開挖卸荷和爆破振動對地下洞室擾動的影響對比分析

摘 要：開挖卸荷和爆破振動作用是鉆爆法開挖地下洞室時，圍巖需要承受的常見施工擾動作用。分析了兩種施工作用的模擬方法，認(rèn)為開挖卸荷的數(shù)值模擬方法已較為成熟，爆破振動數(shù)值模擬則應(yīng)采用動力時程法，才能考慮爆破的動態(tài)荷載效應(yīng)，進而更真實地反映對圍巖的作用過程。針對抽水蓄能電站地下廠房，開展了考慮開挖卸荷和爆破振動的地下洞室圍巖穩(wěn)定力學(xué)響應(yīng)分析。通過對比不同施工擾動對圍巖穩(wěn)定性的影響程度，認(rèn)為爆破振動作用對圍巖變形，尤其是結(jié)構(gòu)面的變形有一定影響，但顯著小于開挖卸荷的影響。只要施工過程中能夠有效地限制爆破強度和巖體振動水平，爆破對圍巖穩(wěn)定的影響可以得到有效控制。在開挖卸荷和爆破荷載作用下，被結(jié)構(gòu)面穿過的圍巖區(qū)域均可能引發(fā)較為顯著的力學(xué)響應(yīng)，應(yīng)作為圍巖局部加強支護的重點關(guān)注部位。

關(guān)鍵詞：開挖卸荷；爆破振動；地下洞室；圍巖；力學(xué)響應(yīng)；結(jié)構(gòu)面

中圖分類號：TV743 " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "文獻標(biāo)志碼：A

0 引言

開挖卸荷和爆破振動是采用鉆爆法開挖地下洞室過程中，圍巖需要承受的常見施工擾動作用，分別對洞室圍巖構(gòu)成靜力卸荷和動態(tài)振動的荷載效應(yīng)，從而影響圍巖穩(wěn)定性。其中，施工開挖引起的靜態(tài)卸荷會導(dǎo)致圍巖應(yīng)力重新分布，可能會引發(fā)圍巖松動、裂縫發(fā)展等現(xiàn)象，進而降低圍巖自承能力[1]，增加洞室的支護成本，在一些情況下還會引發(fā)局部穩(wěn)定問題。對于脆弱破碎圍巖，開挖卸荷擾動的影響更為顯著[2]。鉆爆法開挖時，爆破作業(yè)會產(chǎn)生強烈爆破地震波和應(yīng)力波，對圍巖造成沖擊并使其振動[3]，圍巖在爆破影響范圍內(nèi)產(chǎn)生新裂縫或使原有裂縫擴展，進而影響巖體的完整性。圍繞這兩種施工擾動作用下的地下洞室圍巖力學(xué)響應(yīng)特征，多位學(xué)者開展了相關(guān)研究工作。李麗君等[4]針對和靜抽水蓄能電站主廠房開展了開挖卸荷作用下的圍巖變形與支護模擬研究。字政明等[5]對烏弄龍引水發(fā)電系統(tǒng)在層狀巖體條件下的圍巖卸荷力學(xué)特性開展了分析，并對圍巖進行了支護優(yōu)化。錢苗苗等[6]采用CWFS模型，開展了卸荷作用對地下洞室群圍巖穩(wěn)定性的影響分析。魏麟等[7]針對地下水封洞室在爆破開挖作用下的圍巖動力響應(yīng)開展了分析。陳祥等[8]研究了爆破振動作用下大型地下洞室群圍巖動力響應(yīng)及合理間距問題。曹安生等[9]基于相似模型試驗和數(shù)值模擬方法，研究了洞室拱頂單次和循環(huán)爆炸作用下圍巖應(yīng)力波衰減和損傷累積規(guī)律。上述研究分別探討了開挖卸荷和爆破振動作用對圍巖力學(xué)響應(yīng)的影響規(guī)律，但目前還少有兩種作用效應(yīng)對洞室圍巖力學(xué)響應(yīng)的對比研究。本文以某抽水蓄能電站地下廠房洞室群為研究對象，開展了不同施工擾動效應(yīng)條件下的洞室圍巖力學(xué)響應(yīng)分析，對開挖卸荷和爆破作用引發(fā)的圍巖力學(xué)響應(yīng)特征進行了量化分析研究。

1 不同施工擾動效應(yīng)的數(shù)值模擬方法

1.1 開挖卸荷作用的數(shù)值模擬

洞室開挖卸荷一般采用在開挖面上施加所移除巖體的作用反力方式來實現(xiàn)。采用有限元法計算時，可首先根據(jù)式（1）計算開挖釋放荷載｛Fc｝，然后再將荷載施加在位于開挖面的節(jié)點上。

式中：｛σ0｝是開挖單元的初始地應(yīng)力；[B]是單元形函數(shù)的偏導(dǎo)矩陣。

目前，常見的具備巖土體開挖分析功能的商業(yè)軟件，均設(shè)置了相關(guān)命令執(zhí)行開挖荷載的自動施加。例如，采用基于有限差分原理的FLAC3D軟件模擬開挖卸荷作用時，通過將開挖單元設(shè)置為空單元模型（1 model），程序即自動計算開挖面節(jié)點的不平衡力并完成荷載施加；采用基于有限元方法的ABAQUS軟件模擬開挖卸荷作用時，通過REMOVE命令即可在模型中移除單元實現(xiàn)開挖。因此開挖卸荷的數(shù)值模擬技術(shù)目前已較為成熟。

1.2 爆破荷載的數(shù)值模擬

爆破是一種持時短、作用效應(yīng)強且局部性高的荷載，其數(shù)值模擬相對復(fù)雜。

1.2.1 經(jīng)驗公式法

工程中通常采用薩道夫斯基經(jīng)驗公式來量化描述質(zhì)點峰值振速隨爆心距的衰減特征。其表達式為

式中：v為質(zhì)點振速峰值（m/s）；Q為最大單響藥量（kg）；r為爆心距（m）；K為與巖石性質(zhì)、爆破參數(shù)等有關(guān)的因子；α為振動衰減系數(shù)。

當(dāng)K和α取常數(shù)時，質(zhì)點振速峰值v與考慮了裝藥量Q和爆心距r的關(guān)系式 呈對應(yīng)關(guān)系。該方法一般用于工程現(xiàn)場，需要進行爆破振動安全監(jiān)測，但無法考慮爆破荷載的動態(tài)特性。

1.2.2 擬靜力法

該方法將爆破荷載等效為靜態(tài)荷載進行模擬，簡化了分析過程，只體現(xiàn)爆破作用的荷載效應(yīng)而不反映其動態(tài)特性。如文獻[3]根據(jù)爆破作用引發(fā)的縱向和橫向質(zhì)點運動速度峰值，計算得到爆破引起的振動速度矢量，進而求出爆破應(yīng)力波對巖體各單元介質(zhì)產(chǎn)生的附加應(yīng)力荷載。這種方法實質(zhì)是把爆破作用等效為一種靜態(tài)荷載，通過在開挖卸荷作用上疊加額外的荷載效應(yīng)來反映爆破對圍巖的影響。擬靜力法的優(yōu)勢是分析和評價方法均可沿用靜態(tài)荷載作用下的圍巖穩(wěn)定處理方法，缺點則是無法獲得爆破作用下圍巖的動態(tài)力學(xué)響應(yīng)特性，不能有效利用施工現(xiàn)場實施的爆破振動監(jiān)測來控制爆破振動水平。

1.2.3 動力時程法

該方法通過求解爆破地震波的波動方程來模擬爆破作用在介質(zhì)中的實際傳遞過程，以及由此引發(fā)的圍巖力學(xué)響應(yīng)特性。根據(jù)求解方法的不同，可進一步劃分為顯式動態(tài)分析和隱式動態(tài)分析。當(dāng)求解過程需要考慮其他效應(yīng)，例如爆破過程中氣體與巖石的相互作用時，可采用流固耦合方法進行分析。

采用基于顯式求解技術(shù)的動力時程法模擬爆破荷載作用時，可將單次爆破簡化為具有線性上升和下降段的三角形荷載[10-12]，其典型作用時間的上升段一般為8～10 ms，下降段時間通常為上升段的5倍。具體動力計算中的輸入爆破動荷載取為上升段10 ms、下降段50 ms的三角形荷載，計算時間為0.3 s（見圖1）。圖中σm為脈沖峰值，為爆破沖擊波的初值峰值壓力，通過爆轟波作用在炮孔壁上。脈沖峰值是一個與裝藥條件、裝藥密度、炸藥爆速、藥卷半徑、炮孔半徑和相關(guān)經(jīng)驗性參數(shù)有關(guān)的物理量。若將圖1所示的波形函數(shù)定義為f（t），則爆破動荷載時程為爆破荷載計算分析時，可根據(jù)爆破振動安全監(jiān)測成果，反演分析獲得能夠激發(fā)相同振動效應(yīng)的脈沖峰值，進而開展爆破荷載的數(shù)值模擬，分析爆破荷載作用下的圍巖力學(xué)響應(yīng)。可見，基于動力時程法的爆破振動作用模擬方法，能夠更真實地反映爆破作用對圍巖的荷載效應(yīng)。

2 地下洞室圍巖力學(xué)響應(yīng)分析

2.1 概述

基于前述分析，采用數(shù)值模擬方法，分別研究開挖卸荷和爆破振動作用下的地下洞室圍巖力學(xué)響應(yīng)特性，對比兩種荷載效應(yīng)對圍巖穩(wěn)定的影響程度。首先，根據(jù)地下洞室的施工期圍巖安全監(jiān)測信息，開展圍巖穩(wěn)定性動態(tài)反饋，反演得到圍巖力學(xué)參數(shù)，進而分析開挖卸荷作用對圍巖的影響效應(yīng)。然后，采用動力時程法考慮爆破荷載作用，在開挖卸荷分析的基礎(chǔ)上，進一步考慮爆破振動的影響，得到對應(yīng)的圍巖力學(xué)響應(yīng)。

2.2 初始計算條件

抽水蓄能電站地下洞室群開挖規(guī)模較大，地下廠房由主副廠房、主機間和安裝場組成，總開挖尺寸為414 m×25 m×55 m（長×寬×高），主變洞平行布置在主廠房洞下游側(cè)。地下廠房系統(tǒng)巖性主要為中粗粒花崗巖，巖體結(jié)構(gòu)為碎裂結(jié)構(gòu)-塊狀構(gòu)造。花崗巖中存在蝕變帶，在構(gòu)造附近尤為嚴(yán)重，主要表現(xiàn)為強度降低，巖石中的石英、長石等礦物蝕變。施工期開挖揭示主廠房及主變洞圍巖類別主要為III類，而斷層、裂隙密集發(fā)育部位及巖體蝕變較強部位的圍巖類別為IV類。廠房區(qū)共編錄長大裂隙千余條，裂隙較發(fā)育，按照走向可分為NE和NW兩組，均以中、陡傾角為主。

地質(zhì)模型是計算模型的基礎(chǔ)，對工程地質(zhì)條件的深入認(rèn)識和概化是合理建立地質(zhì)模型的重要前提。建立模型時，需要將計算模型的基本巖層結(jié)構(gòu)、主要斷層進行必要的概化，并綜合考慮地形地貌特點、巖層力學(xué)性能、結(jié)構(gòu)組合特點以及地質(zhì)構(gòu)造等影響因素。首先，根據(jù)地質(zhì)資料，在地下廠房洞室群整體模型中考慮了6條斷層，即F350、F370、F371、F375、F376、F3014斷層。然后對圍巖不同深度分段變形與結(jié)構(gòu)面位置的相關(guān)性進行分析，進一步概化并選取其中5條對圍巖變形有顯著影響的節(jié)理裂隙，即L20、L22、L23、L187、L22，在計算模型中予以考慮。模型內(nèi)各巖層均采用實體單元模擬。

計算模型范圍為600 m×28 m×600 m（X×Y×Z）。模型網(wǎng)格如圖2所示，地下廠房洞室群與斷層的關(guān)系見圖3，計算模型總共劃分單元數(shù)為102 912，節(jié)點數(shù)為20 704。圍巖力學(xué)參數(shù)采用基于位移反分析的反演值[13]（見表1）。

2.3 開挖卸荷作用下的圍巖力學(xué)響應(yīng)分析

圖4給出了考慮開挖卸荷作用時的圍巖變形。可知，受下游邊墻區(qū)域被巖層切割的影響，該部位在開挖后的圍巖變形最大，達到15.99 cm；上游邊墻圍巖變形為4～10 cm。圍巖變形矢量均指向洞內(nèi)側(cè)。圖5給出了圍巖塑性區(qū)的分布，其中上游邊墻圍巖塑性區(qū)為8～10 m，下游邊墻塑性區(qū)為12～18 m。可見，開挖卸荷作用下的地下洞室圍巖力學(xué)響應(yīng)較為顯著，圍巖變形和塑性區(qū)均較為顯著。

2.4 爆破荷載作用下的圍巖力學(xué)響應(yīng)分析

根據(jù)爆破振動監(jiān)測數(shù)值，采用反演的方法確定輸入計算模型的爆破荷載。以洞室第5層右半幅開挖爆破為例，根據(jù)現(xiàn)場爆破振動實測值，反演獲得式（3）中的脈沖峰值σm，進而計算得到爆區(qū)附近圍巖在爆破荷載作用下的質(zhì)點振速峰值分布（見圖6）。爆區(qū)附近的圍巖質(zhì)點振速峰值為51.9 cm/s，且越往圍巖深部發(fā)展，質(zhì)點振速越衰減，但是仍然在較大范圍內(nèi)引起了圍巖體的振動（見圖7），爆破荷載引發(fā)的圍巖增量變形在1.73 mm以內(nèi)，且下游邊墻被結(jié)構(gòu)面穿過的區(qū)域增加幅度最為明顯，圍巖增量變形以指向洞內(nèi)為主。考慮爆破荷載作用后，圍巖塑性區(qū)與開挖卸荷作用下的圍巖塑性區(qū)差異較小，塑性區(qū)深度基本維持不變。

2.5 對比分析

在開挖卸荷作用下，地下洞室圍巖將出現(xiàn)較為顯著的變形和塑性區(qū)；考慮爆破荷載作用后，圍巖變形雖然有一定增加，但增量變形顯著小于開挖卸荷作用引發(fā)的圍巖變形，圍巖塑性區(qū)最大深度則基本保持不變。這表明開挖卸荷作用下的圍巖力學(xué)響應(yīng)是圍巖穩(wěn)定性的決定性影響因素，爆破荷載雖然對圍巖穩(wěn)定形成進一步的劣化影響，但在根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測反演獲得的爆破振動水平下，圍巖穩(wěn)定性變化并不顯著。

計算分析還發(fā)現(xiàn)，在開挖卸荷和爆破荷載作用下，洞周圍巖變形較為顯著的區(qū)域均是被結(jié)構(gòu)面穿過的區(qū)域，因此應(yīng)當(dāng)重點關(guān)注這些區(qū)域，對其進行局部加強支護論證。

3 結(jié)論

（1）通過對比施工擾動對圍巖穩(wěn)定性的影響，可知施工開挖爆破作用對圍巖變形，尤其是結(jié)構(gòu)面的變形有一定影響，但顯著小于開挖卸荷作用的影響。只要施工過程中能夠有效地限制開挖爆破強度和巖體振動水平，爆破對圍巖穩(wěn)定的影響可以得到有效控制。

（2）在開挖卸荷和爆破荷載作用下，被結(jié)構(gòu)面穿過的圍巖區(qū)域均可能引發(fā)較為顯著的力學(xué)響應(yīng)，應(yīng)作為圍巖局部加強支護的重點關(guān)注部位。

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Comparative Analysis of the Effects of Excavation Unloading and Blasting Vibration on the Disturbance of Underground Caverns

Fengying1，REN Taozhe1，ZHANG Yuting2，YU Peiyang2

（1. Pumped-Storage Technological and Economic Research Institute，State Grid Xinyuan Co.，Ltd.，Beijing 100761，China；2. Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of Ministry of Water Resources，Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

Abstract：In the construction of underground caverns by drilling and blasting，excavation unloading and blasting vibration are two common construction disturbances that the surrounding rock withstands. By analyzing the simulation methods for the two construction disturbances，we believe that the numerical simulation method for excavation unloading is relatively mature，whereas for blasting vibration，dynamic time history method should be adopted as it takes into account the dynamic loading effect of blasting and better reflects the blasting effect on surrounding rock. Considering the excavation unloading and blasting vibration effect，we conducted mechanical response analysis of surrounding rock in underground cavern for the underground powerhouse of pumped storage power station. By comparing the degree of effect of different construction disturbances on the stability of surrounding rock，we found that blasting vibration has a certain influence on the deformation of surrounding rock，especially the deformation of structural plane，but this effect is significantly less than that of excavation unloading. Therefore，as long as the blasting intensity and rock vibration level can be effectively limited during the construction process，the impact of blasting on the stability of surrounding rock can be effectively controlled. Moreover，excavation unloading and blasting load may trigger significant mechanical response in surrounding rock area crossed by structural plane，which，thus，should be the key focus in the support of surrounding rock local strengthening.

Key words：excavation unloading；blasting vibration；underground cavern；surrounding rock；mechanical response；structural plane

基金項目：國網(wǎng)新源集團（控股）有限公司科技項目（SGXYKJ-2023-057）；國家自然科學(xué)基金項目（U2340229）；北京江河水利發(fā)展基金會水利青年科技英才項目（JHYC202305）；中國博士后科學(xué)基金面上項目（2023M730367）

作者簡介：呂風(fēng)英，男，高級工程師，碩士，研究方向為水工結(jié)構(gòu)工程。E-mail：3488571718@qq.com

通信作者：張雨霆，男，正高級工程師，博士，研究方向為地下工程圍巖穩(wěn)定。E-mail：magicdonkey@163.com