王 碩,張志強
(西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點實驗室,四川成都 610031)
隨國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,交通基礎(chǔ)設(shè)施延伸到丘陵地貌區(qū)和山區(qū),在修建過程中必然會面臨復(fù)雜地質(zhì)條件,其中層狀節(jié)理地層是最常遇到的,因節(jié)理存在,巖體的強度會發(fā)生變化,其動態(tài)力學(xué)特性也會受到明顯的影響[1]。爆破作為現(xiàn)如今隧道開挖的主要方法之一,當(dāng)遇見層狀節(jié)理地層的存在時,由于經(jīng)驗不足造成隧道斷面大量超挖與欠挖的現(xiàn)象屢見不鮮。
針對層狀節(jié)理地層中爆破時巖體損傷與爆破效果等問題,國內(nèi)外學(xué)者采用理論分析、數(shù)值模擬及現(xiàn)場監(jiān)測等手段進(jìn)行了研究。WU.C.Q等[2]利用數(shù)值方法對節(jié)理巖體在爆炸荷載作用下的破壞規(guī)律進(jìn)行了研究, 得出了節(jié)理對巖體破壞模式的影響規(guī)律。張力民[3]等人采用數(shù)值流形方法得出了節(jié)理巖體的爆破破壞規(guī)律。王明洋,錢七虎[4]結(jié)合實際的地質(zhì)特點,根據(jù)斷層與節(jié)理裂隙帶的幾何關(guān)系,運用應(yīng)力波通過裂隙傳播理論,分析了應(yīng)力波通過節(jié)理裂隙帶的衰減規(guī)律。盡管國內(nèi)外研究人員對層狀節(jié)理地層條件下爆破技術(shù)做的大量的研究工作,極大的促進(jìn)了隧道建設(shè)事業(yè)的發(fā)展,但仍然還存在一些不足之出。
都府隧道所穿越區(qū)域工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件復(fù)雜,穿越層狀節(jié)理地層,富水性好,節(jié)理裂隙大,在對其進(jìn)行周邊眼光面爆破過程中,容易造成超挖現(xiàn)象,因此層狀節(jié)理地層隧道光面爆破技術(shù)是急待研究的。
都府隧道為三穗至施秉高速公路是貴州省“678網(wǎng)”規(guī)劃中“四聯(lián)”天柱—三穗—鎮(zhèn)遠(yuǎn)—施秉—黃平的重要組成部分。都府隧道起訖樁號為K11+380~K13+750,長2 370 m,屬于全線控制性工程。隧址區(qū)雨季地下水豐富,圍巖為厚層狀變余凝灰?guī)r與凝灰質(zhì)板巖互層,巖體破碎,圍巖呈松散碎裂狀,自穩(wěn)能力差,屬于富水軟弱破碎圍巖。同時隧道節(jié)理裂隙發(fā)育,節(jié)理裂隙大,為陡傾層軟弱圍巖地層。
都府隧道寬度為8.12 m,高度為9.69 m,開挖進(jìn)尺為3 m,炮孔直徑為42 mm。都府隧道所經(jīng)過的區(qū)域其發(fā)育節(jié)理見表1,現(xiàn)場節(jié)理存在產(chǎn)狀之一如圖1所示。
圖1 現(xiàn)場節(jié)理
表1 都府隧道節(jié)理統(tǒng)計
以30°節(jié)理傾角,間距0.45 m情況為例,分析節(jié)理裂隙導(dǎo)致光面爆破產(chǎn)生超欠挖原因,忽略斷面內(nèi)與光爆層不相交的其他節(jié)理裂隙存在,研究與周邊眼光爆層相交的節(jié)理裂隙。
巖體單元為彈塑性動力學(xué)模型,關(guān)鍵字段為*MAT_PLASTIC_KINEMATIC,計算考慮失效[5]。根據(jù)都府隧道地勘資料,計算參數(shù)見表2所示。
表2 圍巖參數(shù)
乳化炸藥采用炸藥單元(*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN)模擬,定義其相關(guān)狀態(tài)方程(*EOS_JWL),材料參數(shù)見表3。
表3 炸藥參數(shù)
單孔爆破中存在徑向不耦合系數(shù),因而在炸藥單元與炮孔壁之間存在空隙,需要引入空氣單元(*MAT_NULL),并定義其相關(guān)的狀態(tài)方程(*EOS_LINEAR_POLYNOMIAL),空氣單元材料參數(shù)見下表4。
表4 空氣參數(shù)
對于節(jié)理材料,假定節(jié)理為彈塑性體,選取弱化的圍巖參數(shù)作為其材料參數(shù),如下表5所示。
表5 節(jié)理參數(shù)
隧道爆破過程采用全斷面開挖,即同時起爆所有周邊眼。為實現(xiàn)層狀節(jié)理地層光面爆破效果,建立不同周邊眼布局工況下,隧道光面爆破模型,其計算工況如表6所介紹。
表6 計算工況
結(jié)合以上兩種工況建立的數(shù)值計算模型[6]如圖2(a)、圖2(b)所示。網(wǎng)格單元采用的六面體單元,且均為高質(zhì)量網(wǎng)格單元,并未出現(xiàn)畸形網(wǎng)格。
(a)工況1隧道斷面模型
為了弄清楚節(jié)理對光面爆破效果的影響,對工況1情況下的斷面每隔一段時間提前其有效應(yīng)力云圖,結(jié)果如圖3所示。
從各時刻有效應(yīng)力云圖可知:在33 us之前,炸藥爆炸產(chǎn)生的能量主要以柱面波的形式進(jìn)行傳播,炸藥彼此之間并未發(fā)生波的疊加效應(yīng),但此時層狀節(jié)理軟弱帶處炮孔周圍產(chǎn)生應(yīng)力集中。之后在33~233 us之間,位于軟弱帶附近的炸藥產(chǎn)生的應(yīng)力波開始疊加,節(jié)理附近炮孔周圍產(chǎn)生應(yīng)力集中,軟弱層處應(yīng)力值要低于其他部位,之后應(yīng)力波疊加在一起,節(jié)理附近的巖體被大面積破壞,并延伸至隧道設(shè)計輪廓線以外的位置。233 us之后周邊眼炮孔之間彼此連通,其爆破效果基本成型。
通過對工況1、2隧道邊界周圍落石的清理后,得到節(jié)理存在處的超欠挖情況如下圖4所示。
從工況1超欠挖圖上可看出:位于拱頂、左拱肩處及右側(cè)墻角處均產(chǎn)生了較大的超挖情況,三者附近最大超挖量均超過了26 cm,其中最大超挖發(fā)生在左側(cè)拱肩處,超挖超過47.13 cm,遠(yuǎn)大于《評定標(biāo)準(zhǔn)》里規(guī)定25 cm,且對于其余部位超挖量也均在18 cm以上,斷面平均超挖為22 cm遠(yuǎn)大于《評定標(biāo)準(zhǔn)》里規(guī)定平均超挖不超過的15 cm。造成工況1左拱肩處超挖和右墻角處超挖主要形成原因是:爆破時產(chǎn)生的應(yīng)力波疊加后的應(yīng)力作用于節(jié)理的軟弱夾層處,造成軟弱夾層巖土失效,形成裂隙,造成與軟弱帶相連接的部分的巖體的脫落,從而造成較大超欠挖,這種超挖在節(jié)理軟弱帶與炮孔連線近似平行時表現(xiàn)最為明顯。
從工況2超欠挖示意圖看,該斷面超挖尺寸要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于工況1情況,平均線性超挖在12.8 cm,滿足《評定標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定不超過15 cm要求,最大線性超挖16.19 cm,出現(xiàn)在仰拱,但小于《評定標(biāo)準(zhǔn)》里規(guī)定25 cm。工況2中,節(jié)理層因炸藥用量較少,不耦合系數(shù)較大,爆破時釋放應(yīng)力波較小,并未造成節(jié)理處軟弱巖層大面積破碎,從而未導(dǎo)致與炮孔連線近似平行處巖體的大面積脫落。
通過對隧道周邊眼爆破后圍巖的有效應(yīng)力及隧道超欠挖情況等進(jìn)行比較分析,探明層狀節(jié)地層對隧道光面爆破效果的影響,可得出以下結(jié)論:
圖3 工況1情況下各個時間點有效應(yīng)力云圖
(a)工況1情況下斷面超欠挖效果
(1)層狀節(jié)理地層的軟弱帶附近的炸藥產(chǎn)生的應(yīng)力波發(fā)生疊加,造成節(jié)理附近炮孔周圍產(chǎn)生應(yīng)力集中,導(dǎo)致節(jié)理附近的巖體被大面積破壞,并延伸至隧道設(shè)計輪廓線以外的位置,這是層狀節(jié)理地層產(chǎn)生超挖的主要原因。
(2)對于30°傾角層狀節(jié)理地層隧道爆破后的拱頂以及拱頂左側(cè)拱肩處以及右側(cè)墻角處出現(xiàn)較大超挖的原因為爆破均造成軟弱夾層的巖土失效,形成裂隙,造成與軟弱帶相連接的部分的硬質(zhì)巖體的脫落。
(3)層狀節(jié)理地層下隧道爆破后產(chǎn)生的超挖現(xiàn)象在節(jié)理軟弱帶與炮孔連線近似平行時表現(xiàn)最為明顯。在施工時可以采用注漿加固的措施,對與炮孔平行處的節(jié)理進(jìn)行加固,從而減少超挖。
(4)減少周邊眼爆破時的炸藥用量,提高裝藥的不耦合系數(shù),適當(dāng)減少周邊眼間距,可以在周邊眼爆破時釋放較小應(yīng)力波,可以有效的減少隧道爆破時的超挖現(xiàn)象,實現(xiàn)光面爆破的目的。