陶酈雪，張 帥

(1.武漢大學(xué)水資源與水電工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430072；2. 武漢大學(xué)水工巖石力學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430072；3. 中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310014)

地下洞室的爆破開(kāi)挖會(huì)導(dǎo)致巖體產(chǎn)生損傷，其力學(xué)性質(zhì)降低，對(duì)圍巖的穩(wěn)定性有較大的影響。國(guó)內(nèi)外許多研究者對(duì)爆破引起的巖體損傷特性進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。李樹(shù)忱等[1]對(duì)深埋隧洞開(kāi)挖過(guò)程動(dòng)態(tài)及破裂形態(tài)進(jìn)行了分析；吳剛等[2]通過(guò)裂隙巖體模型的卸荷破壞試驗(yàn)揭示了圍巖損傷的宏觀特征；李新平等[3]也通過(guò)數(shù)值模擬方法和現(xiàn)場(chǎng)爆破振動(dòng)測(cè)試對(duì)地下廠房爆破損傷范圍及判據(jù)進(jìn)行了研究；易長(zhǎng)平等[4]通過(guò)比較巖體初始應(yīng)力動(dòng)態(tài)卸荷和爆破荷載對(duì)巖體的動(dòng)態(tài)影響，提出巖體的損傷是在爆破荷載和初始地應(yīng)力的共同作用下形成的。此外，在巖體損傷的影響因素方面，一些學(xué)者也進(jìn)行了相關(guān)研究。研究結(jié)果表明，高地應(yīng)力條件下巖體損傷區(qū)的分布及其深度與開(kāi)挖造成的應(yīng)力重分布和開(kāi)挖方式密切相關(guān)，此外地質(zhì)條件、洞室尺寸等也會(huì)影響損傷區(qū)的分布[5-7]。謝源[8]對(duì)高應(yīng)力條件下巖石爆破裂紋擴(kuò)展規(guī)律進(jìn)行了試驗(yàn)研究，研究表明裂紋的擴(kuò)展長(zhǎng)度、方向與附加載荷的大小及方向有關(guān)。嚴(yán)鵬[9]等對(duì)深埋隧洞開(kāi)挖過(guò)程中，鉆爆法和TBM開(kāi)挖所對(duì)應(yīng)的圍巖應(yīng)力調(diào)整路徑進(jìn)行了分析，提出伴隨爆破過(guò)程發(fā)生的地應(yīng)力瞬態(tài)調(diào)整對(duì)開(kāi)挖損傷區(qū)的形成有重要影響。戴俊[10]則結(jié)合周邊控制爆破的炮孔問(wèn)貫通裂紋形成機(jī)理分析了原巖應(yīng)力對(duì)光面爆破和預(yù)裂爆破炮孔間貫通裂紋形成的影響，認(rèn)為原巖應(yīng)力對(duì)光面爆破的炮孔間貫通裂紋起裂、擴(kuò)展的方向控制和貫通起有利作用。

對(duì)于大型地下廠房的爆破開(kāi)挖，由于廠房跨度大，全斷面臺(tái)階開(kāi)挖時(shí)造成的圍巖擾動(dòng)較大，不利于圍巖的穩(wěn)定。因此，在實(shí)際工程中常采用周邊預(yù)留保護(hù)層開(kāi)挖程序，預(yù)留保護(hù)層光面爆破主要是為了減小了主爆區(qū)爆破對(duì)保留巖體的影響，確保圍巖的穩(wěn)定性。由于各工程的地質(zhì)條件、地應(yīng)力水平及廠房尺寸均有差異，在采用“周邊預(yù)留保護(hù)層光面爆破”的開(kāi)挖程序時(shí)需要根據(jù)實(shí)際情況對(duì)相應(yīng)的爆破參數(shù)及預(yù)留保護(hù)層厚度等進(jìn)行調(diào)整。

本文以楊房溝水電站地下廠房開(kāi)挖為背景，采用ANSYS/LS-DYNA有限元軟件，建立廠房開(kāi)挖數(shù)值模型，對(duì)比分析不同保護(hù)層厚度開(kāi)挖方案所引起的圍巖損傷分布情況，研究了保護(hù)層厚度對(duì)損傷范圍及損傷深度的影響，為地下廠房開(kāi)挖方案的選擇提供參考。

1 工程背景

楊房溝水電站位于四川省涼山彝族自治州木里縣境內(nèi)的雅礱江中游河段上，是規(guī)劃中該河段的第六級(jí)水電站，其上游連接孟底溝水電站，下游連接卡拉水電站。楊房溝水電站總裝機(jī)容量1 500 MW，地下廠房采用左岸首部開(kāi)發(fā)方案，地下廠房部位的地面高程2 240～2 370 m，上覆巖體厚度197～328 m，水平巖體厚度125～320 m，廠區(qū)主要洞室主副廠房洞、主變洞、尾調(diào)室平行布置。主副廠房洞縱軸線方向?yàn)镹5°E，與引水隧洞高壓管道軸線交角90°。主副廠房洞在平面布置上采用“一”字型布置，從左至右依次為副廠房、主廠房和安裝場(chǎng)，洞室開(kāi)挖尺寸為228.5 m×27 m×75.57 m(長(zhǎng)×寬×高)。

廠房區(qū)圍巖巖性主要為微風(fēng)化～新鮮花崗閃長(zhǎng)巖，巖質(zhì)堅(jiān)硬，巖體完整性較好～好，強(qiáng)度高，彈性模量大，圍巖類別以Ⅱ、Ⅲ類為主，局部為Ⅳ類圍巖，僅局部有潛在的不穩(wěn)定體。廠址區(qū)節(jié)理發(fā)育，走向以N70°～80°W，N70°～90°E和N10°～30°E為主，傾角以中高傾角為主，主要構(gòu)造為小斷層和節(jié)理。實(shí)測(cè)廠區(qū)最大主應(yīng)力一般為12.62～13.04 MPa，方位角為S61°～79°E，傾角13°～18°，廠址區(qū)的地應(yīng)力主要受地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力影響，屬低～中等應(yīng)力區(qū)。

2 計(jì)算模型及荷載

2.1 模型的建立

廠房開(kāi)挖模型如圖1所示，廠房開(kāi)挖跨度27 m，開(kāi)挖梯段高度為4.7 m。有限元分析采用solid164實(shí)體單元，模型截面尺寸270 m×300 m，網(wǎng)格劃分后共有約25 000個(gè)單元。根據(jù)工程實(shí)測(cè)資料，計(jì)算時(shí)選取的圍巖力學(xué)參數(shù)如下：彈性模量10.0 GPa，泊松比0.27，巖體密度2 720 kg/m3，粘聚力為0.8 MPa，內(nèi)摩擦角45°。模型邊界垂直廠房截面的方向采用位移面約束，模型右側(cè)施加水平地應(yīng)力σX=12.6 MPa，上部施加豎直方向地應(yīng)力σY=8.0 MPa，底部及左側(cè)施加法向約束。為避免反射波對(duì)重點(diǎn)分析部位計(jì)算結(jié)果的影響本文對(duì)模型尺寸及計(jì)算時(shí)間進(jìn)行了控制。

楊房溝水電站地下廠房廠房Ⅱ?qū)蛹耙韵戮捎弥虚g拉槽，兩側(cè)預(yù)留保護(hù)層的開(kāi)挖方式，基于實(shí)際工程中預(yù)留保護(hù)層厚度范圍，擬定預(yù)留保護(hù)層厚度分別為1、2、4、6 m和8 m的開(kāi)挖方案，探究不同預(yù)留保護(hù)層厚度對(duì)楊房溝地下廠房圍巖損傷的影響。

圖1 計(jì)算模型

2.2 爆炸荷載及地應(yīng)力瞬態(tài)卸荷歷程

本次計(jì)算爆炸荷載采用荷載曲線直接作用在擬形成的臺(tái)階面上的方法施加[11]。根據(jù)C-J爆轟理論模型[12]，不耦合裝藥條件下炮孔壁的炸藥平均爆轟壓力為

式中：ρe為炸藥的密度；D為炸藥的爆轟速度；γ為炸藥的等熵指數(shù)，一般取為3；dc為裝藥直徑；db為炮孔直徑。

在通常的爆破設(shè)計(jì)中孔間距a約為炮孔直徑db的30倍，因而作用在炮孔連心線上的等效爆炸荷載峰值可簡(jiǎn)化為

計(jì)算中，炸藥密度取1 000 kg/m3，爆轟速度約3 500～4 000 m/s?？紤]廠房開(kāi)挖的爆破設(shè)計(jì)，等效爆炸荷載峰值近似取為30 MPa。爆炸荷載采用簡(jiǎn)化的三角形荷載施加[13]，如圖2(a)：爆炸荷載上升時(shí)間tr取1 ms，爆炸荷載正壓作用時(shí)間tb取8 ms。

針對(duì)開(kāi)挖面上的瞬態(tài)卸荷，盧文波[11]等認(rèn)為只有在裂縫貫穿，炮孔內(nèi)壓力低于開(kāi)挖荷載時(shí)宏觀上才產(chǎn)生卸荷效應(yīng)。計(jì)算采用直線型的卸載方式，卸荷持續(xù)時(shí)間取為10 ms，如圖2(b)所示，其中Pd0為開(kāi)挖邊界上的初始地應(yīng)力，tbr為開(kāi)挖荷載瞬態(tài)卸荷的開(kāi)始時(shí)間，t1-tbr為瞬態(tài)卸荷的持續(xù)時(shí)間tu。

圖2 爆炸荷載及開(kāi)挖荷載時(shí)間歷程曲線

3 圍巖損傷分析

3.1 巖體損傷判據(jù)

本文基于LS-DYNA有限元軟件進(jìn)行計(jì)算，采用胡英國(guó)改進(jìn)的拉壓損傷模型[14]，以開(kāi)挖前后巖體縱波速度變化率η作為爆破損傷范圍的判據(jù)。根據(jù)損傷材料彈性模量的變化，損傷變量D可定義為[15]

基于彈性應(yīng)力波理論，開(kāi)挖前后巖體彈性模量和縱波速度的關(guān)系可表示為

假定爆破開(kāi)挖前后巖體的密度和泊松比不變，則損傷變量D可表示為

由于開(kāi)挖前后巖體縱波速度變化率η為

則損傷變量D與縱波速度變化率η的關(guān)系為

D=1-(1-η)2

根據(jù)《水工建筑物巖石基礎(chǔ)開(kāi)挖工程技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，當(dāng)巖體縱波速度變化率η>10%時(shí)，即判定巖體發(fā)生損傷破壞，其對(duì)應(yīng)的巖體損傷變量閾值為0.19。本文近似取巖體損傷變量閾值Dcr=0.2來(lái)判斷圍巖損傷范圍及損傷程度。

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果

對(duì)廠房模型第Ⅳ層進(jìn)行開(kāi)挖前的初始應(yīng)力平衡后，采用先中部拉槽后保護(hù)層開(kāi)挖的方式進(jìn)行開(kāi)挖模擬，在每一開(kāi)挖步對(duì)應(yīng)的開(kāi)挖輪廓面上施加爆炸荷載和地應(yīng)力瞬態(tài)卸荷，圖3所示的是預(yù)留4 m保護(hù)層時(shí)廠房斷面圍巖的損傷演化過(guò)程。在第Ⅳ層開(kāi)挖前由于上部巖體的爆破開(kāi)挖，廠房圍巖已經(jīng)產(chǎn)生了一定的損傷。從圖3中可以看出，廠房頂拱的損傷深度較大但損傷程度較小，第Ⅲ、Ⅳ層輪廓面附近的邊墻處圍巖損傷最嚴(yán)重，損傷深度也較大。隨著第Ⅳ層的開(kāi)挖，損傷區(qū)逐漸擴(kuò)展至深部圍巖處，圍巖損傷深度和損傷程度均增大。其中，保護(hù)層開(kāi)挖的過(guò)程中，輪廓面附近的圍巖損傷深度顯著增大，損傷程度也最為嚴(yán)重，由于開(kāi)挖梯段距廠房頂拱距離較遠(yuǎn)，頂拱處的損傷基本保持不變。

圖3 地下廠房圍巖損傷演化過(guò)程

根據(jù)對(duì)圍巖損傷演化過(guò)程的分析可知第Ⅳ層開(kāi)挖時(shí)造成的圍巖損上主要集中在輪廓面附近，因此，本文對(duì)各開(kāi)挖方案引起的輪廓面附近的圍巖損傷面積和邊墻處的最大損傷深度進(jìn)行了分析。圖4給出了不同邊墻保護(hù)層厚度的開(kāi)挖方案下圍巖的損傷云圖。從圖4中可以看出，不同開(kāi)挖方案引起的圍巖損傷分布位置基本相同，但損傷范圍及程度存在一定差異。

圖4 不同開(kāi)挖方案下圍巖損傷云圖

圖5給出了圍巖損傷面積和邊墻最大損傷深度隨保護(hù)層厚度的變化曲線。從圖5中可以看出，該廠房第Ⅳ層開(kāi)挖造成的輪廓面附近的圍巖損傷范圍隨預(yù)留保護(hù)層厚度的增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)；其中預(yù)留保護(hù)層厚度為2 m時(shí)造成的損傷范圍最小，且從云圖中可以看出預(yù)留保護(hù)層厚度為2 m時(shí)圍巖嚴(yán)重?fù)p傷的面積也較小。同時(shí)，考慮爆破開(kāi)挖導(dǎo)致的邊墻圍巖損傷深度可知，該廠房第Ⅳ層開(kāi)挖后邊墻最大損傷深度約為5～6 m，其中厚度為1 m的保護(hù)層能夠更加有效地減少損傷向圍巖深部的擴(kuò)展。

圖5 損傷深度及面積變化曲線

綜合考慮圍巖的損傷范圍及最大損傷深度，在楊房溝地下廠房開(kāi)挖過(guò)程中選取1～2 m的邊墻保護(hù)層能夠有效的降低爆破開(kāi)挖對(duì)圍巖的擾動(dòng)，控制圍巖的損傷破壞。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)建立楊房溝水電站地下廠房開(kāi)挖的數(shù)值模型，分析了地下廠房邊墻保護(hù)層厚度的選取對(duì)圍巖損傷的影響，本文可得出以下結(jié)論：

1)數(shù)值模擬結(jié)果表明，不同保護(hù)層厚度的開(kāi)挖方案下，楊房溝地下廠房圍巖的損傷演化過(guò)程是相似的，圍巖損傷的分布情況也基本相同；輪廓面附近的圍巖損傷深度較大，損傷程度也最為嚴(yán)重，由于開(kāi)挖梯段距廠房頂拱距離較遠(yuǎn)，頂拱處的損傷基本保持不變。

2)圍巖損傷范圍隨預(yù)留保護(hù)層厚度的增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，其中預(yù)留保護(hù)層厚度為2 m時(shí)造成的損傷范圍最?。煌瑫r(shí)，1 m厚的保護(hù)層能夠更加有效地減少損傷向圍巖深部的擴(kuò)展。因此，在楊房溝地下廠房開(kāi)挖過(guò)程中選取1～2 m的邊墻保護(hù)層能夠有效的降低爆破開(kāi)挖對(duì)圍巖的擾動(dòng)，控制圍巖的損傷破壞。