爆破施工對邊坡穩定性影響的研究

【摘 " "要】：為了解決隧道爆破開挖成洞過程中爆破荷載對隧址區邊坡穩定性的影響，基于數值模擬方法對某工程邊坡僅在重力荷載下的穩定性作出初判，進而分別對炸藥量100、10、1 kg爆破時邊坡穩定性進行了分析，認為在爆破施工中需關注坡腳位移，以防止坡體結構失穩。

【關鍵詞】：爆破施工；邊坡穩定性；隧道

【中圖分類號】：TU457 【文獻標志碼】：A 【文章編號】：1008-3197（2024）04-21-05

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2024.04.005

Research on Slope Stability with the Influence of Blasting Construction

ZHU Peng，HAI Dapeng，ZHENG Jie，WANG Xiaoqiang

（China Construction Seventh Engineering Bureau， Zhengzhou 450000，China）

【Abstract】：In order to solve the influence of blasting load on the slope stability of tunnel site in the process of tunnel blasting excavation， the stability of a project slope only under gravity load is preliminarily judged based on numerical simulation method， and then the slope stability of blasting with explosive quantities of 100， 10 and 1 kg is analyzed respectively. It is considered that the displacement of slope foot should be paid attention to in blasting construction to prevent the instability of slope body structure.

【Key words】：slope engineering; blasting construction; slope stability; tunnel

爆破是目前巖土工程常用開挖方式之一。在爆破荷載作用下，實現破巖開挖的同時，既會對既有隧道尤其是襯砌結構產生危害[1～3]，也會對爆孔附近巖體造成的擾動和損傷，引起巖體力學性質劣化，進而影響上部結構完整性及邊坡穩定性[4]，爆破產生的爆破地震波對邊坡尤其是鄰近邊坡的影響尤為嚴重；因此爆破施工對邊坡穩定性影響的研究非常重要。Hu Y G等[5]對高巖石邊坡爆破的損傷-振動耦合展開研究，提出了一種高巖質邊坡損傷-振動耦合控制方法；Gao W X等[6]對開挖爆破對穩定性的影響展開研究，討論了爆破地震波的應力場、位移場和傳播規律，分析了邊坡動力穩定性的安全評價標準，并結合爆破振動監測系統分析了爆破開挖對邊坡穩定性的影響；趙寶云等[7]利用FLAC軟件對爆破震動作用下邊坡進行動力分析，總結出爆破震動下邊坡動力特征及位移場、振動速度場的變化規律；陳吉輝[8]應用小波包分析技術，對地鐵隧道分區爆破振動特性展開研究，提出可以從爆破振動信號的頻率-能量特征角度來判斷爆破施工對隧道結構的影響；孟慶浩等[9]根據依托工程，對比數值模擬下爆破地震波傳播規律與實際監測數據，認為數值模擬在預測爆破地震波傳播上具有一定可行性；劉禮福等[10]對某漏填礦高陡邊坡穩定性展開數值分析，結合現場爆破測試結果回歸了爆破衰減公式并提出應密切關注爆破誘導邊部巖體的不連續、小規模掉塊等。

本文利用Comsol Multiphysics有限元分析軟件對某工程邊坡在爆破振動下動力響應展開數值模擬，以研究爆破振動對鄰近邊坡穩定性影響機制。

1 爆破對邊坡穩定性影響分析

炸藥引爆時會產生巨大沖擊力，繼而對鄰近巖體、邊坡結構產生振動作用，影響其內部結構，甚至引起共振。爆炸沖擊力帶來的強烈振動將同時導致巖體表面結構或者巖體內部結構產生變形甚至固體骨料的破壞繼而導致宏觀層次上出現土石坡體整體塌陷、破碎、整體滑移、下滑等現象，增加邊坡結構的不穩定性。此外，爆破沖擊波產生的振動荷載，還會改變爆破區域內的地下水狀態，在爆破振動下，巖體儲水構造易發生振動，繼而導致其含水量的降低、減少，甚至會出現空腔，進一步增加巖體的不穩定性，導致水體滲透壓的變化等。爆破振動效應會導致不同程度的巖體結構的損傷甚至破壞，其對邊坡巖體的影響與巖體自身承受荷載的能力密切相關。與地震波的脈沖作用力相類似，爆破荷載產生的振動荷載會對巖土邊坡的表面、斷層、節理等外部結構及內部結構產生影響。爆破產生的振動荷載會短時間內產生較大的以波形式傳遞的應力，在應力波的脈沖荷載作用下，巖體結構內部極易出現斷裂、沿節理斷面產生密集裂隙等；在應力波的持續作用下，巖體軟弱結構面持續發育，在微觀上產生一系列破壞，待發育至一定程度后，導致邊坡出現宏觀層次上的破壞，即邊坡失穩。由于應力以波的形式持續傳遞，巖體內部軟弱結構面處如密集裂隙帶，會出現應力集中現象，導致邊坡結構出現非連續變形，這也會導致邊坡發生位移、失穩。

2 爆破荷載下邊坡穩定性數值分析

對我國西南片區某隧道工程爆破荷載下邊坡穩定性展開研究。該工程邊坡自然坡度達50°左右，坡面分布以松散堆積土體為主，穩定性差，安全風險高。

2.1 計算假設

1）巖體為均質材料。

2）爆破全過程，巖體均產生彈性形變，未發生塑性破壞。

3）隧址區地下水均通過排水井等排水措施處理妥當。

4）將爆破荷載設置為一作用在原點附近的豎向荷載，其作用面為以（0，0）和（L1/24，L2/24）為對角點形成的矩形（L1、L2分別為地面矩形的長短邊長）。

2.2 邊坡穩定性初步判定

2.2.1 模型的建立

利用Midas/GTS NX對該邊坡進行邊坡穩定分析，假設隧址區排水措施妥當，故不考慮地下水的作用，采用非飽和狀態下巖石物理力學參數。見圖1和表1。

2.2.2 計算結果

坡體結構雖有較明顯滑動面，但整體應變較小。使用Midas GTS內置的“邊坡穩定分析（SRM）”分析模塊，利用高級非線性參數中的“弧長法（arclength）”進行邊坡安全系數計算，得到安全系數＞1.5，符合GB 50330—2013《建筑邊坡工程技術規范》規定。判定該邊坡在初始狀態（僅受重力荷載）下較為穩定。見圖2。

2.3 爆破荷載下邊坡穩定性分析

利用Comsol Multiphycis展開爆炸波在巖層中的傳播的研究，以探究爆破施工對邊坡穩定性影響。本模型對作用在表面上的短時荷載引起的巖體中的波傳播進行瞬態分析，此類載荷是隧道施工和其他爆破的開挖過程中的典型載荷。

2.3.1 荷載及邊界條件設置

采用如下載荷曲線作為爆轟產物荷載方程[10]

[Pb=P0e-γTT0sin4π1+T0 T] （1）

式中：P0為載荷大小，N；T0為加載時間，s；γ為衰減率，取1.86。

[P0=140×106×Q2/3] （2）

[T0=0.81×10-3×Q1/3] （3）

式中：Q為炸藥量，kg。

模型地表部分設置為自由平面，在原點附近設置有限段時間壓力脈沖形式出現的荷載。見圖3。

模型地面邊界條件設置為無反射平面。Comsol Multiphysics中固體力學物理場內置了低反射邊界條件接口，將環向四個平面設置為低反射邊界條件，阻尼類型選擇P和S波。

2.3.2 結果分析

1）巖體變形。爆破點附近巖體在爆破荷載作用下先向上變形，極短時間后在重力作用下向下回落。100 kg炸藥量下圍巖初始變形速率較慢。在爆破荷載作用在巖體上0.2 ms后，巖體豎向變形速率陡然增大，在加載時間接近0.7 ms時，爆炸點附近巖體豎向位移達到60 mm左右，之后巖體豎向位移數值速率降低，并產生負位移。1 kg炸藥量下圍巖位移趨勢與100 kg炸藥量時類似。在爆破荷載作用在巖體上0.1 ms后，巖體豎向變形速率陡然增大，在加載時間接近0.3 ms時，豎向位移達到峰值1.3 mm左右，之后巖體豎向位移數值變化速率降低。可以觀察到隨著炸藥用量的減少，爆破點附近位移峰值急劇降低。見圖4。

2）結構動力響應。炸藥量為100 kg時，部分巖體位移較大。爆炸荷載作用在巖體上1 ms時，僅爆炸點附近巖體在爆炸荷載作用下呈現離爆炸點越遠，巖體位移數值越小的波狀位移特征；爆炸荷載作用在巖體2.5 ms時，受爆炸沖擊波作用，巖體受擾動區域明顯增大，整體仍呈現離爆炸點越遠，巖體位移數值越小的位移特征，位移峰值達到25.9 mm；爆炸荷載作用在巖體上5 ms時，邊坡結構大部分區域已經受到爆炸沖擊波擾動，并在爆炸點正上方地表區域出現明顯的向下位移區域，位移峰值為9.54 mm。見圖5。

炸藥量為10 kg和1 kg時，巖體位移呈現高度類似的波形傳播特征。爆炸荷載作用在巖體上1 ms時，兩種工況下均為爆炸點附近巖體位移較大且呈現隨爆炸點距離越遠，巖體位移越小的特征，位移峰值分別達到5.27、0.45 mm，此時，巖體受擾動區域較小；爆炸荷載作用在巖體上2.5 ms時，兩種工況下巖體受爆炸沖擊荷載擾動區域明顯增大且位移分布較為均勻，說明爆炸荷載作用在巖體上2.5 ms時，巖體產生較大位移且位移整體性較高，位移峰值分別達到1.22、0.22 mm，相較爆炸荷載作用在巖體上1 ms時位移峰值下降明顯，位移峰值均出現在爆炸點附近。當爆炸荷載作用在巖體上5 ms時，兩種工況下邊坡結構均已全部受到爆炸沖擊波的擾動，產生明顯位移，但位移量較小，峰值位移分別為0.91、0.2 mm，邊坡結構的位移量分別在0.2、0.12 mm左右，故邊坡穩定性較好。尤其是炸藥量為1 kg時，坡體結構位移呈現十分明顯的波狀傳播規律。值得關注的是，在炸藥量為10 kg和1 kg時，在地面與坡體的連接處均出現部分位移較大的點，推測是沿爆炸荷載傳播路徑受坡體幾何形狀變化的影響，導致在交界處呈現位移突變。見圖6和圖7。

綜上，爆破施工時，邊坡穩定性與引爆炸藥用量密切相關。當爆破施工采用較大量的炸藥時，巖體位移呈現位移值大且大位移區域非常集中的特征，爆炸波會對地表巖土體產生明顯擾動，但產生較小位移，未對坡體結構產生影響。當爆破施工采用較小量的炸藥時，巖體位移會呈現明顯的波形轉播趨勢，然邊坡結構整體受爆炸沖擊波荷載擾動較明顯，但整體結構位移較小且趨于穩定，邊坡穩定性較好。

結合僅重力作用下邊坡安全系數計算結果，可認為即使在炸藥量足夠大的情況下，只要保證爆破點與坡體結構間有一定距離，可忽略爆破施工對地表結構完整度與邊坡穩定性的影響。

3 結論與建議

爆破脈沖荷載作用下，坡體結構位移呈明顯波形傳播特征且距離爆炸點越遠，坡體結構位移量越小。當坡體與地面形成一定夾角時，在爆破施工中需關注坡腳位移量，以防止坡體結構失穩，產生整體滑塌、塌陷等造成巨大損失。

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