刻下爆源位置在既有運輸巷道右側不同相對位置處的有效應力云圖(依次記錄500 μs、3000 μs、4200 μs、9000 μs處的四個典型時刻)，根據在應力波對巖石的做功過程中，根據炸藥對巖石做功的理論和原理，巖石在炸藥附近最先出現環向裂紋，然后出現徑向裂紋，裂紋交叉貫通實現了巖石破碎，在爆生氣體巨大的準靜態氣體壓力作用下實現碎石的拋擲飛濺。圖3中的4個模型顯示爆源位置距離既有運輸巷道依次是10 m、14 m、18 m、22 m，四個計算模型的有效應力云圖形態的變化過程大致經歷以下三個階段：第一階段在均質各向同性的物理環境下應力波呈現以炸藥為中心以柱面波的形式向四周傳播特點，其具體形態見500 μs時刻應力云圖且隨著時間繼續應力范圍不斷增大。第二階段：隨著應力波繼續傳播，呈顯現出如圖3(a)中第2幅圖片所示的應力集中現象，當應力波在行進中遇到結構物，應力云圖產生劇烈的“結構效應”，見圖3(a)第3幅圖，應力在巷道右側壁及其上隅角出現劇烈的應力集中，同時應力波在巷道側壁處產生強烈的反射，行進的應力波和反射的應力波在削弱應力的同時改變應力波的而前進方向。第三階段：當應力波波陣面通過巷道結構后，應力波的形態發生顯著變化，波陣面由最初凸形狀變為凹形狀且在最凹處應力強度最低，在巷道左側壁處顯示為應力降低區，僅在巷道左側上下隅角出現微弱的應力集中，隨著爆源和既有運輸巷道距離加大，到達既有運輸巷道輪廓周圍的應力波成分變得異常復雜，如圖3(a)的第2、3幅圖所示，出現這樣情況這可能與巷道結構形狀、應力波的疊加相關也可能與應力波傳播一定距離后因強度衰減頻率分散有關，限于篇幅，僅對爆源位置在巷道右側10 m進行具體研究和討論，后續的14 m、18 m、22 m的工況產生的有效應力波云圖均出現上述特征，這里不再贅述。

圖 3 爆源位置在既有運輸巷道右側典型時刻應力云圖Fig. 3 Stress nephogram of typical moments at the right side of the existing transportation roadway where the detonation source is located

2.2 爆源位置在巷道右側不同位置處典型時刻單元應力分析

在2.1節中采取定性的分析方法通過用應力云圖分析來衡量和評價距離不同距離處的臨近巷道爆破產生的應力波對既有運輸巷道結構安全和穩定性的分析，為了能夠從不同方位和不同損傷破壞深度研究臨近巷道爆破對既有運輸巷道的影響，從單元拉、壓應力曲線角度對模型在頂板、底板、巷道幫部三個特殊部位選取特征單元進行研究，圖4所示的A、B、C、D表示臨近巷道距離既有運輸巷道依次是10 m、14 m、18 m、22 m，圖中橫軸為單元編號簡寫形式。

圖4顯示巷幫附近距離洞壁一定距離處選取的13個特征單元的應力狀態，每個單元的尺寸為6cm，由表2參數可知巖石單元的應力狀態均小于巖石的抗壓強度，且爆源距離洞壁距越遠其壓應力越小，并且都在距離洞壁附近處其壓力值變化幅度較大，在極小范圍內單元由最小壓應力變化為最大壓應力，其最大壓應力低于巖石的抗壓強度；特征單元拉應力曲線亦在距離隧道洞壁42 cm處變化明顯，尤其爆源在距離既有運輸巷道10 m，14 m處拉應力變化最為明顯，且拉應力數值較大超過巖石的抗拉強度。由上可知，在巷道巷幫附近處巖石的破壞以拉應力破壞為主，同時相鄰巷道爆破施工巷幫的安全范圍為14～18 m。

圖 4 運輸巷道巷幫附近單元應力Fig. 4 Unit stress near roadway side of transportation roadway

圖(5)表明，巷道底板附近特征單元應力變化特征，對于單元壓應力：隨著爆源距離的增加，爆源在距離既有運輸巷道10～18 m階段對應單元的應力衰減梯度較為明顯，爆源在距離既有運輸巷道18～22 m階段單元應力衰減幅度降低。各個模型中距離巷道輪廓越遠壓應力數值越小，這反映出與一般模型規律一致的特點，同時由圖5和表2可知單元的壓應力遠遠小于巖石的抗壓強度不能引起巖石的直接破壞。對于單元拉應力：其變化特征基本遵循拉應力的變化規律，但爆源在距離既有運輸巷道10～14 m階段時，單元拉應力變化幅度較大，這可能與爆炸應力波作用特點有關，也與巷道結構特點有關，最大拉應力超過巖石的抗拉強度，爆源在距離既有運輸巷道18～22 m階段單元拉應力變化較為平緩，且拉應力數值較小，其數量級不足以造成巖石的破壞。因此，對于相鄰巷道爆破施工的巷道底板來說巷道變形破壞仍然是以拉應力為主。

圖 5 運輸巷道底板附近單元應力Fig. 5 Unit stress near the floor of transport roadway

圖(6)顯示巷道頂板附近的單元應力特征，單元編號從1到13表示特征單元距離隧道輪廓面越來越近，對于單元壓應力：在爆源距離既有運輸巷道為10 m時，無論壓應力還是拉應力特征單元曲線均出現震蕩的特點，這與應力波的作用特點以及和巷道開挖后巷道結構特點有關；同樣是在爆源距離既有運輸巷道為18、22 m時，特征單元的應力曲線變化趨于平穩，巷道周邊的巖體仍是以拉應力破壞為主，且既有運輸巷道和臨近巷道的安全范圍在14～18 m之間。

3 結論

基于實際工程案例并結合顯示分析有限元軟件對距離既有運輸巷道不同距離處的爆源進行了相關分析，得出如下結論：

(1)通過對特征單元進行分析發現，巷道斷面近區巖石的破壞主要以拉應力破壞為主，壓應力僅起輔助破壞作用。

(2)通過對頂板、底板、巷道側壁選取特征單元研究，結果表明相鄰巷道的合理布置范圍在14～18 m范圍之內。

(3)通過分析相鄰巷道爆破開挖爆炸應力波對既有運輸巷道應力云圖，發現倒梯形斷面對于爆炸應力波有極強的引導和發散作用，有效抑制爆炸應力波對巷道的破壞，有利于維護巷道的安全穩定。

圖 6 運輸巷道頂板附近單元應力Fig. 6 Unit stress near the roof of transport roadway