層狀巖體隧道穩定性及控制爆破技術研究

文／沈業倉、徐品德、張鵬、王丙輝 核工業金華建設集團有限公司 浙江金華 321001

引言：

目前隧道掘進主要采用的是光面爆破技術，該項技術除了能夠使隧道附近構建出光滑輪廓以外，對隧道圍巖不會造成明顯的破壞，從而確保圍巖的承載力達到理想的要求。不過在層狀巖體采取隧道爆破開挖時，會因層面而導致圍巖具有明顯的異性，且還會使圍巖具有不連續性，在爆破過程中形成爆破氣體，其會順著較弱的層理面擴散，從而使巖層剝落，斷面無法呈現出此前已經設計完成的斷面形狀，由此引發超欠挖情況[1]。除了會浪費大量的支護材料以外，還會給圍巖造成明顯的損壞。

浙江省蘭溪市橫溪鎮錢宅礦區礦地綜合開發利用項目隧道工程，隧道洞身為白堊紀下統壽昌組安山玢巖，節理裂隙較發育，巖體破碎，為中風化巖體，呈裂隙塊狀或中厚層狀結構，圍巖自穩能力較差，隧道開挖易松動、破裂導致坍塌、掉塊等，為Ⅳ級圍巖。

本文在不考慮斷面尺寸形狀以及其他地層構造影響，僅針對理想狀態下的同一圍巖結構，通過數值計算和錢宅礦區隧道工程現場測試的方式著重研究層狀巖體隧道穩定性及控制爆破。

1.層狀圍巖隧道穩定性數值分析

1.1 不同巖層傾角層狀巖體隧道數值統計

1.1.1 圍巖變形分析

通過對表1 的分析可得：

表1 不同傾角條件下隧道圍巖變形 單位：mm

（1）若巖層角度是0°，那么最高豎向位移值會處在仰拱底處，而若巖層角度達到90°的情況下，最高豎向位移就會處于拱頂位置。

（2）巖層傾角越大，那么拱頂下沉的程度就會降低，當巖層傾角是0°的情況下，隧道開挖的拱頂沉降會達到12.31mm；當巖層傾角是90°的情況下，拱頂沉降會達到9.75mm，從中了解到，下降了21%；巖層傾角越大，仰拱底部隆起值就會越小，巖層傾角是0°的情況下，仰拱底部隆起值是13.73mm，仰拱底部隆起值在巖層傾角是90°的情況下會達到9.32mm，降低了1.43 倍。

（3）隧道開挖時，其附近變形情況會因巖層傾角而產生較大的差異。一是會使隧道附近變形分布情況會從水平巖層的對稱分布轉換成不對稱分布；此外，各傾角會呈現出各自的變形量，在巖層傾角增加的情況下，水平收斂會表現出先增大再下降的現象，當巖層傾角達到30°后為最大。隧道開挖的水平收斂會在巖層傾角為0°的情況下達到6.85mm，當傾角是30°的情況下，會增加到8.15mm，然后就會降低，水平收斂會在傾角是90°的情況下會達到6.27mm，與最大收斂值比較，降低了1.88mm。

1.1.2 圍巖應力分析

（1）隧道開挖的水平應力和豎向應力會受到巖層角度的影響，和層理面會處于幾乎平行的狀態。

（2）各種巖層傾角會讓圍巖最大主應力分布在相應的位置，同時會形成不同的大小。當巖層角度是0°和90°的情況下，最大水平應力會在左右墻腳處周圍，當是0°的情況下，最大豎向應力會處在左右墻腳位置，當是90°的情況下，豎直應力全部處在左右邊墻周圍，在巖層角度使30°和60°的情況下，最大水平應力和豎向應力全部處在左右墻腳位置周圍[2]。

1.1.3 支護結構受力對比

（1）在巖層角度是0°和90°的情況下，支護結構所受軸力和彎矩會形成對稱分布；在巖層傾角是30°和60°的情況下，襯砌軸力和彎矩圖形不會形成對稱。

（2）支護結構的特征點所受軸力值和彎矩值會由于巖層傾角的加大而變大，在巖層傾角達到90°的情況下，特征點軸力和彎矩值會逐步降低。

1.1.4 塑性區對比

圍巖塑性區分布形狀會在各種巖層傾角下形成明顯的差異。在隧道的頂部、兩側等處會因水平層狀圍巖而產生塑性變形，會加大仰拱隆起的概率；巖層圍巖的傾角是30°的情況下，塑性變形會朝著傾角處延伸，塑性區處于隧道兩端，則會朝著巖層走向發展；層狀圍巖是90°的情況下，塑性區會延伸至拱部，會處在隧道兩端邊墻至拱腰處，體現出剪切破壞的特點；層狀圍巖是90°的情況下，隧道兩端邊墻區會產生較大的塑性變形，會加大發生邊墻彎曲的概率。

1.2 不同巖層厚度層狀巖體隧道數值統計

1.2.1 圍巖變形對比分析

通過對表2 的分析后可得：

表2 不同巖層厚度條件下隧道圍巖變形 單位：mm

表3 圍巖及炸藥物理學力學參數取值表

（1）巖層厚度對隧道開挖后圍巖位移的趨勢相同，不會決定隧道水平方向位移變形情況，不過卻會關乎到豎向位移變形。

（2）巖層厚度改變的情況下，最大豎向位移會處于拱底處，最大水平位移會全部處于左右邊墻位置；和水平位移相比，豎向位移值要更大，層厚和豎向位移、水平位移呈反比例關系；而巖層厚度加大，兩方向變形都會慢慢的降低。

1.2.2 圍巖應力分析

進行隧道開挖，拱頂和拱底會產生拉應力，其范圍和層面厚度呈反比例關系。巖層厚度達到0.2m 的情況下，拱頂以上1.8m 與拱底以下3.4m 處會產生拉應力，在巖層厚度達到0.35m 的情況下，只是在拱頂0.2m 處首層和拱底1.6m 處形成拉應力。這充分證明頂板圍巖是否穩定，主要取決于巖層是否有足夠的厚度[3]。

1.2.3 錨桿軸力對比

（1）對于水平層狀圍巖來講，在隧道開挖期間，拱部錨桿所受軸力值最大，而邊墻處錨桿受力不大，這就證明在近水平層狀巖體里，拱部錨桿可達到理想的支護效果；通常錨桿中間位置的應力值最高，在往兩側后會慢慢變為0，符合錨桿的中性點理論。

（2）巖層厚度和錨桿所受軸力呈反比例關系，這充分證明圍巖條件相同的情況下，圍巖的穩定性主要取決于巖層厚度。

1.2.4 塑性區對比

巖層厚度會關乎到圍巖塑性區的分布情況。盡管巖層厚度不一樣，不過屈服區產生的部位則較為類似，基本處于拱頂、邊墻和墻腳處。同時，巖層厚度在加大的情況下，塑性區范圍會逐步縮減。塑性區發生部位也是應力集中的敏感部位，因此務必要實施特別處理。

2.層狀巖體隧道爆破控制技術

2.1 層狀結構對爆破的影響

2.1.1 層狀結構對爆炸應力波的影響

巖體里的炸藥引爆以后，爆炸應力波會向巖體里擴散，這主要是因為巖體的不連續性所導致。巖石里的瞬間波無法穿越具有空氣的裂縫，只能繞開。接下來圍繞平面彈性應力波在各種介質界面傳播規律，對應力波在層狀圍巖爆破中的傳播規律進行分析。

圖1 應力波入射節理示意圖

其中P1Cp1、P2Cp2代表的是結構面兩側介質的波阻抗，oi、or、ot依次是射波、反射波與透射波的應力幅值，Vr、Vi反射波與透射波在傳播介質里引起的質點位移速度，A-A 代表的是節理界面，也就是巖石（P1Cpt）和充填介質（P2CP2）的交界面。在入射壓力波（oi，Vi）遭遇A-A界面后，一些會透射進充填介質（oi，Vi）里，一部分反射回原巖（oi，Vr），通過推導后得出：

or=P2CP2-P1CP1/P2Cp2+P1Cpt

Ot=2P2Cp2/P2Cp2+P1Cp1

（1）若層理面里充填物是密實介質的情況下，P1Cp1=P2Cp2，通過對or=P2CP2-P1CP1/P2Cp2+P1Cpt、Ot=2P2Cp2/P2Cp2+P1Cp1的分析后能夠了解到，or=0，ot=oi。在此狀況中，應力波會經節理面滲進充填介質。不過考慮到應力波在層理面進行傳播期間，會出現逸散情況，使應力波強度變低。

（2）層理面充填物和巖體結構不相符的情況下，也就是P2CP2≠P1Cp1，就證明在A-A 位置不但存在透射壓力波，同時也存在反射拉力波。在反射好入射的互相影響下，可使與飽孔一端節理面范圍里的碎石加大，結果會在節理面的另一面產生大塊碎石。

（3）在層理面具有水的情況下，狀況沒有多大區別。但受水的影響，使得巖石顆粒的粘結力和強度明顯下降。水還可起到對爆炸能量吸收的作用，同時參與炸藥反應，從而讓炸藥變為負氧平衡，形成大量有害氣體。爆炸能量越低，破巖效果就越不理想。

2.1.2 層狀結構對爆轟氣體的影響

層狀圍巖具有層面，導致圍巖具備具有相異性，在此圍巖里采取光面爆破，會導致爆生氣體順平行層面往外溢，從而減弱爆破能量，這樣一來就會使巖體里的爆破能量分布不均，此外還會因節理面而導致應力波反射、透射，進而不斷沖擊巖體，最終導致巖體變形。

2.2 層狀巖體隧道爆破數值模擬

2.2.1 創建模型

（1）運算范圍和運算工況

從動力載荷的角度上來講，為能夠節省研究時間，通常所創建的運算模型不會太大，可取隧道附近水平方向60m，豎直方向50m 即可。對IV 級圍巖進行分析，通過相同巖層厚度，各種巖層傾角來予以研究。

（2）運算參數

通過查找有關文獻，了解到模型運算參數為：

2.2.2 爆破載荷運算

對IV 級圍巖予以爆破載荷運算，其中爆孔和炸藥直徑分別為42mm 和25mm（周邊眼采用小藥卷）。

（1）單段爆壓峰值運算

在該公式里，Pb代表的是最大爆轟壓力，單位是Pa；P 代表的是炸藥密度，單位是kg/m3。V 代表的是炸藥爆速，單位是m/s。

（2）單孔爆孔壁壓力峰值

在公式里，Cp代表的是巖石縱波波速，單位是m/s；P0代表的是巖石密度，單位是kg/m3。

（3）單孔不耦合間隔裝藥孔壁壓力峰值為：

d 代表的是炸藥直徑，單位是m；D 代表的是爆孔直徑，單位是m；n 代表的是柱狀裝藥系數；v 代表的是氣體多方指數；N 代表的是單個爆孔的藥卷個數，通過裝藥量進行運算；

AO代表的是藥卷橫斷面積，其中；AL 代表的是爆孔橫斷面積，AL=πD2/4；l 代表的是藥卷長度；L 代表爆孔深度。

（4）傳遞至隧道開挖巖壁的爆破載荷壓力峰值

因不同爆孔間存在不同程度的距離，所以孔壁最大爆破壓力峰值均布到爆孔連心線上的均布壓力為：

在公式當中，J 代表的是爆孔連心線距離，單位是m。

（5）爆破載荷時程曲線

n、m 代表無量綱和阻尼參數，其會關乎到爆炸脈沖的起始位置與脈沖波形。其中n 的值為0.055，m 的值為0.035。

W 代表的是介質的縱波波速和爆孔直徑函數，也就是：

Po指的是在t=tR的情況下，f(tR)就是1.0 的常數，則

tR代表的是脈沖的起始時間，屬于n、m 與W 的函數：

把上面的所有運算參數全部套到里，能夠了解到，在設計爆破參數條件下作用于隧道壁面位置的爆破載荷時程函數。如圖2 所示。

2.2.3 邊界條件

為了能夠最大程度的降低爆破地震波的反射影響運算結果，需在模型兩端和底部建立靜態邊界。

2.3 結果分析

（1）通過爆破載荷，在不同巖層傾角中圍巖在振速、加速度都體現出了方位性的特點，而無論是拱頂還是拱腰，均為豎向，而拱腳則是水平向，和豎向相比，其下降速度更快。

（2）在不同巖層角度中，水平振速最快的是拱腳，其次是拱腰，最后是拱頂。傾斜巖層的水平振速并不對稱，和對稱的右拱腰和右拱腳振速相比，左拱腰和左拱腳振速更慢；巖層角在0°到90°的情況下，豎向振速最快的是拱頂，其次是拱腰，最后是拱腳，當巖層角度是30°和60°的情況下，左拱腰大于拱頂大于右拱腰大于左拱腰大于右拱腳。

（3）巖層傾角處于水平狀態的情況下，當輪廓爆炸時，拱頂、拱腰很有可能失去穩定性，發生超挖的情況，而邊墻處就會比較平穩，不過很容易發生欠挖的情況。在爆破期間要降低拱部附近的藥量；在巖層角度是30°和60°的情況下，左拱腰處很有可能發生超挖情況，在巖層角度是60°的情況下，左拱腰位置的超挖量要比巖層角度多；在巖層角度是90°的情況下，拱腰和拱腳處很有可能發生欠挖的情況。

結語：

層狀圍巖的層面除了會讓圍巖具有明顯的異性以外，還會導致圍巖不具備連續性。在層狀巖體里施工隧道期間，很有可能發生圍巖變形的情況。而本文就主要是通過數值計算和現場測試的方式著重研究了層狀巖體隧道穩定性及爆破控制技術[4]。通過本文的研究，可為層狀巖體隧道爆破的安全性提供有價值的參考依據。