李志堂

摘要：利用Midas/GTS，對(duì)模型進(jìn)行動(dòng)力分析，通過(guò)對(duì)比不同爆破深度圍巖的應(yīng)力及位移計(jì)算結(jié)果，初步探討不同爆破深度對(duì)圍巖的影響。模擬計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)爆破深度較小時(shí)，爆破時(shí)圍巖受力及位移較為均勻；而爆破深度較大時(shí)，圍巖受力及位移則集中于隧道輪廓兩側(cè)拱腰處。模擬結(jié)果對(duì)隧道鉆爆開(kāi)挖施工中超欠挖控制具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：隧道；鉆爆施工；爆破；動(dòng)力分析；數(shù)值模擬

1 引言

為加快施工進(jìn)度，在隧道鉆爆開(kāi)挖施工中，通常做法是加深炮眼，加大每循環(huán)炸藥用量，從而增大每循環(huán)開(kāi)挖的進(jìn)尺，提高鉆爆開(kāi)挖效率。這使圍巖受擾動(dòng)增大，對(duì)圍巖造成嚴(yán)重?fù)p傷，破壞圍巖穩(wěn)定性，直接導(dǎo)致隧道過(guò)度超挖，甚至坍塌。隧道超挖會(huì)增加處理成本。而圍巖受損則會(huì)對(duì)隧道后續(xù)施工及后期運(yùn)營(yíng)造成安全隱患。本文嘗試?yán)肕idas/GTS軟件，建立三維地質(zhì)模型，并對(duì)模型進(jìn)行動(dòng)力分析，進(jìn)而初步探討不同爆破深度對(duì)圍巖的影響。

2 建立模型及爆破荷載分析

建立模型的基本過(guò)程：（1）選定巖土體本構(gòu)模型：選用摩爾庫(kù)倫準(zhǔn)則；（2）地質(zhì)模型特征值分析，確定固定周期；（3）確定邊界條件：選用粘性邊界；（4）根據(jù)相關(guān)材料物理力學(xué)參數(shù)及爆破參數(shù)，計(jì)算出等效爆破荷載時(shí)程函數(shù)，并加載于隧道開(kāi)挖輪廓面上，以模擬隧道開(kāi)挖周邊眼爆破所產(chǎn)生的荷載。

2.1 建立模型

根據(jù)某隧道的工程地質(zhì)條件，建立三維地質(zhì)模型，其尺寸為60m×30m×80m，見(jiàn)圖1。

2.2 模型特征值分析

通過(guò)特征值分析，得到結(jié)構(gòu)的主要?jiǎng)恿μ匦园ǎ赫裥?、自振周期（自振頻率）、振型參與系數(shù)等。振型是結(jié)構(gòu)進(jìn)行自由振動(dòng)（或變形）時(shí)的固有形狀。振型變化所需的能量（或力）由小到大排列，分別為第一階振型（基本振型），第二階振型，第n階振型。自振周期是與振型對(duì)應(yīng)的物體固有的性質(zhì)，它表示結(jié)構(gòu)在自由振動(dòng)狀態(tài)下，按該振型形狀振動(dòng)1次所需的時(shí)間[1]。

為了進(jìn)行特征值分析，這里通過(guò)彈性邊界來(lái)定義支座的邊界條件，利用曲面彈簧定義彈性邊界，彈簧系數(shù)根據(jù)道路設(shè)計(jì)規(guī)范的地基反力系數(shù)計(jì)算

在數(shù)值模擬動(dòng)力分析中，建立一般的邊界條件會(huì)由于波的反射作用而產(chǎn)生很大的誤差。為了減少模型邊界對(duì)波的發(fā)射，Midas/GTS采用1972年Lysmer和Wass提議的粘性邊界[1][2]。

（2）

式（1）、（2）中，CP、CS——分別為P波、S波阻尼；

cP、cS——分別為P波、S波在巖體中傳播波速，分別取4700m/s、3100m/s；

ρ——巖體密度，kg/m3；

2.4 爆破荷載分析

對(duì)于一般的爆破彈性分析爆破壓力都是作用在孔壁的垂直方向上。本次模擬炸藥采用2號(hào)巖石硝銨炸藥，不藕合間斷裝藥結(jié)構(gòu)，爆孔φ48mm，炸藥直徑φ25mm。通過(guò)計(jì)算出單段爆壓峰值、單孔爆孔孔壁壓力峰值、單孔不禍合間隔裝藥孔壁壓力峰值及傳遞至隧道開(kāi)挖巖壁的爆破荷載壓力峰值，并結(jié)合時(shí)間滯后函數(shù)，最終得出炸藥爆炸后作用在隧道壁面處的爆破荷載時(shí)程函數(shù)[3]：

（3）

式（3）中， ——傳遞至隧道開(kāi)挖巖壁的爆破荷載壓力峰值，kN；

t——爆破荷載脈沖時(shí)間，s。

3 模擬計(jì)算及結(jié)果分析

為了探討不同爆破深度對(duì)圍巖的影響，試驗(yàn)進(jìn)行了兩個(gè)工況模擬計(jì)算，分別模擬了爆破深度2.5m和4.5m。

通過(guò)模擬計(jì)算，得到了不同爆破深度爆破時(shí)圍巖的位移情況。圖2表明：（1）爆破深度為2.5m時(shí)，圍巖位移較為均勻；而當(dāng)爆破深度為4.5m時(shí)，圍巖位移則集中于隧道輪廓兩側(cè)拱腰處；（2）當(dāng)爆破深度為2.5m時(shí)，圍巖最大超挖值可能性主要位于拱頂，且隧道開(kāi)挖輪廓面較為平整；而當(dāng)爆破深度為4.5m時(shí)，圍巖最大超挖值可能性主要位于拱腰，且隧道開(kāi)挖輪廓面凹凸不平；（3）開(kāi)挖一循環(huán)，爆破深度為4.5m的最大超挖值約為爆破深度為2.5m最大超挖值的2倍；一次爆破掘進(jìn)4.5m的超挖面積也比一次爆破掘進(jìn)2.5m的超挖面積大。

4 結(jié)論

本文利用Midas/GTS軟件，建立三維地質(zhì)模型，并對(duì)模型進(jìn)行動(dòng)力分析，通過(guò)對(duì)比不同爆破深度圍巖的應(yīng)力及位移計(jì)算結(jié)果，初步探討不同爆破深度對(duì)圍巖的影響，得出以下結(jié)論：

（1）當(dāng)爆破深度較淺時(shí)，爆破時(shí)圍巖受力及位移較為均勻；而爆破深度較大時(shí)，圍巖受力及位移則集中于隧道輪廓兩側(cè)拱腰處。

（2）當(dāng)爆破深度較小時(shí)，圍巖最大超挖值可能性主要位于拱頂，且隧道開(kāi)挖輪廓面較為平整；而爆破深度較大時(shí)，圍巖最大超挖值可能性主要位于拱腰，且隧道開(kāi)挖輪廓面凹凸不平。

（3）當(dāng)巖體工程地質(zhì)條件較好，為了加快施工進(jìn)度而加大爆破開(kāi)挖深度時(shí)，應(yīng)注意控制隧道開(kāi)挖輪廓兩側(cè)拱腰處周邊眼的裝藥量，以降低爆破對(duì)圍巖的損傷及減少圍巖的超挖量。