高地應(yīng)力對輸水隧洞光面爆破振動傳播影響

左依棟

(新疆恒誠信工程咨詢有限公司，新疆 烏魯木齊 830000)

隨著水利工程建設(shè)領(lǐng)域投入的不斷增大以及工程技術(shù)的進步，我國的水利工程建設(shè)逐步向中西部和偏遠(yuǎn)山區(qū)轉(zhuǎn)移。在這一背景下，許多水利工程面臨更復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境，一些大埋深、長距離輸水隧洞面臨較大的施工難度[1]。鉆爆法是輸水隧洞施工中的常用方法，與其余施工方法相比具有施工便捷、成本低等諸多優(yōu)勢。光面爆破技術(shù)在20世紀(jì)50年代引入我國以來，在巖土工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。該技術(shù)不僅能夠保證開挖輪廓面的光滑平順，減少圍巖的欠挖和超挖，同時又能有效控制圍巖損傷，提高圍巖的安全性和穩(wěn)定性，具有顯著的工程效益和經(jīng)濟效益[2]。目前，在水工隧洞光面爆破施工受到各種因素的影響，目前遠(yuǎn)沒有達到預(yù)期光面爆破要求，主要原因是對光面爆破機理等問題的認(rèn)識還不夠清晰，特別是在斷面巖性等因素變化的情況下，難以對爆破參數(shù)進行科學(xué)合理的確定和調(diào)整。

另一方面，隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展和進步，數(shù)值模擬技術(shù)已經(jīng)成為巖土力學(xué)研究領(lǐng)域的重要方法。相對于傳統(tǒng)的物理模型試驗，不僅可以獲得較為精確的結(jié)果，還可以實現(xiàn)對不易觀測或現(xiàn)場模擬的過程進行持續(xù)、動態(tài)觀察，因此在高溫、高速爆破過程研究領(lǐng)域具有顯著優(yōu)勢[3]。因此，此次研究利用數(shù)值模擬的方式，對無地應(yīng)力、以及雙向等值和雙向不等值高地應(yīng)力環(huán)境下輸水隧洞光面爆破振動傳播影響規(guī)律進行研究，不僅有利于相關(guān)理論的構(gòu)建和完善，對高地應(yīng)力輸水隧洞光面爆破的施工設(shè)計也具有一定的借鑒意義。

1 模型與方法

1.1 模型的構(gòu)建

在模型構(gòu)建過程中，結(jié)合爆破過程特點和分析計算的實際要求，特作出如下假設(shè)：不考慮掘進孔對圍巖造成的損傷以及光爆層巖體的破裂和損傷，將影響僅限于周邊孔對圍巖的損傷；將圍巖巖體視為各向同性均質(zhì)材料，不考慮節(jié)理等結(jié)構(gòu)的影響；炮孔內(nèi)的荷載均勻分布[4]。

鑒于輸水隧洞全斷面內(nèi)存在數(shù)量較多的周邊孔，將全部周邊孔納入模型會導(dǎo)致計算量極大且無必要[5]。因此，研究中選擇部分區(qū)域進行模擬分析。結(jié)合該領(lǐng)域的相關(guān)研究成果，當(dāng)炮孔數(shù)量超過4個時，任何一點的峰值速度增加幅度較小。因此，研究中選擇5個周邊孔進行模型構(gòu)建和計算分析[6]。

在構(gòu)建的數(shù)值模型中，周邊孔直徑為40mm，炮孔間距為50cm，軸向長度為50cm，圍巖側(cè)深度為3.0m。在模型的網(wǎng)格剖分過程中，充分考慮模型的計算速度和精度，將網(wǎng)格尺寸確定為5cm，同時對炮孔周邊部位進行加密處理，整個模型共劃分為104350個網(wǎng)格單元，114507個節(jié)點。

1.2 邊界條件與模型參數(shù)

由于此次數(shù)值模擬研究需要模擬柱狀藥包在無限大的巖體內(nèi)引爆的情況，因此可以將模型簡化為平面應(yīng)變問題進行分析處理，以有效提升計算效率。為了實現(xiàn)對無限大巖體的模擬，將模型的上下和左邊界設(shè)置為無反射邊界條件，起爆方式設(shè)置為5孔同時起爆。研究中以Ⅲ級圍巖體參數(shù)進行計算，采用摩爾-庫倫模型進行模擬，其物理力學(xué)靜態(tài)參數(shù)見表1。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)

1.3 爆破荷載

在爆破施工過程中，炮孔壓力曲線是爆炸應(yīng)力波和準(zhǔn)靜態(tài)氣體綜合作用的結(jié)果，且兩個過程相互交織和耦合，難以分離[7]。因此，在模擬計算過程中將炮孔壓力曲線分為爆炸應(yīng)力波和準(zhǔn)靜態(tài)氣體2個過程[8]。一般來說，預(yù)裂爆破的壓力時間大約為數(shù)百微妙，裂紋的平均擴展速度為400～600m/s。以此次研究中的炮孔直徑40mm，炸藥密度300～800g/m，炸藥爆速為3200m/s。按照上述要求計算，模型的爆炸應(yīng)力波荷載峰值取160MPa，升壓時間為30μs，降壓時間取120μs；準(zhǔn)靜態(tài)氣體荷載壓力取40MPa，升壓時間取120μs，穩(wěn)壓持續(xù)時間取800μs。

1.4 計算方案

此次研究首先利用構(gòu)建的有限元模型探索無地應(yīng)力環(huán)境下巖體爆破振動傳播規(guī)律，并對比分析有無高地應(yīng)力環(huán)境對保留巖體的實際影響，并研究不同高地應(yīng)力環(huán)境水平和數(shù)值方向質(zhì)點振動水平之間存在的差異。對于高地應(yīng)力環(huán)境再次細(xì)分為雙向等值和雙向不等值2種情況，以最大限度模擬工程建設(shè)中可能面臨的不同地應(yīng)力環(huán)境。對于高地應(yīng)力工況，結(jié)合工程實際和研究需要，設(shè)施不同的應(yīng)力水平，具體的計算方案見表2。

表2 初始地應(yīng)力設(shè)計工況 單位：MPa

2 計算結(jié)果與分析

2.1 無地應(yīng)力

利用構(gòu)建的有限元模型對無地應(yīng)力工況的振速和應(yīng)力進行模擬計算。提取爆心距分別為3、5、7、9、11m等5個典型點位的振速和應(yīng)力數(shù)據(jù)進行分析。其中。振速計算結(jié)果見表3所示。從計算結(jié)果可以看出，隨著爆心距的不斷增大，振動速度呈現(xiàn)出不斷減小的變化趨勢且減小的幅度也不斷減小。究其原因，主要是在無地應(yīng)力的環(huán)境下，巖體主要受爆炸產(chǎn)生的應(yīng)力波和爆炸氣體的影響而斷裂。在炸藥藥包引爆的瞬間，爆炸沖擊波首先作用于炮孔壁，之后衰減為應(yīng)力波并大部分作用為周邊巖體，進而在徑向產(chǎn)生顯著的壓縮應(yīng)力，而在切向會產(chǎn)生明顯的拉伸應(yīng)力。另外，部分應(yīng)力波會以滲透波的形式向保留圍巖區(qū)傳遞，從而周邊圍巖區(qū)域形成爆破振動區(qū)，且隨著爆心距的增大，其振動效應(yīng)也越小。

表3 無地應(yīng)力工況水平振速峰值

在計算結(jié)果中提取典型點位的最大有效應(yīng)力，結(jié)果見表4。從計算結(jié)果可以看出，隨著爆心距的增大，有效應(yīng)力峰值呈現(xiàn)出不斷減小的變化趨勢，且減小的幅度也不斷減小，究其原因，炸藥在引爆的瞬間，其產(chǎn)生的沖擊波主要縱波和橫波的方式向周邊傳播。巖體內(nèi)的各點振動方向與縱波方向一致，與橫波方向垂直，隨著時間的增長，縱波逐漸傳遞到遠(yuǎn)離爆心的一側(cè)，而縱波的應(yīng)力幅度相對較小，因此有效應(yīng)力峰值會隨著爆心距的增加而減小。

表4 無地應(yīng)力工況有效應(yīng)力峰值

2.2 雙向等值地應(yīng)力

利用構(gòu)建的有限元模型對雙向等值地應(yīng)力計算方案(方案2—4)的振速和有效應(yīng)力進行計算。從計算結(jié)果中提取與爆心距水平距離和豎直距離分別為3、5、7m的6個典型點位(其中水平點位記作X1、X2、X2；豎向點位分別記為Y1、Y2和Y3)的振速和有效應(yīng)力峰值，結(jié)果見表5—6。從計算結(jié)果來看，隨著爆炸沖擊波衰減為應(yīng)力波，巖體各個點位的爆破振動速度存在相似的變化規(guī)律。一方面，無論是水平方向還是豎直方向，爆破振速極值隨著爆心距的增加而不斷減小，且減小的幅度也不斷減小。另一方面，隨著地應(yīng)力值的增大，各個點位的振速極值均呈現(xiàn)出不斷增大的變化趨勢。由此可見，地應(yīng)力的大小對爆破振動波具有一定的促進作用，也就是在較大的地應(yīng)力環(huán)境下，爆破開挖過程中的保留圍巖巖體將受到更大的振動破壞。從振速的達峰時間來看，隨著爆心距的增加，達峰時間也不斷增大。另一方面，隨著地應(yīng)力的增大，振速的達峰時間并沒有發(fā)生顯著的變化，雖然存在小幅的波動變化，但是并沒有明顯的規(guī)律性，且變幅十分有限。由此可見，地應(yīng)力的大小對質(zhì)點振動速度的傳播幾乎不存在影響。

表5 雙向等值地應(yīng)力方案振速極值計算結(jié)果

表6 雙向不等值地應(yīng)力方案振速極值計算結(jié)果

表6 雙向等值地應(yīng)力方案等效應(yīng)力極值計算結(jié)果

從等效應(yīng)力極值的計算結(jié)果來看，也顯示出類似的變化規(guī)律。首先，等效應(yīng)力極值隨著爆心距的增加而不斷減小，且減小的幅度也不斷減小。另一方面，隨著地應(yīng)力值的增大，各個點位的爆破應(yīng)力極值均呈現(xiàn)出不斷增大的變化趨勢。地應(yīng)力的大小對等效應(yīng)力極值達峰時間幾乎不存在影響。

2.3 雙向不等值地應(yīng)力

利用構(gòu)建的有限元模型對雙向不等值地應(yīng)力計算方案(方案5—7)的振速和有效應(yīng)力進行計算。從計算結(jié)果中提取典型點位(與雙向等值應(yīng)力計算方案的點位設(shè)計方案相同)的振速和有效應(yīng)力峰值，結(jié)果見表7—8。從計算結(jié)果來看，隨著爆炸沖擊波衰減為應(yīng)力波，巖體各個點位的爆破振動速度和等效應(yīng)力均存在相似的變化規(guī)律。一方面，無論是水平方向還是豎直方向，爆破振速和等效應(yīng)力極值均隨著爆心距的增加而不斷減小，且減小的幅度也不斷減小。另一方面，隨著豎向地應(yīng)力值的增大，各個點位的振速和等效應(yīng)力極值均呈現(xiàn)出不斷增大的變化趨勢，同時水平方向振速和等效地應(yīng)力的增加幅度較大，對豎直方向振速和等效地應(yīng)力極值的影響相對較小。從振速的達峰時間來看，隨著爆心距的增加，達峰時間也不斷增大。另一方面，隨著豎向地應(yīng)力的增大，振速的達峰時間并沒有發(fā)生顯著的變化。由此可見，在雙向不等值地應(yīng)力條件下，地應(yīng)力的大小對質(zhì)點振動速度的傳播幾乎不存在影響。

表7 雙向不等值地應(yīng)力方案等效應(yīng)力極值計算結(jié)果

3 結(jié)語

此次研究利用數(shù)值模擬的方式，探討了高地應(yīng)力環(huán)境下輸水隧洞光面爆破振動傳播規(guī)律，獲得了地應(yīng)力大小對輸水隧洞光面爆破振動傳播特征的影響，對相關(guān)理論研究和工程建設(shè)具有一定的借鑒和參考價值。當(dāng)然，此次研究在建模過程中將圍巖巖體假設(shè)為各向同性均質(zhì)材料。但是，天然巖體屬于非連續(xù)的各向異性材料，這必然會對計算結(jié)果的精準(zhǔn)性造成影響。基于此，在今后的研究中可以利用自定義材料類型反映巖體的非均勻性特點，以便得到更為精準(zhǔn)的研究成果。