隧道開挖的圍巖擾動分析及方案優化

吳向東

（保利長大工程有限公司，廣東 廣州 510660）

控制炸藥數量和爆炸產生的能量在隧道安全生產中至關重要[1]。光面爆破是常用的爆破手段，能減輕圍巖擾動，減少開挖過程中發生超欠挖的次數，保護圍巖完整性，強化隧道結構安全性[2～3]。

一、工程概況

例如某高速公路施工隧道，地巖層類別為灰巖，圍巖強度為Ⅳ級，采用臺階開挖法施工。隧道進口主洞起訖里程為k241+395～k243+467.5，長度為2072.5m，其中明洞為35m，Ⅴ級圍巖150m，Ⅳ級圍巖472.5m，Ⅲ級圍巖1415m，進口段為Ⅳ級圍巖；進口平導起訖里程為dk241+465～dk241+770，長度305m；1座人行橫道25m。

二、計算模型

采用ANSYS-DYNA建模，LS-DYNA中有上百種本構模型，輸入對應的材料參數和狀態方程即可開始計算。LS-DYNA自帶本構模型MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CONCRETE(JHC)常用來模擬圍巖，觀察圍巖損傷情況和破裂過程。JHC本構模型用單元應力模擬圍巖損傷情況，損炸藥采用LS-SYNA中自帶的炸藥材料模型MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN，炸藥有關參數如表1所示。巖石采用LS-SYNA中的材料模型MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CONCRETE，有關參數如表2所示。采用JWL（Jones-Wilkens-Lee）狀態方程描述爆炸產生的壓強為：

表1 炸藥材料參數

表2 巖體參數

如式1所示，P為爆轟產生的氣體壓強（單位：GPa）；E為內能常數；V為相對體積；A、B、R1、R2和W為材料常數，由試驗得到。此次模擬取值如表3所示[4]。

表3 炸藥的JWL方程狀態參數

實際工程要求，上臺階開挖炮眼布置，根據爆炸當量相同的原則，簡化炮眼數量，模擬上臺階開挖時，爆破振動的傳播范圍及周圍巖體的擾動。以此為依據，優化現有爆破方案，降低爆破振動對圍巖結構整體性的破壞，同時減少超欠挖出現的次數。

采用三維計算模型，建立以Ⅳ級圍巖為基礎的巖體結構，模擬隧道開挖過程中，上臺階開挖爆破的效果，爆破斷面面積為85.48m2，采用2號巖石乳化炸藥，炮眼深度為4m。簡化炮眼數量，等效換算為同質量的炸藥模擬爆破效果。簡化后炸藥量為60.2kg。模型尺寸為400cm×200cm×40cm，模擬炮孔耦合裝藥，起爆位置為炸藥中心，計算時間為2000μs。模型下邊界不設置約束，上、左、右邊界設置無反射邊界條件。單元網格采用四面體自由劃分，單元數量約為5萬個。

三、計算結果及分析

（一）巖體損傷情況

取洞口處左、右、上3個方向共9個測點，左右兩側測點間隔50cm，洞口正上方測點間隔30cm。爆炸產生的應力波在巖層中傳播，炮眼布置多分布于上半部，由于波的疊加作用，可以發現應力較大的單元主要集中在洞口正上方。巖體損傷情況多出現在巖體上半部分，且爆炸發生前段達到峰值，呈對稱狀分布在洞口兩側，取監測點的應力及振動速度，研究圍巖在爆炸發生狀態下的受力情況。

應力分布與爆心距成反比，距離爆炸中心越遠，應力分布越少，衰減速度較大。爆炸振動主要發生在前2000μs，主要爆發在1/4時刻處，振動傳播達到峰值。監測點以距離洞口較近處設為1，較遠處設為3。

由于監測點位置不同，波在巖體中傳播受巖層層理影響，所以測得洞口左右兩側數據不同，最大值約為0.2MPa～0.3MPa，最終取各方向合應力。巖石的抗拉強度遠小于抗壓強度，開挖過程中爆破產生的自由面使應力波在傳遞過程中發生反射形成拉伸波，因此圍巖發生的主要破壞類型為拉伸破壞。由于兩側波的疊加作用，洞口正上方應力值略大于洞口兩側，同時，兩側波在傳遞過程中部分相互抵消，數值低于洞口正上方。爆炸應力波在巖石中傳遞，應力峰值與爆心距成反比，衰減速度也隨著傳播距離的增大而變快，導致距離爆炸中心越遠，巖石受到的波動越小。

測點震速是監測爆破振動的有效依據，取監測點x、y、z方向各點震速，x方向震速大于其他方向，距離洞口越近，震速越大。震速主要與炸藥品種、炸藥量有關，應力波在巖石中傳遞的速度取決于介質性質，所以在同種圍巖狀態下，控制爆炸當量是減輕圍巖擾動的關鍵。震速峰值出現在中段，由于頂端的放大效應，洞口上方某些測點y方向震速大于洞口附近，取合速度來代表測點實際震速。觀察發現震速最大值約為2cm/s，小于安全規程要求，為了得到更好的爆破效果，需對現有爆破方案做出優化。

四、爆破方案優化

光面爆破是解決超挖的主要手段，在目前隧道開挖中應用廣泛[5]。

光面爆破常常采用延時起爆，即采用周邊孔與套槽孔不同的起爆時間來控制光爆層的形成，圍巖與周邊孔之間形成最小抵抗線，爆破效果良好，延時爆破分為毫秒延時爆破和秒延時爆破，其優點有：增強破碎作用，減小巖石爆破塊度，擴大爆破參數，降低單位炸藥消耗量；減小拋擲作用和拋擲距離，防止周圍設備損壞，提高裝巖效率；降低爆破產生的振動，避免破壞周圍建筑物[6]。

根據國內爆破經驗可知，相同工況下，相較于同時起爆，延時起爆能減輕約50%的振動，微差段數越多，降振效果越好。實踐證明，當間隔段時間足夠時，減震效果顯著；間隔段時間太短時，前后爆炸產生的沖擊波相互疊加，降震效果不明顯?，F場需按照設計方案實施分段延時爆破。

減小單段炸藥量也是一種有效方法。在爆破工程中，距離爆炸中心越遠，振動放大效應越明顯，減小單段炸藥量，增加炮孔內空氣體積，產生不耦合裝藥效果。不耦合裝藥能有效降低爆生氣體的逃逸速度，降低炮孔巖壁上的作用力，降低壓力衰減速度，使壓力曲線變得平緩，也就是減小爆炸沖擊波作用于炮孔孔壁的強度、增加作用時間，從而降低炸藥爆炸的沖擊作用[7]。