張 卉，吳祖咸，徐 帥，吳朝峰，呂 慶

(1.浙江同濟(jì)科技職業(yè)學(xué)院，杭州 311231；2.浙江華云電力工程設(shè)計(jì)咨詢有限公司，杭州 310012； 3.浙江大學(xué) 建筑工程學(xué)院，杭州 310058；4.中國能源建設(shè)集團(tuán) 浙江省電力設(shè)計(jì)院有限公司，杭州 310000)

爆破是目前巖質(zhì)邊坡的主要開挖方式。在爆破沖擊荷載作用下，實(shí)現(xiàn)破巖開挖的同時(shí)，不可避免地會(huì)對(duì)爆孔附近的預(yù)留巖體造成擾動(dòng)和損傷，引起巖體力學(xué)性質(zhì)劣化，進(jìn)而影響邊坡穩(wěn)定性。如何評(píng)價(jià)爆破損傷對(duì)巖體力學(xué)性質(zhì)及邊坡穩(wěn)定性的影響，是邊坡工程中的重要問題。為此，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量的研究：汪海波和徐穎對(duì)爆破前后圍巖的松動(dòng)圈半徑進(jìn)行測試[1]，分析了爆破對(duì)圍巖損傷范圍的影響；左雙英等采用FLAC 3D模擬了巖體爆破損傷范圍及破裂深度[2]。Hoek等在2002年提出的Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則修正版本中首次引入了擾動(dòng)因子D來描述爆破質(zhì)量對(duì)巖體強(qiáng)度和變形模量的影響[3]，實(shí)現(xiàn)了巖體爆破損傷的定量表征。但對(duì)擾動(dòng)因子D的具體取值，Hoek等僅給出了經(jīng)驗(yàn)建議，在實(shí)際工程應(yīng)用中難以準(zhǔn)確取值。為此，閆長斌和徐國元建立修正系數(shù)Ks和Km來表示巖體受爆破擾動(dòng)的影響程度[4]，為損傷區(qū)的參數(shù)取值提供了方法；夏開宗等嘗試將擾動(dòng)因子D與巖體縱波波速相聯(lián)系[5,6]，得到D的估算公式。最新的2018 版Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則給出了定量的擾動(dòng)因子D[7]，其取值為 0～1。擾動(dòng)因子D考慮了地下工程爆破開挖和機(jī)械開挖兩種情況，而在地面工程方面，覆蓋了礦山和土建邊坡[8]。這些工作為D的合理取值提供了參考，但正如Hoek提出的，D的取值在巖體空間上不應(yīng)是常量，而應(yīng)隨爆心距的增加逐漸減小[9]。目前，關(guān)于擾動(dòng)因子D空間分布規(guī)律的討論還很少。

本文基于Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則，研究D值的分布規(guī)律和影響范圍及其與邊坡安全系數(shù)的相關(guān)關(guān)系。以巖體的縱波波速表征D的分布規(guī)律，進(jìn)而探討爆破損傷對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響與防護(hù)措施。本文研究結(jié)論可為認(rèn)識(shí)爆破損傷的演化規(guī)律、評(píng)價(jià)邊坡的穩(wěn)定性及提出相應(yīng)工程措施提供參考。

1 工程案例

某巖質(zhì)邊坡高105 m。地層巖性為紫紅色砂巖。邊坡采用七級(jí)臺(tái)階開挖，自下向上第一、二、三級(jí)臺(tái)階每級(jí)高15 m，坡度為1∶0.2；第四、五級(jí)臺(tái)階每級(jí)高15 m，坡度為1∶0.25；最上面第六、七級(jí)臺(tái)階每級(jí)高15 m，坡度為1∶0.3。臺(tái)階間設(shè)置2 m寬馬道，如圖1所示。

圖1 邊坡開挖方案圖Fig. 1 Slope excavation scheme

2 Hoek-Brown模型及計(jì)算參數(shù)

為評(píng)價(jià)邊坡的穩(wěn)定性，采用Hoek-Brown模型描述邊坡巖體。其中，mi(完整巖體的Hoek-Brown常數(shù))依據(jù)邊坡巖體巖性和Hoek等基于大量工程經(jīng)驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出的經(jīng)驗(yàn)確定[10-12]?？紤]到本工程主要為砂巖，巖體的mi值取13。地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)GSI的取值綜合考慮了風(fēng)化程度、粗糙度以及內(nèi)部填充物等巖體性質(zhì)取為50。

采用Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則中的擾動(dòng)因子D來考慮爆破損傷對(duì)巖體力學(xué)性質(zhì)及邊坡穩(wěn)定的影響。

Hoek等建議[9]：“對(duì)于邊坡，帶有自由面且嚴(yán)格控制的爆破，所造成的損傷區(qū)范圍為0.3到0.5倍h(臺(tái)階高度)”。對(duì)于本工程，h為15 m，故可先初步考慮損傷區(qū)范圍T0=0.5h=7.5 m。

對(duì)大量巖石工程爆破測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析擬合，結(jié)果表明[13,14]：巖體縱波波速在爆破開挖面附近降幅較大，隨著爆心距增加而逐漸增大，至一定距離后趨于穩(wěn)定，爆破前后巖體波速的變化規(guī)律符合分段線性函數(shù)特征。

將損傷區(qū)巖體的縱波波速表示為Vd，未損傷區(qū)域巖體波速表示為Vud，采用分段線性函數(shù)描述，則爆破后巖體波速可表示為

Vd=k(T-T0)+Vud(T≤T0)

(1)

Vd=Vud(T>T0)

(2)

式中：T為巖體波速測試深度，m；T0為爆破損傷區(qū)范圍，m；k為線性函數(shù)斜率。

對(duì)于本邊坡，根據(jù)勘查資料，考慮原巖縱波波速Vud為3500 m/s，爆破開挖面處(T=0)縱波波速Vd0取1900 m/s，損傷區(qū)范圍T0取7.5 m。按照式(1)，故損傷區(qū)波速變化可表述為

Vd=0.213T+1.9 (T≤7.5)

(3)

式中,Vd為損傷區(qū)巖體的縱波波速，km/s。

Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則關(guān)于巖體模量與擾動(dòng)因子D之間的關(guān)系如下[3]

(4)

式中,σci為完整巖石的單軸抗壓強(qiáng)度。

Barton研究了巖體變形模量Em及縱波波速Vp的關(guān)系如下[15]

Em=10×10(Vp-3.5)/3

(5)

夏開宗等將受擾動(dòng)影響的巖體變形模量表示為Ed，未受影響的表示為Eud，聯(lián)合式(4)、(5)得到[5]

(6)

上述分析將擾動(dòng)因子D、變形模量Em及縱波波速Vp關(guān)聯(lián)，獲得了擾動(dòng)因子的定量表達(dá)式。但所得擾動(dòng)因子仍視為均一值，未考慮D值隨著深度的變化，這顯然與工程實(shí)際不符。本文考慮到爆破能量總是由近及遠(yuǎn)逐漸衰減，因此巖體爆破損傷程度也應(yīng)是由近及遠(yuǎn)逐漸變化的。故將式(1)所述的損傷區(qū)波速線性變化規(guī)律，代入式(6)，則有

(7)

式(7)是通過巖體縱波波速表征的擾動(dòng)因子D的取值，反映了爆破損傷程度隨深度變化的規(guī)律。式(7)表明D值符合指數(shù)形式的空間變化規(guī)律。

值得注意的是：考慮到D的取值范圍為[0,1]，當(dāng)利用式(7)計(jì)算得到擾動(dòng)因子D大于1時(shí)，應(yīng)按D=1考慮。對(duì)于本文工程案例，當(dāng)T≤3.2 m時(shí)，計(jì)算所得的D應(yīng)取1。因此，D值的空間分布規(guī)律為

D=2-0.586×1.18T(3.2

(8)

D=1 (T≤3.2)

(9)

3 擾動(dòng)因子D對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響

考慮擾動(dòng)因子D的空間分布規(guī)律，基于Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則可獲得邊坡不同深度的巖體力學(xué)參數(shù)，進(jìn)一步可分析巖體爆破損傷對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。為此，本文采用極限平衡法，分析擾動(dòng)因子D的分布規(guī)律和范圍對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。

3.1 擾動(dòng)因子D變化規(guī)律及對(duì)巖體穩(wěn)定性的影響

采用RocScience系列軟件中的Slide 9.0程序(www.rocscience.com)進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性計(jì)算。計(jì)算中邊坡巖體采用Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則，選擇Spencer法考慮非圓弧滑面情況，最不利滑面由退火算法自動(dòng)搜索確定。為全面分析爆破損傷變化規(guī)律的影響，計(jì)算共考慮以下五種工況：

(1)將整個(gè)巖體視為擾動(dòng)區(qū)，將擾動(dòng)因子D取定值，結(jié)果如表1和圖2所示。

圖2 不同擾動(dòng)因子D值下邊坡安全系數(shù)變化Fig. 2 Changes of slope factor of safety under different disturbance factor D values

表1 擾動(dòng)因子對(duì)巖體穩(wěn)定性影響Table 1 Influence of disturbance factors on rock mass stability

可見，當(dāng)擾動(dòng)因子D從0到1變化，相應(yīng)的安全系數(shù)由1.60降至0.86，潛在滑動(dòng)面深度(S1)由20.1 m減至14.8 m，說明D值對(duì)邊坡安全系數(shù)和潛在滑動(dòng)面深度影響顯著。但將整個(gè)邊坡均視為擾動(dòng)區(qū)，這顯然是不合理的。

(2)考慮擾動(dòng)區(qū)范圍T0內(nèi)D值取1，忽略D值的空間變化規(guī)律(這是目前多數(shù)考慮爆破損傷影響的算法)。計(jì)算相應(yīng)巖體安全系數(shù)。計(jì)算獲得安全系數(shù)Fs=0.97。如圖3(a)所示，此時(shí)潛在滑動(dòng)面位于爆破損傷區(qū)內(nèi)。由于爆破損傷程度總是沿深度逐漸減弱的，因此將損傷區(qū)范圍內(nèi)D值取1所獲得的結(jié)果顯然是偏于保守的。

(3)考慮擾動(dòng)區(qū)范圍T0內(nèi)D值按照指數(shù)型分布規(guī)律漸變。計(jì)算獲得的邊坡安全系數(shù)Fs=1.14，相比于D=1的情況，計(jì)算獲得的安全系數(shù)提高了。此外，如圖3(b)所示，潛在滑動(dòng)面仍位于爆破損傷區(qū)內(nèi)但深度變淺。

(4)考慮擾動(dòng)區(qū)范圍T0內(nèi)D值分別按照：

煤礦機(jī)械工作環(huán)境較差，加劇了煤礦機(jī)械的磨損程度。煤礦企業(yè)因?yàn)闄C(jī)械磨損造成的損失無法計(jì)量。不僅有工作環(huán)境導(dǎo)致的機(jī)械磨損，還與我國和煤礦機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)水平以及機(jī)械后續(xù)維修技術(shù)較為滯后有關(guān)，機(jī)械抗磨技術(shù)上不完善，導(dǎo)致機(jī)械使用壽命較短。如何減少機(jī)械磨損，提高機(jī)械使用壽命，是煤礦機(jī)械設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題，還有研究抗磨措施，提高機(jī)械使用效率，實(shí)現(xiàn)煤礦產(chǎn)量的提高，減少煤礦企業(yè)的經(jīng)濟(jì)損失等問題。

(a)線性函數(shù)變化(D=1-T/7.5)，計(jì)算獲得的邊坡安全系數(shù)Fs=1.39，如圖3(c)所示。

(b)二次函數(shù)變化[D=(T-7.5)2/56.25]，計(jì)算獲得的邊坡安全系數(shù)Fs=1.47，如圖3(d)所示。

由此可見，D的分布規(guī)律對(duì)邊坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果影響顯著。按指數(shù)型分布規(guī)律漸變，穩(wěn)定性系數(shù)僅為1.14；但按線性和二次函數(shù)分布規(guī)律漸變時(shí)，穩(wěn)定性系數(shù)增加為1.39和1.47。

(5)考慮擾動(dòng)區(qū)范圍T0內(nèi)D值按照指數(shù)型分布規(guī)律漸變，采用系統(tǒng)錨桿對(duì)其進(jìn)行加固。

具體加固措施如下：采用直徑25 mm，長10 m的錨桿，按照4 m×4 m間距沿坡面系統(tǒng)布置，錨桿設(shè)計(jì)承載力為176 kN。計(jì)算得到相應(yīng)邊坡安全系數(shù)Fs=1.36，如圖3(e)所示。說明采用系統(tǒng)錨桿能有效地補(bǔ)償爆破損傷造成的巖體力學(xué)性質(zhì)下降以及由此帶來的邊坡坡面穩(wěn)定性不足的問題。從另一方面說明了系統(tǒng)錨桿在坡面防護(hù)中的作用。

圖3 不同D值分布規(guī)律下邊坡安全系數(shù)Fig. 3 Slope factor of safety under different D value distribution laws

3.2 動(dòng)范圍對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響

Hoek指出[9]，運(yùn)用擾動(dòng)因子D時(shí)，需要選擇合理的爆破影響區(qū)域，進(jìn)而定義該區(qū)域的巖體損傷程度。對(duì)于邊坡臺(tái)階式爆破，Hoek根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際爆破方式來估算爆破損壞區(qū)的范圍[9]，如圖4與表2所示。

圖4 邊坡巖體爆破損傷區(qū)域示意[9]Fig. 4 Schematic diagram of blasting damage zoneof slope rock mass[9]

對(duì)于實(shí)際邊坡工程，一般均采取一定控制措施進(jìn)行爆破開挖。對(duì)于本文工程案例，我們按照具有臨空面的且控制良好的爆破或按照具有臨空面且?guī)Э刂拼胧┑谋?如一個(gè)或多個(gè)緩沖行)考慮。其中，T0/h值分別取0.3～0.5或0.5～1(見表2)。

表2 邊坡巖體爆破損傷范圍參考值[9]Table 2 Reference value of blasting damage range of slope rock mass[9]

前面分析擾動(dòng)因子D的變化規(guī)律對(duì)于邊坡穩(wěn)定影響時(shí)，損傷區(qū)范圍T0取為0.5h。下面考慮損傷區(qū)范圍T0在0.1～0.9h變化時(shí)，邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果的變化，結(jié)果如圖5所示。

圖5 損傷區(qū)范圍變化對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響Fig. 5 Influence of damage area change on slope stability

顯然，當(dāng)T0(損傷范圍)/h(臺(tái)階高度)取值由小變大時(shí)，相應(yīng)的邊坡安全系數(shù)下降較明顯，體現(xiàn)了工程爆破中準(zhǔn)確評(píng)價(jià)爆破損傷范圍及采用合理爆破控制措施的重要意義。

4 結(jié)論

基于Hoek-Brown準(zhǔn)則中的擾動(dòng)因子D分析了爆破損傷對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。首先基于巖體縱波波速表征了D值的空間分布規(guī)律，在此基礎(chǔ)上探討了D的分布規(guī)律和范圍對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。主要結(jié)論如下：

(1)爆破后巖體縱波波速變化情況可近似按照分段線性函數(shù)特征進(jìn)行表征，據(jù)此獲得擾動(dòng)因子D按照指數(shù)型函數(shù)分布，可為定量評(píng)價(jià)巖體爆破損傷提供依據(jù)。

(2)基于工程案例，由極限平衡計(jì)算結(jié)果可知，若不考慮爆破損傷的影響，將導(dǎo)致穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)果偏不安全；若考慮全部坡體范圍內(nèi)爆破損傷取均值，則穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果偏保守。采用擾動(dòng)因子D空間分布漸變的方式，能較好的反映實(shí)際爆破損傷對(duì)巖體力學(xué)性質(zhì)及邊坡穩(wěn)定的影響。采用系統(tǒng)錨桿有效抑制爆破損傷給邊坡穩(wěn)定帶來的不利影響，從而確保開挖后邊坡的整體和局部穩(wěn)定。

(3)擾動(dòng)因子D的空間分布規(guī)律和范圍對(duì)邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果影響顯著。為獲得更加符合實(shí)際的計(jì)算結(jié)果，應(yīng)根據(jù)邊坡工程實(shí)際爆破開挖方式確定爆破損傷空間變化規(guī)律和影響范圍。

所用方法和獲得的結(jié)果可為邊坡爆破開挖方案確定和加固工程設(shè)計(jì)提供參考。