引水隧洞斷層帶爆破對圍巖穩定性的影響研究

劉海波,戶若琪

(1.中國鐵建大橋工程局集團有限公司 天津市 300300; 2.中鐵建大橋工程局集團第五工程有限公司 成都市 610500; 3.陜西省巖土與地下空間工程重點實驗室 西安市 710055)

0 引言

鉆爆法施工爆破過程產生地震波,將引起隧道巖體的失穩[1]。為了保證隧道工程施工的順利進行,工程技術人員和科研工作者研究了隧道工程中因爆破產生的振動效應等一系列問題。羅陽等[2]通過對小凈距隧道的研究,得到了Ⅲ級圍巖最大振速預測方程中的場地系數、衰減系數;彭道富等[3]提出爆破時,迎爆側的墻壁和拱部振速最大,墻腳點振速相對較小;費鴻祿等[4]分析了邊坡安全系數在爆破荷載作用,結果表明,地震波荷載作用下,隨著邊坡參數的減小,坡底的水平位移會增加;吳燕開等[5]運用ABAQUS有限元軟件對高邊坡工程爆炸過程中巖石振動效應進行研究,對邊坡穩定性做出了綜合評價;任永強等[6]采用數值模擬方法對爆破荷載強度進行了分析,同時將實測數據與數值模擬數據進行對比,反演爆破動力荷載并進行對比。

依托涼山州大橋水庫灌區二期工程水泥廠段爆破工程,分析了爆破荷載作用在斷層帶時圍巖的變形情況以及地表特殊點的振速和爆破的影響范圍。

1 工程概況

四川省涼山州大橋水庫灌區二期工程位于四川省涼山州,渠道經過冕寧縣、西昌市德昌縣等縣市。大橋水庫右干渠工程總長40.03 km,河里分支渠總長7.96 km,漫水灣右干渠109.38km,線路總長工179.70km,其中隧洞79座,總長73.3 km。水泥廠段總計2808 m,起止里程K15+318.046～K18+125.846,為大橋右干渠段最長隧洞。隧洞軸線方向S19°13′W,隧洞最大埋深379.5m,組成隧洞巖性為花崗巖、灰巖和輝綠巖。隧道進行爆破開挖,由于斷層帶地質條件差,爆破時易發生隧道坍塌。根據規范,水工隧道地表上方振速限值為8cm/s。

炮眼布孔方法為:掏槽眼、輔助眼、周邊眼相結合,炮孔直徑為38 mm;爆破材料為2#巖石銷銨炸藥;利用多個段別毫秒雷管實現延遲控制爆破,起爆網路采用數碼電子雷管,數碼電子雷管采用串聯方式。表1為方樁爆破參數表。

表1 鉆爆參數表

2 爆破開挖數值模擬

2.1 數值模型的構建

本次模型采用Midas GTS數值分析軟件,一般影響范圍為開挖直徑的3～5倍,所以將模型的長和寬分別取60 m和40 m,高度40 m。為了便于計算分析,將邊坡巖土體視為各項同性均勻巖質體,巖土體本構模型為Mohr-Coulomb模型。圖1為隧道開挖爆破數值模型。為了避免爆破地震波在模型邊界產生反射,模型的邊界條件采用粘彈性邊界模型。

圖1 隧道開挖爆破數值模型

2.2 模型參數的選取

根據地勘報告、設計資料,并經過特征值計算后得到相應的動彈模,數值模擬的材料取值參數見表2。

表2 爆破模型參數表

2.3 爆破荷載的計算

爆破動力荷載由三角形爆破荷載模型計算確定[7-9]。每個炮孔爆破荷載峰值計算公式如式(1)所示:

(1)

式中:ρe為炸藥密度,D為爆轟速度,r1為裝藥半徑,r0為炮孔半徑;le為藥柱總長度;lb為炮孔深度;n為轟爆壓力增大系數,通常n的取值為8～11,γ為等熵指數,當ρe<1.2 g/cm3時,γ=2.1;當ρe≥1.2 g/cm3時,γ=3。

同段位群孔起爆等效爆破荷載峰值Pb按照式(2)計算:

Pb=(2r0/a)P0

(2)

式中:α為炮孔間距;P0為單個炮孔的峰值壓力;Pb為等效荷載峰值壓力。

爆破荷載在巖石中的衰減規律為:

(3)

式中:Pt為炮孔壁上的爆破荷載;R為距裝藥中心的距離;α為荷載傳播衰減指數。在沖擊波作用區和應力波作用區α分別取值為:α=2+μ/(1-μ),α=2-μ/(1-μ)。

3 爆破數值結果分析

(1)爆破荷載作用下圍巖位移分析

將計算所得的爆破荷載加載到模擬斷面,通過數值模擬算出結果。圖2(a)為破碎帶圍巖總體位移變形情況,如圖2(a)可明顯看出,斷層處位移云圖為倒三角形狀,位移主要集中在拱腰和拱底,拱腳處位移較小。圍巖最大整體位移為11.87 mm,爆破對圍巖的影響占77.3%,并不會對圍巖上方地表造成影響。

圖2 總體位移云圖

圖2(b)為Ⅴ級圍巖段總體位移變形情況,如圖可明顯看出,Ⅴ級圍巖段位移云圖也為倒三角形狀。與斷層段相比所不同的是,該三角形區域較大,說明斷層帶爆破時對后方圍巖影響也較大,但由于支護的原因,圍巖整體最大位移相對較小,最大位移為8.37 mm。

從位移云圖上看地表幾乎沒發生變形,為了更清楚的分析爆破過程中地表的變形情況,現提取拱頂上方地表點的總體位移變形情況進行分析。如圖3所示,雖然地表總體位移變化不大,但是從變化規律可看出,隨著爆破的進行,地表位移變化規律基本相同,第0.2s時地表發生最大變形,隨著時間的推移,地表呈現循環遞減趨勢。為了進一步了解圍巖變化情況,還需進一步分析特定點振速變化情況。

圖3 地表測點總體位移變化圖

(2)爆破荷載作用下隧道的振速分析

從圖4爆破振速合速度云圖可看出,隧道內部振速主要集中在拱腰和拱底部位,而拱頂較小。爆破對斷層影響并不是很大,影響的范圍最大達到10m,超過10 m后幾乎沒有影響。

圖4 隧道爆破振速合速度云圖

由圖4可知,地表最大合振速為0.13cm/s,遠小于《爆破安全規程》(GB 6722—2014)中規定的振動安全閾值,所以滿足規范要求。由于前面已經開挖的緣故,此斷面前方振速合速度要小于后方;地表橫向振速普遍小于縱向,目前來說斷層帶爆破對其他圍巖段影響不大。

為了探明地表振速的變化過程,在隧道橫向中心線上地表選取3個點;沿著隧道縱向選取3個點進行合速度分析,如圖1所示。首先分析隧道橫向中心線地表3個關鍵測點,如圖5所示,2號點波峰最大,由于拱頂位置離地表最近,所以波峰也就越大;3個點的變化速率基本相同,0.5s后波速開始循環遞減;2號點最大值未超過1.2cm/s,滿足規范要求。

圖5 地表關鍵測點合速度時程曲線圖

分析隧道縱向中心線地表3個關鍵測點,如圖6所示,2、4號點波峰最大,由于拱頂位置離地表最近,所以波峰也就越大;由于開挖的進行,掌子面后方的振速略大于前方,可能是由于掌子面后方開挖完成后,圍巖還未完全穩定。由于2、3、4號振速相對較大,現提取該3點進行3個方向速度具體分析。分別對比三個分速度,可以發現T2和T3的速度峰值明顯大于T1,說明爆破過程中,邊坡主要受橫、縱向振速的影響;如圖7三個分速度的時程曲線所示,波峰集中在0.125～0.3s之間。

圖6 地表關鍵測點合速度時程曲線圖

圖7 各分速度時程曲線圖

4 結論

(1)爆破荷載作用下,隧道斷層帶總體位移主要集中在拱腰和拱底,而Ⅴ級圍巖段拱腳位移相對較大。

(2)由于爆破面積及炸藥量小,同時采用數碼電子雷管能夠實現延時爆破,爆破振動效應僅對隧道爆破位置四周10m范圍內影響較大,超過10m后基本沒影響。

(3)爆破時,地表各質點T2、T3方向的振速大于T1,說明爆破時邊坡振速主要以橫、縱方向為主;振速峰值集中在0.125～0.3之間。