浅析隧道钻爆施工中爆破深度对围岩影响

李志堂

摘要：利用Midas/GTS，对模型进行动力分析，通过对比不同爆破深度围岩的应力及位移计算结果，初步探讨不同爆破深度对围岩的影响。模拟计算结果表明，当爆破深度较小时，爆破时围岩受力及位移较为均匀；而爆破深度较大时，围岩受力及位移则集中于隧道轮廓两侧拱腰处。模拟结果对隧道钻爆开挖施工中超欠挖控制具有一定的指导意义。

关键词：隧道；钻爆施工；爆破；动力分析；数值模拟

1 引言

为加快施工进度，在隧道钻爆开挖施工中，通常做法是加深炮眼，加大每循環炸药用量，从而增大每循环开挖的进尺，提高钻爆开挖效率。这使围岩受扰动增大，对围岩造成严重损伤，破坏围岩稳定性，直接导致隧道过度超挖，甚至坍塌。隧道超挖会增加处理成本。而围岩受损则会对隧道后续施工及后期运营造成安全隐患。本文尝试利用Midas/GTS软件，建立三维地质模型，并对模型进行动力分析，进而初步探讨不同爆破深度对围岩的影响。

2 建立模型及爆破荷载分析

建立模型的基本过程：（1）选定岩土体本构模型：选用摩尔库伦准则；（2）地质模型特征值分析，确定固定周期；（3）确定边界条件：选用粘性边界；（4）根据相关材料物理力学参数及爆破参数，计算出等效爆破荷载时程函数，并加载于隧道开挖轮廓面上，以模拟隧道开挖周边眼爆破所产生的荷载。

2.1 建立模型

根据某隧道的工程地质条件，建立三维地质模型，其尺寸为60m×30m×80m，见图1。

2.2 模型特征值分析

通过特征值分析，得到结构的主要动力特性包括：振型、自振周期（自振频率）、振型参与系数等。振型是结构进行自由振动（或变形）时的固有形状。振型变化所需的能量（或力）由小到大排列，分别为第一阶振型（基本振型），第二阶振型，第n阶振型。自振周期是与振型对应的物体固有的性质，它表示结构在自由振动状态下，按该振型形状振动1次所需的时间[1]。

为了进行特征值分析，这里通过弹性边界来定义支座的边界条件，利用曲面弹簧定义弹性边界，弹簧系数根据道路设计规范的地基反力系数计算

在数值模拟动力分析中，建立一般的边界条件会由于波的反射作用而产生很大的误差。为了减少模型边界对波的发射，Midas/GTS采用1972年Lysmer和Wass提议的粘性边界[1][2]。

（2）

式（1）、（2）中，CP、CS——分别为P波、S波阻尼；

cP、cS——分别为P波、S波在岩体中传播波速，分别取4700m/s、3100m/s；

ρ——岩体密度，kg/m3；

2.4 爆破荷载分析

对于一般的爆破弹性分析爆破压力都是作用在孔壁的垂直方向上。本次模拟炸药采用2号岩石硝铵炸药，不藕合间断装药结构，爆孔φ48mm，炸药直径φ25mm。通过计算出单段爆压峰值、单孔爆孔孔壁压力峰值、单孔不祸合间隔装药孔壁压力峰值及传递至隧道开挖岩壁的爆破荷载压力峰值，并结合时间滞后函数，最终得出炸药爆炸后作用在隧道壁面处的爆破荷载时程函数[3]：

（3）

式（3）中， ——传递至隧道开挖岩壁的爆破荷载压力峰值，kN；

t——爆破荷载脉冲时间，s。

3 模拟计算及结果分析

为了探讨不同爆破深度对围岩的影响，试验进行了两个工况模拟计算，分别模拟了爆破深度2.5m和4.5m。

通过模拟计算，得到了不同爆破深度爆破时围岩的位移情况。图2表明：（1）爆破深度为2.5m时，围岩位移较为均匀；而当爆破深度为4.5m时，围岩位移则集中于隧道轮廓两侧拱腰处；（2）当爆破深度为2.5m时，围岩最大超挖值可能性主要位于拱顶，且隧道开挖轮廓面较为平整；而当爆破深度为4.5m时，围岩最大超挖值可能性主要位于拱腰，且隧道开挖轮廓面凹凸不平；（3）开挖一循环，爆破深度为4.5m的最大超挖值约为爆破深度为2.5m最大超挖值的2倍；一次爆破掘进4.5m的超挖面积也比一次爆破掘进2.5m的超挖面积大。

4 结论

本文利用Midas/GTS软件，建立三维地质模型，并对模型进行动力分析，通过对比不同爆破深度围岩的应力及位移计算结果，初步探讨不同爆破深度对围岩的影响，得出以下结论：

（1）当爆破深度较浅时，爆破时围岩受力及位移较为均匀；而爆破深度较大时，围岩受力及位移则集中于隧道轮廓两侧拱腰处。

（2）当爆破深度较小时，围岩最大超挖值可能性主要位于拱顶，且隧道开挖轮廓面较为平整；而爆破深度较大时，围岩最大超挖值可能性主要位于拱腰，且隧道开挖轮廓面凹凸不平。

（3）当岩体工程地质条件较好，为了加快施工进度而加大爆破开挖深度时，应注意控制隧道开挖轮廓两侧拱腰处周边眼的装药量，以降低爆破对围岩的损伤及减少围岩的超挖量。