大前石嶺巖堆斜坡坡面爆破振動動力響應特征*

朱大鵬，謝昌建，阿布拉鐵，許紅波,3

(1.西南石油大學 地球科學與技術學院，四川 成都 610500；2.三峽庫區(qū)地質災害教育部重點實驗室(三峽大學)，湖北 宜昌 443002；3.岳池縣發(fā)展和改革局，四川 廣安 638300)

0 引言

近年來，國內、外山區(qū)地質災害多發(fā)，造成經濟、人員重大損失，如崩塌、滑坡、泥石流等[1-2]。自然形成的巖堆往往松散堆積于山坡坡腳或平緩山坡處，直接威脅沿途鐵路、公路等工程建設運營安全，對沿線工程建設構成巨大威脅，屬于不良地質災害之一。當隧道穿越巖堆斜坡至下伏堅硬基巖時，一般采用“洞口段附近及上覆巖堆注漿固結—基巖層鉆爆掘進”方法[3]施工，以便同時確保堅硬基巖施工工期以及巖堆體安全。但過量的爆破用藥會造成巖堆塊體劇烈振動、翻滾、垮塌，甚至堵塞洞口。大前石嶺隧道進口需穿越巖堆斜坡段，但目前類似的動荷載(隧道爆破施工振動、列車振動、地震等)對巖堆邊坡穩(wěn)定性影響的研究較少，振動響應機制不清，應力波傳播規(guī)律不明，無可借鑒的較為成熟的評價方法。

由于巖堆坡面為自由面，不具有限制坡面巖塊運動的約束條件，巖塊更具有向下運動的趨勢，危害更大。同時，爆破測振儀必須固定在巖塊上保持與巖塊同步振動，現有條件下難以對坡內速度進行監(jiān)測。因此，振動強烈程度評價以坡面巖塊速度為主，同時借助數值模擬展開進一步分析。

爆破振動下邊坡振動速度越大，其振動效應越強烈，邊坡穩(wěn)定性越差。因此，常將質點峰值振動速度作為爆破振動動力響應安全判據。質點峰值振動速度衰減預測常采用前蘇聯科學院M.A.Садовский(薩道夫斯基)[4]根據實驗歸納出的爆破作用下地面振動速度經驗公式。針對隧道爆破掘進引起坡面振動速度預測，需要同時考慮坡面高程效應的影響[5]。

本構關系的表征是數值模擬手段必須克服的問題。由于巖堆塊體為非連續(xù)體，顆粒流程序可以更好地描述顆粒離散關系。由于顆粒尺寸相近、形狀相似，線彈性、小變形條件下有限元法同樣可以近似地分析由于開挖、爆破引起的結構位移及變形。遠離震源的坡面位置，巖堆塊體的運動較為微弱，振動主要受應力波驅動，可將其力學行為仍視為處于彈性階段；而直接遭受爆轟壓力的粉碎區(qū)，塊體開裂、粉碎，能量轉換復雜，變形、破壞劇烈，塑性變形大，有限元的局限性則展露無遺。因此，有限元法可以有條件地模擬爆破作用下巖堆力學行為。Resende等[6]基于實測數據和有限元模型研究了地下洞室爆破作用斜坡振動及地震波傳播規(guī)律，證實了有限元法的適用性；許紅波[7]對大前石嶺巖堆隧道圍巖動力響應機制進行了研究；陳江[8]對高邊坡洞口爆破響應規(guī)律進行了研究。除有限元(FEM)以外，快速拉格朗日法(FLAC)[9-11]、離散元法(DEM)[12]同樣可以進行巖堆受動力作用下的響應機制研究。但受塊體連續(xù)性、均勻性影響，特別是不同巖塊之間的擠壓、碰撞，其應力狀態(tài)并不與FEM，FLAC所構建的連續(xù)性一致，而是容易造成塊體內部、塊體與塊體之間應力集中，從而影響整體的應力分布狀態(tài)，這也是現在二者無法克服的困難之一。

目前少見對爆破作用下呈破碎狀的松散巖堆體坡面響應規(guī)律及爆破參數影響的研究。因此，為獲得振動對巖堆邊坡影響的認識，在對隧道開挖、爆破過程開展現場振動監(jiān)測的基礎上，構建巖堆斜坡爆破振動三維有限元模型，根據現場實測爆破振動速度峰值進行數值模擬驗證，探索爆破作用下巖堆斜坡坡面位移、速度以及加速度在不同方向、坡面位置以及用藥量下的響應規(guī)律及機理，準確評價巖堆斜坡爆破振動速度、明確巖堆斜坡爆破振動特征和機理是隧道爆破掘進維持斜坡穩(wěn)定性和經濟、安全施工的基礎，可為指導現場安全爆破施工提供重要參考。

1 工程概況

大前石嶺深厚巖堆位于遼寧省田師傅-桓仁鐵路東段與通慣線交匯處，坡度20°～38°，主要由石英砂巖巖塊、碎石及粉質黏土、粉細砂等第四系崩積物(Q4col) 組成，巖塊粒徑0.3～1.2 m，棱角狀。施工前對進口局部范圍內松散巖堆體注漿加固形成較高強度膠結體以確保洞壁具有較好的自穩(wěn)性。由于厚層石英砂巖基巖質地堅硬，采用2號巖石硝銨炸藥以及不耦合裝藥系數約1.4～2.0的裝藥結構爆破，非電毫秒雷管起爆。除炸藥量改變外，炸藥種類、裝藥結構以及炮孔布置等基本不變，每次起爆可視為僅藥量的變化。

2 巖堆斜坡爆破振動數值模擬

盡管通過現場巖堆斜坡爆破振動速度監(jiān)測判定爆破過程中處于安全狀態(tài)，但由于監(jiān)測數量以及現場條件限制，非監(jiān)測點是否處于安全狀態(tài)有待進一步確定。因此，有必要通過更全面、更有效的數值模擬方法來確定巖堆斜坡不同部位的位移、速度、加速度響應規(guī)律，為巖堆斜坡爆破振動安全評價以及現場爆破用藥預測提供重要參考。

2.1 模型建立

依據大前石嶺巖堆隧道進口段巖堆層、崩坡積層、基巖層簡化建立有限元模型如圖1所示。沿斜坡坡面方向從洞口位置每隔12 m布置1個監(jiān)測點，共布置5個監(jiān)測點，編號依次為邊-1～邊-5，重點分析隧道進尺50 m、藥量20 kg時斜坡坡面動力響應規(guī)律。測點邊-3位于爆破掌子面正上方。根據土工試驗確定材料參數見表1。

圖1 有限元模型及監(jiān)測點Fig.1 Finite element model and monitoring points

表1 巖土層及襯砌材料屬性Table 1 Material properties of rock soil and lining

2.2 震動分析

采用黏性邊界條件以消除人工邊界對地震波的影響。P波、S波黏性系數分別為4.16×105,2.54×105Pa·s，邊界彈簧系數kx，ky，kz分別為58 613，69 636，53 697 kN/m，Raylcigh阻尼比為0.05。振型1周期為0.956 910 s、振型2周期為0.572 170 s。爆破荷載模型采用三角形荷載，采用HY Low式計算峰值荷載。三角形爆破荷載作用曲線如圖2所示。

圖2 三角形爆破荷載作用曲線Fig.2 Triangular blasting load curve

3 爆破速度反演及數值模擬驗證

3.1 爆破振動速度反演

同一掌子面一般僅爆破1次，藥量根據實際情況選取，爆心距、高差等也會隨掌子面位置的不同而改變。在多參數影響下，不便于對數值模擬結果進行對比驗證。一般將質點最大振動速度作為評判斜坡是否處于安全狀態(tài)的依據。運用考慮高程因素對衰減規(guī)律影響的朱傳統公式[5]進行速度反演，其在巖堆斜坡爆破振動速度方面擬合較好[7]，如式(1)所示：

(1)

式中：V為質點峰值速度，cm/s；K為爆破場地系數；Q為爆破藥量，kg；R為爆心距，即斜坡坡面質點距離爆破中心的距離，m；H為坡面相對高程，m；α為地質條件系數；β表示高程影響系數，β>0表示衰減，β<0表示放大。

現有《爆破安全規(guī)程》(GB 6722—2014)[13]并未給出巖堆爆破振動K,α參考值，通過現場監(jiān)測數據擬合得到各參數及相關指數R2，見表2。

表2 朱傳統公式各方向速度擬合參數Table 2 Fitting parameters of velocity in each direction of formula by ZHU Chuantong

因巖堆斜坡結構松散，離散性大，受樣本差異影響，導致整體擬合度均不達0.9，但整體擬合效果較好。同時，上述規(guī)范推薦堅硬巖石的K值為50～150,α值為1.3～1.5。由表2可知，該巖堆斜坡各方向K,α值差異較大，反映了巖堆結構的各向異性。根據數值模擬條件，將表2參數代入式(1)，即可得到與實測值近似的反演值。另外，相比整體性好的完整巖體[14]，其K，α值明顯降低，與巖堆結構孔隙和結構面眾多有關[15]。大前石嶺巖堆垂直方向速度K，α推薦值分別在30，1.2左右。

3.2 數值模擬驗證

為確保所建立的數值模型與實際相符，將各方向振動速度作為驗證依據。模型所用藥量為50 kg、隧道進尺50 m，對比巖堆隧道進口段底面中部距爆破掌子面20～70 m每隔10 m處的各方向峰值速度模擬值與現場實測數據反演值，如圖3所示。隧道軸線方向指向洞門為X軸正方向，垂直紙面向外為Y軸正方向，垂直向上方向為Z軸正方向。

圖3 各方向速度模擬值與反演值對比Fig.3 Comparison on velocity of simulation and inversion in each direction

由圖3可知，模擬值相比根據實測數據得到的反演值，各方向速度衰減整體變化趨勢基本一致，X，Y，Z方向速度以及合方向速度平均相對偏差分別為17.3%，9.6%，14.7%，6.9%，即除VX相差較大以外，其余速度擬合度較高。總體速度衰減趨勢一致且整體相差不大，都為“先快后慢”式衰減。因此，有限元法能較準確地模擬巖堆爆破振動動力響應情況，可作為后續(xù)動力響應分析基礎。

4 洞口巖堆斜坡坡面爆破振動響應規(guī)律

目前對爆破作用下呈破碎狀的松散巖堆體坡面響應規(guī)律及爆破參數影響的研究較少，因此，選取坡面振動主要特征進行分析。坡面振動主要特征包括峰值位移、峰值速度以及峰值加速度。不同振動方向、不同坡面位置以及不同藥量下振動強度不同。爆破強弱主要受藥量影響，因此，重點分析藥量一定(20 kg)、爆破位置相同(進尺50 m)情況下不同方向位移、速度和加速度響應規(guī)律以及與振動方向、坡面位置以及藥量的關系。

各測點相對爆源的距離為：邊-3<邊-2<邊-4<邊-1<邊-5。Q為爆破藥量，kg；SX，SY，SZ分別為X，Y，Z方向位移，mm。VX，VY，VZ分別為X，Y，Z方向速度，cm/s；aX，aY，aZ分別為X，Y，Z方向加速度，m/s2。

因此，為獲得振動對巖堆邊坡影響的認識，在對隧道開挖、爆破過程開展現場振動監(jiān)測的基礎上，構建巖堆斜坡爆破振動三維有限元模型，根據現場實測爆破振動速度峰值進行數值模擬驗證；探索爆破作用下巖堆斜坡坡面位移、速度以及加速度在不同方向、坡面位置以及用藥量下的響應規(guī)律及機理。

4.1 位移響應規(guī)律

邊-3測點的X，Y，Z方向位移響應曲線如圖4所示。由圖4可知，各方向最大位移分別為0.1，0.1，1.3 mm。SX，SY相差不大、但相對Z方向小很多，SZ約為SX，SY最大位移的13倍。故當爆破進尺、炸藥量一定時，掌子面上方垂向為主要變形方向，其余方向變形較小。

圖4 邊-3測點不同方向上的位移Fig.4 Displacement in different directions of slope-3 measuring point

各測點Z方向位移響應曲線如圖5所示。由圖5可知，位移相對大小為：邊-3>邊-2>邊-4>邊-1>邊-5。一般離爆源越近，波的傳播距離越小，衰減越弱，振動越強烈，與實際情況基本一致。

圖5 坡面不同位置的Z方向位移Fig.5 Displacement in Z-direction at different positions on slope surface

邊-3測點在藥量為5，15，30，50 kg條件下掌子面上方巖堆斜坡產生的最大垂直位移分別為0.3，1.0，2.0，3.4 mm，如圖6所示。藥量與最大垂直位移線性擬合可得：SZmax= 0.068 7Q-0.042 4(R2=0.999 9)。因此，藥量不同時巖堆斜坡處產生的最大垂直位移與藥量具有較強的線性關系。

圖6 邊-3測點不同藥量下的Z方向位移Fig.6 Displacement in Z-direction of slope-3 measuring point under different quantities of explosives

4.2 速度響應規(guī)律

邊-3測點的X，Y，Z方向速度響應曲線如圖7所示。由圖7可知，各方向最大振動速度分別為0.4，0.5，4.6 cm/s。VZ相比VX，VY大約10倍，VX，VY相差不大。故當爆破進尺、爆破用藥一定時，掌子面上方垂向振動速度比橫向、縱向振動更強烈，為爆破荷載下坡面的主要運動方向。

圖7 邊-3測點不同方向上的速度Fig.7 Velocities in different directions of slope-3 measuring point

各測點Z方向振動速度響應曲線如圖8所示。由圖8可知，峰值速度相對大小為：邊-3>邊-2>邊-4>邊-1>邊-5。距離爆源越近，巖堆斜坡的峰值振速越大。

圖8 坡面不同位置的Z方向速度Fig.8 Velocities in Z-direction at different positions on slope surface

邊-3測點在藥量為5，15，30，50 kg條件下VZ響應曲線如圖9所示。由圖9可知，Z方向峰值振速分別為1.3，3.5，6.6，10.6 cm/s。Q與峰值VZmax線性擬合可得：VZmax=0.206 1Q+0.347 8(R2=0.999 6)。因此，藥量不同時巖堆斜坡處產生的峰值速度與藥量具有較強的線性關系。

圖9 邊-3測點不同藥量下的Z方向速度Fig.9 Velocities in Z-direction of slope-3 measuring point under different quantities of explosives

4.3 加速度響應規(guī)律

邊-3測點的各方向振動加速度響應曲線如圖10所示。由圖10可知，X，Y，Z方向峰值加速度分別為0.3，0.4，2.4 m/s2，aZ約為aX的8倍、約為aY的6倍，aX，aY相差不大。即當爆破進尺、用藥量一定時，掌子面上方垂直方向產生較水平方向更大的振動趨勢，為爆破荷載下坡面的主要運動方向。

圖10 邊-3測點不同方向上的加速度Fig.10 Acceleration in different directions of slope-3 measuring point

各測點Z方向振動加速度響應曲線如圖11所示。由圖11可知，振動加速度相對大小為：邊-3>邊-2>邊-1>邊-5>邊-4。由于數值模擬中坡面形態(tài)與實際地形地貌等之間存在一定差異，因此，除邊-4點以外，其基本與實際一致。因此，距離爆源越近，巖堆斜坡的峰值加速度越大。

圖11 坡面不同位置的Z方向加速度Fig.11 Acceleration in Z-direction at different positions on slope surface

邊-3測點在藥量5，15，30，50 kg條件下aZ響應曲線如圖12所示。由圖12可知，峰值aZmax分別為0.7，1.9，3.5，5.6 m/s2。藥量Q與aZmax線性擬合可得：aZmax=0.108 3Q+0.218 5(R2=0.999 3)因此，藥量不同時巖堆斜坡處產生的峰值加速度與藥量具有較強的線性關系，即藥量越大、峰值加速度越大，且基本呈線性增大關系。

圖12 邊-3測點不同藥量下的Z方向加速度Fig.12 Acceleration in Z-direction of slope-3 measuring point under different quantities of explosives

線彈性、小變形假設下，藥量與位移峰值、速度峰值、加速度峰值之間均具有線性關系，說明基于有限元法的巖堆爆破振動分析是可行的。

5 結論

1)爆破振動引起的巖堆體位移、速度及加速度在爆破后迅速達到峰值，隨時間推移呈波浪狀“先快后慢”式衰減。

2)巖堆坡面垂直振動最劇烈，水平方向和隧道軸線方向整體相差不大。垂直方向相比其余2個方向位移、速度和加速度大幾倍到十多倍不等。

3)坡面位移峰值、速度峰值、加速度峰值與爆破掌子面距坡面距離基本呈負相關關系，與爆破藥量基本呈線性增加關系。

4)離爆破掌子面最近的巖堆斜坡坡面處垂直方向峰值振速為最大振動速度，該點為現場爆破振動安全評價關鍵點。

5)考慮高程影響的朱傳統公式在巖堆斜坡爆破振動速度預測方面具有較好的適用性，垂直方向速度的K，α值推薦值分別在30，1.2左右。該公式可用于相關安全評價及速度預測。