俞祥杰，陳 晨，張 羽，廖 勝

(合肥工業(yè)大學土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009)

改革開放以來，我國經濟社會高速發(fā)展，更多的城市地下空間及地下礦產資源被開發(fā)來滿足經濟發(fā)展的需要，大量的地鐵、人防地下通道、國防工程坑道和洞庫、市政設施地下通道等地下工程已成為我國國民經濟、人民生活和國防建設的重要組成部分。地下工程的建造必然會使用爆破施工方法，由于爆破施工自身的破壞性，對建筑物、基礎設施及人身安全造成嚴重威脅，其中爆破產生的沖擊荷載將使硐室圍巖的裂隙進一步發(fā)展，弱化巖石的完整性，甚至引發(fā)地下和地表構筑物損毀、巷道冒頂等工程事故。因此，如何避免爆破開挖所產生的沖擊荷載對鄰近硐室穩(wěn)定性產生影響，對地下巷道群掘進的安全具有重要意義。

目前，國內外就爆破開采活動對鄰近巷道穩(wěn)定性進行了大量研究，取得了一些成果。徐振洋等[1]分析爆心距與裝藥量對巖石測震信號的影響，發(fā)現爆破的能量頻帶主要位于10～60 Hz；喬憲隊等[2]研究爆破開采作業(yè)對周邊巷道的影響，分析了周邊巷道的振速、應力及其位移的分布情況；陽生權[3]對巖體進行了動力計算，分析了在爆破影響下圍巖的位移和應力變化情況；AKIYOSHI等[4]通過求解波動方程，分析了縱波影響下圓形硐室的動應力響應情況；易長平等[5-6]通過研究振動波對周邊巷道的作用，分別討論了波頻、巷道尺寸、巷道圍巖種類等因素對硐室圍巖安全振速的影響問題；劉小樂等[7]基于HHT方法，從三維Hilbert譜、瞬時能量譜及邊際譜3個方面對爆破振動信號進行了分析。近些年來，數值計算方法在地下結構抗爆設計中得到廣泛應用[8-11]，并為一些復雜問題的解決提供了很好的方案。本文針對某鐵礦的既有出礦巷道由于鄰近巷道爆破開采而引起面向爆源側片幫的工程實例，對爆破振動對于鄰近既有巷道的影響進行分析研究，以期對爆破危害進行初步探討，并能夠指導工程實踐。

1 工程概況

1.1 工程背景

中部地區(qū)某鐵礦屬一類大型鐵礦、硫鐵礦與硬石膏共生礦床，鐵礦石儲量豐富，主要采用垂直深孔階段空場嗣后充填和中深孔分段空場嗣后充填采礦方法進行開采。該礦山巖體中存在大量的斷層、節(jié)理等地質構造，隨著地下開采深度的逐漸增加，地壓所帶來的危害逐漸凸顯，爆破振動對周圍巷道的穩(wěn)定性影響也越來越大。該鐵礦開采形成空場后，因巖體既有裂隙的存在以及爆破開采的擾動作用，大面積暴露的礦房側幫極易產生巖體片幫，對礦柱的穩(wěn)定性具有較大影響，中間條柱破壞如圖1所示。

圖1 條柱破壞現場Fig.1 Failure site of strip column

1.2 振動測試試驗方案

根據該礦山現場礦柱破壞情況，選擇-500 m中段采場進行爆破振動測試，收集現場測試振動數據。考慮到人員安全和儀器保護，共布置5個爆破測振點，本次振動測試采用加拿大Instantel振動監(jiān)測儀Blastmate Ⅲ對爆破振動效應進行測試，探頭采用三軸地震檢波器，測試爆破過程中巖體質點的三向速度和巖體三向波速。通過現場試驗，分析在爆破開采擾動作用下，鄰近既有巷道波速變化及圍巖破壞的規(guī)律。

2 數值計算模型

本文以某鐵礦-500 m中段采場出礦巷道為原型進行數值模擬，分析爆破開采活動對鄰近巷道的影響。模型主要是兩條埋深500 m的平行直墻式巷道，直墻高度為5 m，拱高為3 m，寬度為6 m，兩巷道中心距為12 m，影響范圍長為30 m，寬為55 m，高為50 m?？紤]到模型的復雜性及計算結果的精確度，對計算模型進行簡化的同時，也對巷道及其周邊巖體進行了單元加密處理，盡可能提高數值模擬計算的精度。如圖2所示，模型共生成了460 896個單元體，模型左邊巷道為既有巷道，右邊巷道為鄰近巷道。既有巷道內沿y軸方向每隔3 m布一組監(jiān)測點，監(jiān)測點布置如圖3所示。

圖2 計算模型Fig.2 Calculation model

圖3 巷道斷面監(jiān)測點布置Fig.3 Layout of monitoring points for roadway section

本次數值計算分析了σv=13.4 MPa，σh=3.35 MPa的應力條件下，爆破開挖對鄰近既有巷道產生的影響(規(guī)定鄰近巷道沿y軸正軸方向開挖，每次開挖3 m)。開始時對模型四周及底部施加位移約束，頂部保留自由邊界；當靜力部分計算完成后，為避免模型邊界對波的反射影響，去掉施加邊界條件，對模型重新施加黏滯邊界條件，再進行爆破荷載計算，具體的巖石力學參數見表1。

表1 巖石力學參數Table 1 Rock mechanical parameters

整個數值模擬計算主要由靜力計算和爆破荷載計算組成。靜力計算是爆破荷載計算的基礎，當進行靜力計算時，沿著y軸每步開挖3 m，整個過程分10步完成；靜力開挖結束之后，將速度時程添加到之前形成的巷道圍巖上，進行爆破荷載計算。

3 數值模擬結果分析及現場監(jiān)測

3.1 位移分析

既有巷道在鄰近巷道自重應力和爆破載荷作用下的水平位移分布如圖4所示。由圖4可知，鄰近巷道開挖后，由于重力的存在，既有巷道四周會發(fā)生“收縮”，相較于鄰近巷道的初始狀態(tài)，既有巷道左右兩側邊墻分別產生了1.51 mm和7.39 mm的朝內收縮位移；當施加動荷載后，周邊巖體應力場發(fā)生二次重分布并局部發(fā)生應力集中現象，圍巖位移也隨之增大。從總體上看，既有巷道的兩側邊墻的水平方向位移都有較大的增長，分別達到了6.3 mm和16.3 mm，特別是面向爆源側邊墻水平位移相較于自重應力作用狀態(tài)，增幅高達68.2%，這表明鄰近巷道的爆破振動使既有巷道在水平方向上產生明顯的位移，并且靠近爆源側圍巖變化更明顯，這與現場觀測結果相符，說明在礦體不斷爆破開采過程中，既有巷道圍巖特別是靠近爆源側圍巖受到較大的沖擊荷載影響，容易處在一種比較危險的狀態(tài)。

圖4 水平位移分布Fig.4 Horizontal displacement distribution

3.2 應力分析

既有巷道在鄰近巷道自重及爆破載荷影響下的最小主應力分布如圖5所示。從圖5(a)中可以看出，在鄰近巷道掘進后，在自重應力作用下既有巷道產生了較為顯著的拉應力集中現象，拉應力主要集中于既有巷道的頂板以及底板處，最大拉應力達到了0.739 MPa。而通過圖5(b)可知，當鄰近巷道施加爆破荷載作用后，應力集中區(qū)域有著明顯的擴大，最大壓應力與拉應力都也有著較大程度的增加，最大拉應力甚至達到了1.17 MPa，與自重應力作用狀態(tài)相比，增幅高達58.6%，且靠近爆源側圍巖變化更明顯，這與現場靠近爆源側圍巖容易發(fā)生破壞的現象相符。

圖5 最小主應力分布Fig.5 Minimum principal stress distribution

3.3 塑性區(qū)分析

自重應力作用和爆破荷載作用下塑性區(qū)分布如圖6所示。由圖6可知，礦體的開采必然引起周邊巖體擾動與破壞，開采過程中巖體受力比較復雜。從塑性區(qū)分布情況來看，自重應力作用下既有巷道的塑性區(qū)主要分布在巷道周圍巖體，各部分破壞形式也各不相同，有拉伸破壞、剪切破壞以及兩種破壞形式共存等形式，其中以兩種破壞共存的形式為主。而在爆破荷載作用下，由于爆破所產生的沖擊荷載的影響，塑性區(qū)分布范圍比自重應力作用下大得多，并且迎爆側邊墻的巖體由原來的剪切破壞變?yōu)榱死炫c剪切破壞這兩種破壞共存在的形式，產生了大量塑性積累，具有發(fā)生破壞的趨勢，這說明爆破振動對既有巷道面向爆源側邊墻處巖體造成的損傷最為嚴重。結合圖4可知，同一位置處塑性區(qū)范圍變化與其位移變化有著密切關系，塑性區(qū)增加的范圍越大，位移變化就越大，該位置處巖體的穩(wěn)定性也越差。

圖6 塑性區(qū)分布Fig.6 Distribution of plastic zones

塑性區(qū)總體積變化如圖7所示。從圖7可以看出，無論是自重應力作用下還是爆破荷載作用下，塑性區(qū)體積隨著開挖步數增加基本上呈現線性增長的態(tài)勢，爆破荷載作用下的塑性區(qū)體積增長速度明顯快于自重應力作用下，并且同自重應力作用狀態(tài)相比，爆破荷載作用下的塑性區(qū)體積增幅達到了76.5%，這同圖6所示的塑性區(qū)分布的趨勢相符合，這也從一定程度表明爆破荷載所生成的沖擊荷載較為明顯的影響到了既有巷道的安全性，同現場調查情況相符。

圖7 塑性區(qū)總體積變化Fig.7 Total volume change of plastic zone

3.4 振速分析

由于實際中常常用巷道圍巖的峰值振動速度來判斷洞室穩(wěn)定性好壞，因此計算中重點對巷道圍巖的振動速度進行了監(jiān)測，監(jiān)測的截面包括了y=3 m、y=9 m、y=15 m、y=21 m、y=27 m這五處剖面，各剖面監(jiān)測點的峰值振速分布如圖8所示。由圖8可知，這五個剖面中，靠近爆源側直墻中部振速最大，這是由于此區(qū)域同爆心位置高度較為一致，位于振動波垂直入射的區(qū)域，受到爆破的影響最大，發(fā)生破壞的可能性也最大；靠近爆源側直墻下部振速也比較大，這是因為此區(qū)域振動波入射角也比較小，但由于底角的夾制作用，直墻下部的危險度要明顯比直墻上部小一些，是既有巷道中的次危險部位；由于拱圈的作用，靠近爆源側拱腳以上部位的振動波入射角度是逐漸變大的，振動波能量的輸入得以減小，拱腳到拱頂區(qū)域的振速也漸漸減??；而遠離爆源側直墻圍巖的振速偏小，這是因為遠離爆源側的振動波的傳播是需要繞射的，振動波的強度會得到極大的減弱。綜上所述，鄰近巷道爆破振動對既有巷道靠近爆源側邊墻中上部圍巖的穩(wěn)定性影響最明顯，進行爆破作業(yè)時要加強對該區(qū)域的支護。

圖8 各剖面監(jiān)測點X向峰值振速分布Fig.8 X-direction peak vibration velocity distribution of each profile monitoring point

3.5 數值模擬結果與實測數據對比分析

通過數值模擬計算，可以獲得在爆破沖擊荷載下每個監(jiān)測點的三向振動曲線。將數值模擬結果與現場測量數據展開對比分析，研究爆破規(guī)律，驗證本次數值模擬計算的準確性。限于篇幅，僅選取X方向振動曲線同現場實測數據進行對比分析，數值模擬X向振動曲線與現場切向振動曲線如圖9所示，數值模擬計算曲線與現場實測曲線的的波峰數量、峰值振速都比較一致，并且波形的持續(xù)時間也近乎相同，但是數值計算曲線同現場實測曲線的波峰出現的時間有一定誤差，這是因為現場實測的振動曲線的切向、徑向和垂向同數值模擬中的坐標系之間一定存在著無法避免的偏差，且爆破影響因素較多，造成上述兩條曲線之間存在著誤差。從總體上來說，數值計算所得振動曲線同實測振動曲線的分布趨勢較為一致，這說明了本次數值模擬計算所建立的模型是可靠的，上述計算結果的精度和準確性都是有所保證的。

圖9 數值模擬X向振動曲線與現場切向振動曲線Fig.9 Numerical simulation X-direction vibration curve and field tangential vibration curve

4 結 論

1)同自重應力狀態(tài)相比，爆破載荷影響下既有巷道圍巖的最大水平位移、最大拉應力及塑性區(qū)體積有著很大程度的增長，增幅分別達到了68.2%、58.6%及76.5%，既有巷道發(fā)生失穩(wěn)破壞的概率顯著增加。

2)既有巷道截面穩(wěn)定性由差到好的區(qū)域依次為靠近爆源側圍巖中部到拱圈區(qū)域、靠近爆源側拱圈以上區(qū)域和靠近爆源側底角及遠離爆源側，靠近爆源側圍巖的拉應力主要是爆破所產生沖擊波的反射作用造成的，而遠離爆源側圍巖由于主要受到沖擊波的繞射作用，故受影響較小。

3)為避免爆破引發(fā)鄰近既有巷道失穩(wěn)破壞，需加強對既有巷道的迎爆測直墻中上部等危險部位的監(jiān)測與支護，并對地質條件薄弱區(qū)域及時采取素噴混凝土、錨網噴混凝土等有效的支護措施。