爆破施工對隧道圍巖的穩定性影響分析

尹曉玉，李建功

（1.云南云嶺公路工程注冊安全工程師事務所有限公司，昆明 650206；2.昆明華潤置地三聯置業有限公司，昆明 650200）

天然巖體具有微裂隙等宏觀缺陷。隧道在爆破施工中不可避免地會破壞圍巖，導致巖體力學性能發生較大變化，降低圍巖的穩定性[1-2]。許多研究成果表明[3-6]，頻繁爆破也會對周圍的巖石造成累積性破壞，使其承載能力減弱，從而影響隧道在施工過程中的安全。在隧道開挖過程中，施工人員常常采用爆破的方法來進行巷道的掘進與巖石的開挖。但是，爆破時不可避免地會產生能量較大的沖擊應力波。這些沖擊應力波會對圍巖產生巨大影響，可能導致周圍巖石的裂縫與變形，嚴重影響到建設的設計計劃與施工進度，且爆破產生的振動效應也可能會嚴重影響到山體及周圍環境的穩定性。對于隧道來說，周圍環境的穩定極其重要，尤其是隧道施工時的圍巖穩定性關系著重大的經濟效益與安全性。稍有問題，可能會引發無法挽回的災難。隧道施工時，圍巖的穩定性對工程的影響必須重視[7-11]。由此來看，研究爆破對圍巖穩定性的影響具有很大的實用價值，對保障隧道施工安全具有重要意義。

1 隧道開挖爆破產生的破壞和擾動

在施工階段，采用爆破手段進行開挖時，炸藥在爆破過程中會產生很多種波，例如爆炸在傳播中的爆轟波，爆轟物在空氣中傳播產生的沖擊波，介質向初始狀態變化的膨脹波等。爆炸產生的有害效應也很多，比如爆破地震效應，爆破爆炸空氣沖擊波效應，爆破飛石效應等。這些波和效應都會對圍巖產生不同程度的破壞與擾動。以下從2個主要方面來研究爆破產生的破壞和擾動。

1.1 爆破的內部作用

所謂爆破的內部作用，即施工過程中，所裝藥包的中心與自由面的垂直距離超過臨界值，則爆炸后，爆炸的破壞作用未能到達自由面，在自由面上是看不到爆炸的痕跡的，爆炸只發生在了巖體內部。內部作用時，爆炸產生的應力波的作用會隨著時間、距離而不斷變化。一般把破壞的范圍分為4個部分。

（1）擴大空腔。即爆炸使炮孔周圍產生破壞，破孔變大。

（2）壓碎區。又稱壓縮區，即直接與藥包接觸的巖石，在爆炸發生后，爆炸產生的爆轟壓力激發了在巖石中傳播的沖擊波，沖擊波的強度遠遠大于巖石的動抗壓強度。使巖石破碎或形成壓縮空洞。

（3）破裂區。即沖擊波在通過壓碎區后，強度變小，以致于低于巖石的動抗壓強度，無法直接造成巖石的破碎。這種低于巖石動抗壓強度的波稱為壓縮波。壓縮波在壓碎區外圍的巖石中傳播，引起切向拉應力，使得外圍的巖石產生徑向裂縫。同時壓縮波還會使外圍巖石壓縮，巖石的應力釋放，出現環向裂縫。徑向環向的交互作用，使得巖石被割據成塊。

（4）振動區。在破裂區外圍的巖石，應力波強度無法使巖石產生破壞。但是，這些應力波會產生巖石的彈性振動。

1.2 爆破的外部作用

外部作用與內部作用相對立。當藥包的中心與自由面的垂直距離低于臨界值，則爆炸后，爆炸的破壞作用能到達自由面，造成自由面附近的巖石破壞。主要從以下幾點討論外部作用。

（1）爆炸產生的沖擊波或者應力波在到達自由面后，會發生發射，反射波與入射波相反。反射波則為拉力波，使得巖石被拉斷。導致巖石從自由面向內部破碎。

（2）自由面反射回來的拉伸波，與裂縫端口處的應力場相互疊加，導致裂縫的延伸。

（3）巖石中的準靜態應力場被改變。使得巖石在自由面方向受到剪切破壞更加容易。

2 隧道巖體爆破擾動分布規律分析

2.1 爆炸應力波的衰減規律

在沖擊波傳播一段時間后，會逐漸衰減成應力波，此時的瞬時性和強度都會被減弱，因此應力波相對而言較為柔和，衰減也較為緩慢。因此，應力波的作用范圍也比較大。雖說應力波沒有沖擊波破壞性大，但是仍然可以使巖石發生變形和破壞。對應力波的分析可以從很多點出發，易于監測、應用最為廣泛的方法便是質點的振動速度。爆破振動條件下，薩道夫斯基公式[12]可以用來計算質點振動峰值速度，公式如下

式中：V為質點振動峰值速度，cm/s；Q為單段最大裝藥量，kg；R為為爆心距，m；k、a、β為與環境、藥量等條件相關的參數。

對式（1）2邊取對數，得到

假定參數γ計算如下

式中：Q、k、α、β均為定值。

則質點振動峰值速度與爆心距之間的關系為

2.2 爆破擾動分區及判據

已經證明，質量振動的峰值速度可以作為巖體受損程度的直接指標[13]。依據顏峰等[14]的研究，下式可以計算圍巖損傷因子即

式中：D為損傷度，無量綱；R為爆心距，m；A、B為計算參數。

將式（4）與式（5）合并可得

式中：A'、B'為計算參數。

巖石損傷程度的4個程度劃分，見表1。

表1 質點峰值振動速度與巖體損傷效果（BAUER判據）

由表1可知，本研究可以按照巖體的損傷程度，將爆破后，圍巖的破壞分為斷裂區、嚴重破壞區、輕微破壞區和無破壞區4個區。本文重點分析了第二和第三破壞區。

式中：Lz為嚴重損傷區的長度。

式中：Lq為輕微損傷區的長度。

DL/T 5389—2007《水工建筑物巖石基礎開挖工程施工技術規范》中規定：爆破損壞時，巖體的損傷閾值為0.19。以此為依據，筆者認為嚴重損傷區上限和輕微損傷區下限分別為0.19和0，并代入式（6）。得到A'=0.082，B'=-0.264。

3 隧道圍巖應力狀態

在隧道爆破開挖過程中，爆破沖擊荷載使巖體中的細小結構缺陷（如微裂縫、微孔隙等）擴展為宏觀裂縫，導致巖體本身的力學性能下降，結構劣化。同時，爆破和開挖等工程力量破壞了巖體的初始地應力場，導致巖體中的應力重新分布。在開挖過程中應用支護結構可以防止圍巖因圍巖體力學性能劣化而發生不穩定，及時應用初始支護可以改善受損圍巖的力學性能，增強其穩定性。

3.1 隧道開挖后圍巖的應力狀態影響

隧道在進行爆破開挖前，巖體由于其初始應力的作用，處于彈性平衡狀態。爆破后，由于一部分的巖石剝離，產生一個空間，使得巖體失去了原有的支撐力以及約束力。周邊巖石產生一定的位移，進而導致深部巖石的位移。當深度到達一定程度，巖體的應力狀態為保證力學平衡而發生改變。這種使巖體達到新的平衡狀態的應力分布，稱為二次應力或重分布應力。二次應力狀態主要影響因素如下。

（1）初始應力場。巖體中的應力場是復雜的三維應力場，巖體的初始應力狀態也受到很多因素的影響。比如自重、構造運動、地形地貌、地質構造形態、巖體的力學性質、孔隙流體和溫度等。

（2）開挖斷面形式。斷面橢圓比（長軸與短軸之比）越大，拱頂的拉應力區越大，角部的應力集中現象越顯著；圓形斷面的應力狀態最好。

（3）巖體結構的影響。二次應力場的分布與結構面的方向有很大的關系。

（4）巖體性質。巖石的物理性質、強度特性、變形特性及流變都會影響二次應力狀態。而巖石的性質，又會受到巖石本身礦物成分，巖石的結構構造，水、溫度、風化程度、圍壓與加載速度的影響。

（5）施工方式。在施工時，可以根據施工環境及施工要求合理選擇施工方式。根據地質和水文條件、隧道斷面及形狀、長度、支護的方式、施工技術條件及工期等，合理選擇爆破方法。目前，使用較多的方法有全斷面法和正臺階法。

3.2 隧道開挖后圍巖的應力特點

隧道斷面周圍圍巖主接觸壓力的最終穩定值的分布如圖1所示。圖1假設為正壓應力和負拉應力。

根據圖1中2個不同斷面的圍巖—主支撐接觸壓力的分布情況，可以得出斷面周圍圍巖壓力分布的特點主要有以下幾點。

圖1 斷面圍巖—主支撐接觸壓力在斷面周邊分布圖

（1）支護結構基本處于壓應力狀態，即隧道開挖后，形成了一個裸露的自由面，圍巖應力在向洞內擠壓過程中重新分布，對支護結構施加壓應力。

（2）在圍巖壓力穩定后，斷面的最大壓力出現在拱頂，其次是左肩。由于初期支護的質量受人為因素的影響，混凝土噴射的壓力和混凝土硬化發展的不同程度對圍巖與初期支護的接觸壓力有不同程度的影響，導致圍巖壓力在隧道斷面上的空間分布不均勻。

（3）左洞的爆破開挖對右洞的圍巖有一定程度的干擾，特別是右洞的左側，圍巖的質量直接影響到圍巖壓力的大小。根據圖1所示，支護結構左側監測點的壓力值大于支護結構右側監測點的壓力值，左側承受的壓力較大，且壓力主要集中在拱肩的范圍內。

（4）在圍巖力學較好的情況下，壓力釋放較快，由于隧道設計剖面的受力特點和初期支護的時間，支撐結構在隧道右側的上、下臺階側壁受力較小。

3.3 隧道巖石開挖的破壞分析

3.3.1 巖石隧道爆破破壞區的特征分析

巖體本身存在的一些軟弱面，這些軟弱面的強度是明顯低于巖石的。所以，那些不能引起圍巖變化的應力波，可能會對這些軟弱面產生較大的影響。爆破后，爆破荷載的作用會導致這些軟弱面加劇。例如，巖石內部的裂隙和節理的延伸與開裂，最后導致巖石的劣化。顯然，當巖體中存在大量此類裂縫時，其性質將發生重大改變，形成了一個爆破破壞區。如果這樣的破壞區存在于周圍的巖石中，勢必會阻礙巖石隧道的安全和穩定。

3.3.2損傷變量

巖體損傷狀態的描述，可以使用損傷變量來描述。損傷變量是指巖石內部存在多種形式的缺陷，比如裂縫和機理。是相互作用的，并不是獨立控制損傷的發展狀態。由于巖石內部，缺陷繁多，不可能對所有的缺陷進行物理描述。每個裂縫端部的應力場也不可能全部確定。因此，描述含有繁多裂紋的區域的損傷狀態的場變量時，稱損傷變量。根據拉博諾夫定義損傷變量D為

式中：A為表觀面積；A*為損傷面積。

（1）當圍巖處于無損傷（初始損傷）狀態時，D=0；

（2）當圍巖處于完全損傷（斷裂）狀態時，D=1；

（3）當圍巖處于不同程度的損傷狀態時，0

假定單元體在不考慮損傷時的表觀應力為σ，而考慮損傷時的有效應力為σ′，則據式（9）和σ·A=σ′A′可得

測定有效面積相對來說有一定的難度。因此，假設應力和有效應力分別作用在有損和無損材料上，而引起的應變是等價的。

式中：E為材料無損傷時的彈性模量；為受損材料的有效彈性模量。

式中：f（a，t）為微觀缺陷分布；D（σ，t）為巖體損傷變量；ρ為巖體微觀缺陷的密度。

4 隧道爆破對圍巖的防護措施

4.1 錨桿

通過將錨桿埋入巖土內部，依靠周圍穩定地層的抗剪強度傳遞拉力，提高結構物或者巖土體的穩定性。其特點是打入巖體內部以后，可以在巷道周圍形成承載拱，通過改變圍巖力學狀態，提高巷道穩定性。錨桿有很多優點，比如效果好、成本低、操作方便、工人在使用階段可以靈活運用及使用器械安裝也很方便，且其占地面積較小，可以有效節省施工占地，施工速度也比較快。但是，也有一定的缺點，比如封閉性差，無法有效減緩巖石的風化，錨桿之間的巖石剝落也無法阻止。

4.2 噴射混凝土

通過使用機器，將混有速凝劑和高壓水的混凝土噴涂在巖壁上。混合物在巖壁上迅速凝結，形成一層密封的保護膜。可以有效提高圍巖的穩定性，以及防治水、風等對巖壁的侵蝕。其優點是成本低、工作量小、機械化程度高、使用方便、應用面廣及可操作性強等。其效果也是非常的好。

4.3 拱架

弧形框架的主要功能包括在噴射混凝土支護功能出現之前提供支護；突出混凝土的加固；作為超前支護的支點（包括早期的小管道和管棚）；與混凝土和錨定螺釘一起形成初始支撐。初期隧道支護拱結構通常包括型鋼結構和鋼網架結構。型鋼框架具有剛度大、承載力強和受力及時等特點，其廣泛應用于軟弱破碎圍巖、需要超前支護或塌方處理的圍巖地段；但該段鋼結構與噴射混凝土黏結不好，與圍巖的縫隙難以用噴射混凝土填實。由于型鋼兩側的噴射混凝土由型鋼進行保溫，型鋼附近的混凝土暴露在空氣中，與型鋼2側的混凝土存在溫差，鋼結構附近的噴射混凝土容易出現裂縫。與型鋼框架相比，網格鋼框架具有受力好、重量輕、剛度可調、節省鋼材及易于制造和安裝的優點，鋼架2側的噴射混凝土可以整體連接，共同工作。

4.4 施工方法

施工可以使用多段毫秒起爆，有效減少爆破振動。合理設計爆破方案，間隔時間要設計合理，保證爆破后巖石得到充分松動。合理選取爆破參數和單位體積的炸藥消耗量。

4.5 超前支護

超前支護是對施工支護的輔助。

5 結論

（1）對隧道開挖時，使用爆破方法產生的破壞和擾動進行了闡述。

（2）對爆破擾動的分布規律進行了分析。

（3）隧道的圍巖應力狀態進行了分析。

（4）例舉了利用錨桿、噴射混凝土和拱架支護等5種防護措施，提高圍巖的穩定性。