考慮爆破荷載的高邊坡穩定性分析

丁志剛

（中交路橋建設有限公司，北京 101121）

隨著高速公路建設向山區推進，高邊坡工程越來越常見，是工程建設的事故多發地。爆破施工是高邊坡工程中常見的施工工藝，在高邊坡施工中的運用也越來越廣泛，爆破施工的研究引起相關領域的廣泛關注。高邊坡爆破施工中存在的問題是很多的水庫、鐵路和山區公路等建設過程中皆面臨的常見問題。由于巖體爆破振動的影響，導致巖體結構面的強度降低，從而使巖體高邊坡有可能發生局部失穩破壞，影響工程安全、甚至會造成嚴重的人員傷亡事故。出于安全、經濟等方面的考慮，高邊坡施工對爆破效果的要求也越來越高。因此，開展爆破振動對巖體高邊坡穩定性的研究，對于確保公路工程施工建設安全推進，具有廣闊的前景。

目前，爆破荷載作用下巖質高邊坡動力穩定性以及評價標準的問題研究還處于探索階段。部分學者通過有限元法、離散元法對高邊坡在不同爆炸荷載作用條件下的動力響應進行比較與分析，并取得了較理想的結果，這揭示了通過數值模擬的方法分析爆破荷載下的動力荷載對高邊坡穩定性的影響是具有實際價值的。分析不同爆破荷載條件是怎樣影響于高邊坡的穩定性，比較不同條件下爆破荷載對高邊坡影響的差異，對創新高邊坡爆破施工技術并運用于工程實際有著重要的意義。

1.有限元分析模型

有限元分析模型主要是指運用MIDAS-GTS、LS-DYNA、ANSYS等有限元軟件，并根據巖體的物理、力學特性和各高邊坡的設計形式。高文學[1-2]等利用MIDAS-GTS有限元建立二維模型，模型未考慮巖體中結構面，將巖體看成是彈塑性體進行計算，探究緩沖爆破和深孔爆破對高邊坡穩定性的影響，兩種爆破施工技術運用于高邊坡工程的方案如何比選；羅周全[3-4]等利用MIDAS-GTS有限元建立三維模型，采用經向不耦合連續裝藥技術和間隔裝藥技術，研究在同一坡角時下部臺階爆破對整體的高邊坡穩定性的影響，間隔裝藥技術較連續裝藥技術在經濟效益上更有優勢；胡英國[5]等采用Fortran建立拉壓損傷模型，基于LS-DYNA的自定義接口，將拉壓模型導入，并模擬上層巖體和下層巖體預裂爆破的開挖過程，進行了模型的計算和模型的驗證；應用LSDYNA的塑性隨動硬化材料建立高邊坡模型，通過與實際模型試驗的相互驗證得出減震溝能夠改善爆破荷載對邊坡穩定性的影響。

2.爆破施工對高邊坡的作用

2.1 作用原理

爆破荷載對巖質高邊坡的作用原理主要表現在以下兩個方面：一是對高邊坡的影響，高邊坡施工形成的震動慣性力使高邊坡致滑因素增加。此時爆破產生的震動慣性力相當于一個動荷載，直接引起高邊坡的穩定性；二是對高邊坡整體穩定性的影響，爆破產生的引力波在巖體內部傳遞，致使高邊坡巖體中的剪應力增加，在剪應力的作用下巖體結構面、裂隙、節理等發生擴張或產生位移，使其原來的物理力學性質下降，使高邊坡失穩變形。其作用是間接對高邊坡產生影響，爆破荷載未直接作用于高邊坡，而是引起高邊坡上的微結構發生變化，減小結構原來的物理力學性質，從而影響高邊坡整體的穩定性。

2.2 穩定性評價

當前，巖質高邊坡的動力穩定性的評價方法主要有如下兩種。第一種是經驗法。速度經驗法是經驗法中運用得比較廣泛的一種方法，爆破振動速度影響著高邊坡的穩定性。同時巖質高邊坡的穩定性受地層巖性、風化程度、高邊坡形狀、爆破施工方案等諸多因素的影響。第二種是安全系數評判方法，但用于評價爆破荷載下巖質高邊坡的穩定性欠妥。張建海等以極限平衡法為基礎，將高邊坡安全系數取為抗滑力與下滑力的比值，將這個比值作為穩定性系數。但由于爆破荷載對高邊坡的作用力是瞬時的，高邊坡一瞬間的抗滑力與下滑力的比值小于1并不會造成高邊坡的失穩破壞。

所以，目前爆破對高邊坡穩定性的影響采用安全振動速度閾值法較為廣泛。

2.3 對高邊坡穩定性的影響

高文學[1-2]等利用MIDAS-GTS有限元將三維問題轉化為二維問題并建立二維動力響應模型，結合安全振動速度閾值法比較深孔爆破技術與緩沖爆破技術高邊坡的位移云圖、高邊坡最大剪應力圖和最大振動速度衰減規律得出緩沖爆破技術比深孔爆破技術減小了爆破荷載對高邊坡的危害和降低爆破振動對高邊坡穩定性的影響的結論。緩沖爆破技術具有較靈活，適用于地形陡峭、爆破量較小的地段，在爆破施工技術中有著不可取代的地位。但緩沖爆破技術存在一定的缺點，如勞動強度大、工作效率低等。深孔爆破技術雖然顯著提高了施工效率、降低成本等優點，然而對高邊坡穩定性的影響較緩沖爆破技術較大。在工程施工中如何比選施工方案，還需多方面考慮。

羅周全[3-4]等利用MIDAS-GTS有限元軟件，建立270*487*200m的三維模型，分析徑向不耦合間隔裝藥技術和連續裝藥技術對高邊坡整體穩定性的影響。計算出連續裝藥與間隔裝藥條件下爆破荷載等效峰值應力，采用中科院成都分院TC-4850爆破震動信號測試儀監測兩種條件下最大振動速度實測值，取實測值波形圖與平均值波形圖最接近的一組數據進行分析；比較200ms內連續裝藥技術與間隔裝藥技術高邊坡位移分析；比較高邊坡最大剪應變應力圖，揭示了間隔裝藥技術條件和連續裝藥技術條件下，雖然大塊率以及超挖、欠挖等爆破效果基本一致，但是高邊坡的破壞程度、巖體位移、最大剪應變的作用明顯變小，可見間隔裝藥技術條件較連續裝藥條件對高邊坡的危害及高邊坡穩定性的影響更小。這項研究成果對減少人力、物力、財力需求等方面的效益明顯。

研究表明受高邊坡坡度、高邊坡巖性、地形地貌等因素的影響，高邊坡爆破振動在臺階部位具有高程放大效應，而在臺階坡腳處高程放大效應不存在，隨著高程的增加而逐漸減小。高邊坡主體結構的突出體位于不同高程的臺階處，該臺階部位爆破產生“鞭梢效應”，但是應力、應變比同高程臺階處的小，所以不同臺階處振動速度具有放大效應，因此臺階處的監測爆破振動速度的數據不利于用于評價高邊坡的穩定性。

以麻江縣19號市政公路高邊坡開挖為例研究表明在開挖過程中，選擇合適的爆破方法是非常重要的，明確爆破數據，合理掌控炸藥的爆破程度，將影響巖石穩定性的因素降到最低，從而提升爆破效果，確保施工安全，同時減少超、欠挖，提高公路工程質量及進度控制爆破分段的裝藥量，將高邊坡爆破的施工順序進行調整把爆破對邊坡巖體的破壞和邊坡整體穩定性的影響降低，同時降低了工程的成本消耗。小灣水電站高邊坡工程實際的研究表明高邊坡爆破影響整體穩定性雖不至于邊坡整體失穩破壞，但爆破作用于滑動面導致滑動面弱化，在降雨，地震等不良因素的影響下可能會導致邊坡的失穩滑動破壞。

基于目前廣泛采用上層臺階的爆破振動速度閾值作為爆破振動安全標準的現狀，對水電工程巖石高邊坡爆破振動安全標準結合上層臺階巖體原先的允許振動速度；各水電站（如：溪洛渡水電站、白鶴灘水電站等）的損傷深度，得出結論，采用爆破安全控制標準是安全可靠的。針對白鶴灘水電站左岸的高邊坡，采用Hoek-Btown準者估算損傷巖石力學參數，通過測試爆破產生的巖體波速得出擾動因子隨深度的變化規律；擾動因子與巖體單軸抗壓強度、內摩擦角和粘聚力的關聯等。溪洛渡水電站高邊坡開挖的動力有限元計算表明，馬道外緣點、馬道中點、坡面中點和馬道內側點在爆破施工發生后，以前兩處測點的放大效應較明顯，后兩處測點的放大效應并不明顯。并且，隨著爆心距的增加這種爆破振動放大效應隨之減小。這項研究為爆破施工時理想的置測點位置選擇提供了有效的依據。采用Blast-UM型爆破測振儀對兩次徑向不耦合、軸向連續裝藥爆破的單薄山體的赤灣山高邊坡施工進行監測，分析所測數據。并且利用LS-DANY有限元軟件進行赤灣山單薄山體的爆破振動數值模擬，模型的邊界設置為無反射邊界，巖體為線彈性材料。揭露了爆破振動產生的高程效應，并且發現赤灣山單薄山體的自振頻率與常見的單面邊坡的不同。減少了起爆網絡的時間，對爆破施工進行了優化。

3.結語

通過以上學者通過爆破實體試驗、建立有限元模型等方法，可以分析、比較在不同條件下的各個參數，得出在不同條件下爆破荷載是怎樣影響高邊坡的結論，從而優化高邊坡爆破施工技術進而提高工程建設的安全性、施工效率和經濟效益等。通過建立的有限元模型研究分析顯示，在高邊坡爆破施工中我們應該著重考慮施工方案采用如緩沖爆破技術或深孔爆破技術、不耦合連續裝藥技術或間隔裝藥技術等哪種施工方案能夠達到高邊坡施工的目的并且對高邊坡整體穩定性的影響最小。這些研究為高邊坡爆破施工提供更可靠的理論依據，將我們創新的成果廣泛運用于高邊坡工程施工。

目前學者對于高邊坡爆破施工技術的研究較多，研究成果創新也廣泛應用與工程實際，土木、地質等相關領域人員對爆破施工技術的研究關注較廣泛。然而在高邊坡爆破施工技術研究中，學者考慮含有軟弱結構面的巖質高邊坡下爆破荷載的影響還很少見，然而在實際工程施工中高邊坡爆破施工不得不考慮高邊坡的巖體的結構面的影響。因此，高邊坡爆破施工中軟弱結構面對巖質邊坡影響的研究還有待深入。可見，含結構面的高邊坡爆破施工技術的研究具有廣闊的前景。