爆破开挖对岩溶地层的破坏机理浅析

2015-01-08施进贤张亚娟

城市道桥与防洪 2015年6期

战军，施进贤，张亚娟

（1.沈阳市市政工程设计研究院青岛开发区分院，山东青岛 266555；2.青岛正东建设集团有限公司，山东青岛 266555；3.青岛同盛建设项目管理有限公司，山东青岛 266555）

0 引言

岩溶塌陷的机制较为复杂，由于试验与实际观察难度较大，许多学者只能从理论上进行分析、推断，故对岩溶塌陷的机制难以统一。主要有潜蚀效应、真空吸蚀效应、压强差效应、垂直渗流效应、自重效应、浮力效应、土体强度效应以及其它效应。在此主要阐述振动致塌的机制。

了解爆破振动导致岩溶塌陷的机制不仅是理论问题，重要的是使采取的措施具有针对性，做到技术可靠，经济合理，理论有据。

1 岩溶区隧道爆破损伤机理探讨

据研究[1]，岩溶地层塌陷的发生实质上是溶洞的抗塌力小于致塌力的结果。抗塌力的方向一般垂直向上，致塌力的方向一般向下，如图1所示。

图1 塌陷体受力状态示意图

致塌力主要包括：洞顶岩土体的自重力、建筑物重量及堆荷重量、地下水的渗透压力、气体负压力（或气体正压力）、大气压力、振动力；抗塌力主要包括：岩土体的内聚力、地下水浮力、摩阻力。在此主要分析爆破振动导致溶洞塌陷的机制。

岩溶区岩层多为层状石灰岩，且溶洞内介质与周围岩体亦属不同介质，因此有必要对爆炸应力波在不同岩体中的传播破坏机理进行研究。爆炸应力波在层状岩体中传播时会遇到不同性质介质的交界面，如两种不同岩石的交界面、溶洞中泥沙与岩石的交界面、岩石与空气的交界面即临空面等，由于爆炸波边界效应的存在，使得交界面处岩体最容易遭到破坏。下面对交界面处爆炸应力波的边界效应进行分析。

设爆炸应力波由介质1进入介质2，Y轴为分界面，Y 轴两侧介质波阻抗分别为 ρ1Cp1、ρ2Cp2。入射波到达Y面，将产生反射纵波、反射横波、折射纵波和折射横波，如图2所示。

图2 P波在界面反射、折射示意图

经过公式推导，我们可得考虑岩石损伤后的反射应力 σDf和折射应力 σDz：

式中：Rv为三轴比的影响系数为Misses等价应力。

若入射波为压缩波，由式（1）可得到如下结论。

（1）当 ρ2Cp2＞ρ1Cp1时，为爆炸波由“软”介质传入“硬”介质的情况，此时边界处软岩承受入射波和反射波的双重破坏作用，爆炸波对软岩损伤较大，而对硬岩的损伤很小。

（2）当 ρ2Cp2＜ρ1Cp1时，为爆炸波由“硬”介质传入“软”介质的情况，反射波应力为负，质点振速为正，说明反射波为拉伸波。爆炸应力波透射系数较大。此种情况下硬岩损伤很大，软岩层测到的应变波峰值也较大，对软岩产生的损伤也比较严重。若 ρ2Cp2=0（即溶洞空腔内），则有：σf=σr，Vf=vr,σz=0，Vz=2Vr。

此时，应力波从岩石内向临空面垂直入射时应力波没有折射，而是全部反射成拉伸应力波，自由面上应力为零，质点振速为入射波速的2倍。但是，由于岩石等脆性介质的动态抗拉强度远小于抗压强度，所以就容易引起溶洞处岩石的破坏。

2 溶洞附近的应力集中效应

由弹性力学知识可知，设受力的弹性体具有小孔，则孔边的应力将远大于无孔时的应力，也远大于距孔稍远处的应力。这种现象称为孔边应力集中效应。溶洞附近也存在应力集中现象。溶洞附近的应力集中，绝不是由于截面面积减小了一些而应力有所增大，即使截面面积比无溶洞时只减小了百分之几或千分之几，应力也会集中到若干倍。而且，对于同样形态的溶洞来说，集中的倍数几乎与溶洞的大小无关。实际上，由于溶洞的存在，溶洞附近的应力状态与形变状态完全改观。

首先，溶洞附近应力集中是局部现象。在几倍直径之外，应力几乎不受溶洞的影响，应力的分布情况以及数值的大小都几乎与无溶洞时相同。一般说来，集中的程度越高，集中的现象越是局部性的，应力随着距溶洞中心的距离增大而越快地趋近于无溶洞时的应力。

其次，应力集中的程度与溶洞的形状有关。一般说来，球形溶洞附近的集中程度最低。