張亞明

(武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，武漢 430070)

隧道硐室爆破在提高隧道挖掘效率的同時，爆破震動很可能使山坡體變得不穩(wěn)定，甚至誘發(fā)滑坡等地質(zhì)災(zāi)害給附近居民的生命財產(chǎn)帶來潛在的安全隱患。硐室爆破具有單次炸藥量較多，爆破震動較劇烈，并且對山體和房屋等建筑物破壞較大等特點，故研究硐室爆破對臨近邊坡的坡面震動影響很有必要。目前對于爆破震動的研究更多的是以露天爆破為主，而硐室爆破的研究方向主要在于對地表振動、地面沉降以及巷道支護變形方面，對于硐室爆破對臨近邊坡震動影響的研究較少[1,2]。隨著計算機的發(fā)展應(yīng)用,采用有限元法、有限差分等數(shù)值模擬軟件研究爆破震動效應(yīng)越來越廣泛[2]。目前有關(guān)爆破震動與邊坡方面的數(shù)值計算大多是模擬露天爆破對邊坡的動力響應(yīng)，對于硐室爆破在臨近邊坡處的質(zhì)點震動問題研究較少[3]。

此工程以湖北巴東某鐵礦隧道硐室爆破施工為依托，建立硐室爆破震動模型，采用有限差分軟件FLAC3D對硐室爆破引起的臨近邊坡震動進行計算，通過將數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進行比較分析，研究硐室爆破地震波傳播規(guī)律，得到硐室爆破下邊坡上最大質(zhì)點震速以及對邊坡穩(wěn)定性的影響。

1 工程概況及爆破方案

所研究的礦區(qū)位于鄂西南高中三峽谷區(qū)，屬構(gòu)造侵蝕高中山地貌，地形切割較強烈，多發(fā)育“V”型溝谷，溪溝水系較發(fā)育。區(qū)內(nèi)地勢總體為西南高北東低，山體海拔標(biāo)高一般為1 700～1 850 m。礦床內(nèi)按目前所揭露的巖(土)體巖性及其堅硬程度分為四類，從上至下依次為:松散土(巖)類、軟弱巖類，半堅硬巖類及堅硬巖類。隧道斷面呈馬蹄形，開挖凈高3.2 m，最寬3.2 m，圍巖為堅硬巖類，巖石等級為Ⅱ級。

此工程爆破方案為:爆破作業(yè)為平硐掘進，采用分段爆破。根據(jù)工程實情和類似工程經(jīng)驗該礦山巷道掘進面爆破采用全斷面施工，一次成形。井巷掘進為鉆眼爆破，掏槽方式為楔形掏槽，炮眼直徑為φ=40 mm，斷面炮眼深為1.8～2 m；現(xiàn)場使用的是2號巖石乳化炸藥，裝藥系數(shù)為0.45～0.6，根據(jù)該礦石特性、斷面情況和類似礦山開采經(jīng)驗，此工程炸藥單耗確定為:1.31 kg/m3。

2 計算模型和參數(shù)

2.1 模型的建立

為方便爆破荷載模型的建立，將巷道斷面簡化成半徑為2 m圓形，由于邊坡模型較復(fù)雜，使用FLAC3D內(nèi)置的建模命令建模較困難，故先通過ansys進行邊坡模型的建立，巖層分組完成后再將模型導(dǎo)入FLAC3D中。簡化模型如圖1所示，巖體力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖體參數(shù)

巖層密度/(kg·m-3)動彈性模量/GPa泊松比粘聚力/kPa內(nèi)摩擦角/°松散土(巖)190020．232535軟弱巖類2300100．253540半堅硬巖類2500380．286050堅硬巖類2700500．297060

2.2 邊界條件及阻尼設(shè)置

在處理動力問題時，往往需要通過設(shè)置阻尼使模型在動力荷載作用下的運動規(guī)律符合現(xiàn)實情況。這是因為如果模型尺寸較小，在動力荷載作用下模型邊界會產(chǎn)生波的反射，這種反射波將影響計算結(jié)果的可靠性?？紤]到計算模型僅選取了隧道掘進方向的一段邊坡，故在模型的前后側(cè)，右側(cè)和底部均設(shè)置了靜態(tài)邊界。

目前FLAC3D動力計算提供的阻尼形式主要有三種，分別是瑞利阻尼、局部阻尼和滯后阻尼；其中以瑞利阻尼應(yīng)用較多，此工程模擬也是采用瑞利阻尼。在數(shù)值計算中確定瑞利阻尼的參數(shù)，一般是通過試算結(jié)果并和現(xiàn)場實測資料比較得到的。根據(jù)試算，對于巖土材料而言，臨界阻尼比的范圍一般是2%～5%，此次數(shù)值模擬臨界阻尼比取0.02，最小中心頻率取2.0。

2.3 爆破荷載的確定

炸藥的爆炸反應(yīng)是一個瞬態(tài)過程并產(chǎn)生大量高溫高壓氣體迅速膨脹并以極高的壓力作用于爆孔壁，確定爆破動力荷載也一直是研究的一大難點。目前爆破荷載的確定往往都是帶有經(jīng)驗性的公式，主要有將爆破荷載簡化成三角形荷載和級數(shù)形式[4]。簡化的三角形荷載適用于集中爆破，而用于分段爆破會造成很大的誤差，并且峰值壓力和爆破時間的確定也比較困難。

為了準(zhǔn)確反映硐室爆破下邊坡和巷道的震動情況，采用硐室爆破中掌子面附近巷道內(nèi)的實測震速時程作為數(shù)值計算的輸入時程[1]，峰值震速138 cm/s，再將震速按式(1)轉(zhuǎn)化成震動荷載加載于隧道四周，數(shù)值模擬時硐室爆破荷載的峰值荷載為σmax=13.41 MPa。

σ=ρcpv

(1)

式中,σ為爆破荷載，Pa；ρ為巖土體密度，kg/m3；cp為縱坡(p波)波速，m/s，此工程硐室?guī)r體取3 600 m/s；v為震動速度，m/s。

2.4 本構(gòu)模型的確定

FLAC3D5.0中共提供了15種力學(xué)本構(gòu)模型，包括1個空模型組、3個彈性模型組和11個塑性模型組，此外，在動力分析模式下，還提供了兩種可考慮材料孔壓的本構(gòu)模型。此工程選用摩爾-庫倫模型，這種模型適用于土體、巖石和混凝土等材料。

2.5 測點的布置

為了研究硐室爆破下鄰近邊坡坡面的振動情況，分別在順著邊坡向上和沿著邊坡走向進行布點，其中沿著邊坡走向的05號測點距離邊坡底部39.4 m，其余測點分布于05號測點兩側(cè)，間距為5 m，如圖2(a)所示；順著邊坡向上測點位于爆破點的剖面上，如圖2(b)所示。

3 計算結(jié)果和數(shù)據(jù)分析

3.1 邊坡質(zhì)點振動速度數(shù)據(jù)分析

由表2可知，在沿著邊坡走向的測點中，最大震速出現(xiàn)在05號測點，為0.855 cm/s，05號測點兩側(cè)的測點震速相應(yīng)減小，反映了質(zhì)點振速峰值隨爆心距的增大不斷衰減的規(guī)律且X方向震速均大于Z方向震速。

在沿著邊坡向上的測點中，最大振速出現(xiàn)在坡面最上端的#5測點，Z方向振速0.969 cm/s，Z方向震速大于X方向震速；質(zhì)點峰值震速明顯大于坡面其他測點振速，出現(xiàn)高程放大效應(yīng)[5,6]。

表2 測點震速數(shù)據(jù)統(tǒng)計

3.2 邊坡穩(wěn)定性定性分析

邊坡坡面質(zhì)點最大振速出現(xiàn)在坡面最上端的#5測點，為Z方向振速0.969 cm/s?，F(xiàn)行的爆破安全規(guī)程(GB6722—2014)[7]采用峰值震速和頻率雙參數(shù)作為安全判據(jù)。對于永久性巖石邊坡，當(dāng)f≤10 Hz，V為5～9；10 Hz50 Hz，V為10～15。其中f為頻率，Hz，V為規(guī)范允許的質(zhì)點震速，cm/s。根據(jù)現(xiàn)場實測，硐室爆破邊坡震動主頻主要集中在30～90 Hz，安全允許震速V為大于8 cm/s，遠(yuǎn)大于0.969 cm/s，故硐室爆破下邊坡是處于安全穩(wěn)定狀態(tài)。

3.3 邊坡穩(wěn)定性定量分析

采用擬靜力法和簡化Bishop對硐室爆破下邊坡穩(wěn)定性影響進行定量分析。采用FLAC3D中內(nèi)置的強度折減法確定邊坡危險滑移面，滑塊面經(jīng)條分后采用簡化Bishop法計算，得到未進行硐室爆破時邊坡的初始安全系數(shù)為1.528。

擬靜力法是將爆破振動荷載轉(zhuǎn)化為水平向外(指向邊坡臨空面)和豎直向下的靜荷載來計算。

Q=keW

(2)

ke=BK

(3)

其中,Q為硐室爆破作用于滑塊體的擬靜力荷載，kN；ke為擬靜力系數(shù)；W為滑塊重量，kN；B為爆破動力折減系數(shù)；K為振動系數(shù)。

爆破動力折減系數(shù)B通常在0.1～0.2范圍內(nèi)取值，具體分析時綜合考慮巖體強度、質(zhì)點振動速度及工程重要性級別等，考慮到該硐室爆破采用的微差爆破，爆破規(guī)模較小，總藥量較小，故此工程硐室爆破的動力折減系數(shù)取0.1。振動系數(shù)K是爆破荷載下巖土體質(zhì)點振動加速度與重力加速度g的比值。由于邊坡坡面質(zhì)點最大振速出現(xiàn)在坡面最上端的#5測點，故通過#5測點的加速度時程來確定質(zhì)點加速度。水平向加速度取a=1.95 m/s，垂直向加速度取a=2.66 m/s，故水平向和垂直向擬靜力系數(shù)分別為0.020和0.027。通過式(3)得到各條塊的慣性力后，即可使用簡化Bishop法得到硐室爆破荷載下邊坡的安全系數(shù)為1.475，相比未進行硐室爆破時，邊坡安全系數(shù)減小約3.47%。安全系數(shù)減小不大，邊坡整體呈穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié) 論

a.邊坡坡面峰值震速隨爆心距的增大不斷衰減，但坡頂峰值震速較坡面質(zhì)點峰值明顯增大；坡面震動峰值以X方向為主，而坡頂水平面質(zhì)點震動峰值以Z方向為主。由于高程效應(yīng)的影響，坡頂峰值較大，因此硐室爆破對邊坡穩(wěn)定性的影響要以垂直向為控制方向。

b.通過計算得到邊坡的質(zhì)點峰值震速，結(jié)合現(xiàn)行的爆破安全規(guī)范對邊坡穩(wěn)定性進行定性評價；利用FLAC3D計算質(zhì)點振動加速度時程，采用擬靜力法和簡化Bishop法得到硐室爆破后邊坡安全系數(shù)為1.475，相比未進行硐室爆破時，邊坡安全系數(shù)減小約3.47%。安全系數(shù)減小不大，邊坡呈整體穩(wěn)定狀態(tài)。因此對硐室爆破下的邊坡穩(wěn)定性進行定性和定量評價是有效的，對于評價與優(yōu)化硐室爆破施工方案能夠提供有效參考。

[1] 曹孝君.淺埋隧道掘進爆破地表震動效應(yīng)數(shù)值模擬[J].西南交通大學(xué)學(xué)報，2006，41(6):680-684.

[2] 王 舉.隧道洞中爆破振動對地表影響的數(shù)值分析[J].土工基礎(chǔ)，2017，31(4):443-448.

[3] 陳振中.巖質(zhì)高邊坡爆破動力反應(yīng)規(guī)律及穩(wěn)定性研究[D].武漢:武漢理工大學(xué)，2009.

[4] 陳占軍.爆破荷載作用下巖石邊坡動態(tài)響應(yīng)的 FLAC3D模擬研究[J].爆破，2005，22(4):8-13.

[5] 郭學(xué)彬.爆破振動作用的坡面效應(yīng)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2001，20(1):83-87.

[6] 徐 穎，孟益平，吳德義.爆破工程[M].武漢:武漢大學(xué)出版社，2014.

[7] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB6722—2014 爆破安全規(guī)程[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2014.