隧洞爆破开挖围岩损伤阈值

刘智振， 赵海龙， 于明亮

（湖南科技大学能源与安全工程学院， 湖南　湘潭　411201）

隧洞爆破开挖围岩损伤阈值

刘智振， 赵海龙， 于明亮

（湖南科技大学能源与安全工程学院， 湖南湘潭411201）

以台山核电站取水隧洞爆破掘进工程为实例，通过现场爆破振动试验及监测、现场声波试验，结合动力有限元软件ANSYS/LS-DYNA对爆破开挖过程进行模拟。采用智能爆破测震仪TC-4850监测得到了隧洞爆破时岩石质点爆破震动的质点峰值震动速度、震动速度主频。提出以爆破振动速度表征的台山核电站取水隧洞爆破掘进围岩损伤安全阈值，即将距离爆源20m处质点振动速度峰值控制在1.5cm/s以内来确保爆破对围岩的破坏。

围岩损伤爆破震动数值模拟安全阈值

在隧洞爆破掘进工程中多数情况下，对于爆破荷载作用下所产生的掩体累计损伤效应被忽略[1-2]，然而在爆破开挖时爆炸荷载对围岩的损伤是显而易见的[3]。国内外众多学者研究了爆炸荷载作用下岩石裂纹扩展和损伤问题[4-8]。不管爆破方法的控制方式有多好，爆破设计多么仔细，爆破冲击荷载对隧洞开挖以外的围岩损伤总是不能被完全消除，只能减弱[9]。另外，与开挖面相邻的岩体屈服以及朝外扩展是由开挖轮廓线以外的围岩应力重新分布引起的，同时开挖损伤区是由于围岩应力的重新分布产生的围岩屈服扩展造成的[10]。处于高应力环境的围岩开挖相对应的应力路径对开挖损伤区的影响是非常重要的[11]。连续爆破引起的爆炸地震波会使掘进面后面一定范围内的隧洞围岩产生连续损伤，在一定范围内威胁隧洞围岩的稳定和安全，所以要加以控制[12]。在多次爆破动载作用下，掘进面后方隧洞围岩会产生损伤累积，如果达到一定程度就会破坏围岩稳定[1，13-14]。这就要对爆破开挖围岩损伤的安全阈值进行研究，给出一个相应的阈值来控制后方隧洞围岩的稳定。

1　隧洞开挖围岩损伤机理

岩石爆破破碎机理三种假说[15]：

1）应力波反射拉伸破坏理论。该理论认为炸药爆炸产生的爆炸应力波在岩石中传播时，会在经过岩石中的原生裂隙的自由面时产生反射波，反射应力波从之前的压缩波变为拉伸波，岩石受到拉应力波的作用时产生破坏。

2）爆生气体膨胀破坏机理。该理论认为炸药爆炸产生的大量膨胀气体使得岩体内的裂隙尖端继续扩展，当裂隙扩展遇到自由面时岩体破碎。

3）应力波和爆生气体膨胀压力联合作用理论。该理论认为岩石爆破中炸药爆炸对岩石的破坏作用石油炸药在爆炸是生成的爆炸冲击波与爆生气体联合作用的结果。

2　隧洞爆破掘进围岩损伤数值模拟

研究隧洞爆破开挖对围岩损伤的安全阈值的主要目的是在隧洞掘进过程中减小爆破对围岩的损伤。关于岩石爆破损伤过程的主要假说是膨胀气体压力和反射拉伸波共同作用。此处将工程现场的数据与理论和经验公式计算的数值相结合进行数值模拟。

本次模拟采用有限元程序ANSYS/LS-DYNA，该程序能够模拟显示动力非线性真实岩体爆破的各种复杂问题，特别适合求解非线性结构的爆炸动力冲击问题。

2.1LS-DYNA程序计算原理

2.1.1控制方程

模拟用到的算法为Lagrangian增量法，用此种计算方法时本次设定始位点坐标为Xi（i=1，2，3），那么在往后时刻t的坐标用Xj（j=1，2，3）表示，则此点的运动方程为：

考虑本次实体单元的计算，程序采用具有运算速度快、精度高并且可以更好地解决高速碰撞和应力波传播的动力学问题的八节点六面体实体单元。

2.1.2时间积分和步长控制

考虑到阻尼影响，LS-DYNA程序的运动方程变为：

式中：M为总体质量矩阵；P为总体荷载矢量；F为等效节点矢量组集；H为总体沙漏黏性阻尼力；C为阻尼系数矩阵。

2.1.3单元积分简化与沙漏控制

将非线性动力分析程序运用于工程计算最大的缺点就是耗时过多。为了解决耗时过多问题，对积分单元进行简化，简化之后对于处理大变形分析也产生了明显的效果。

沙漏模态就是指在积分时通常会引起极大震荡甚至会出现计算机无法对应变能的某些位移模态，而由此引发的结果就是导致计算结果无效。因此，LS-DYNA程序控制零能模式的方法就是采用沙漏阻尼。

2.1.4材料模型和应力计算

为了更适合爆破冲击荷载，本次研究选择了塑性随动强化模型，当爆破冲击荷载作用于材料结构时，材料会发生快速变形。且大量实验表明静态屈服应力远小于动态屈服应力。二者关系如下：

式中：σy为动态极限屈服应力，N；σs为静态极限屈服应力；N；ε为应变率；C、D均为与材料相关的系数。

本次研究的岩石基本力学特性如表1所示。

表1　岩石基本力学特性参数

2.1.5算法选取

利用LS-DYNA提供的Lagrange算法，炸药的单元采用ALE算法。

2.1.6状态方程和本构方程的选取

炸药材料模型一般采用线弹性模型输入炸药，爆生气体压力—体积关系状态方程JWL为：

式中：A、B、R1、R2、ω均为材料常数；E0为初始内能；P为炸药产生的爆轰压力；V为爆轰产物的相对体积。

本次研究所使用的炸药参数如表2所示。

表2　炸药参数

2.2数值模拟

本次模拟根据台山核电站爆破现场的实际参数建立模型。炸药采用二号岩石乳化炸药，密度为1 100 kg/cm3，因为工程现场隧洞是直径为3 m的类圆形浅埋隧洞，所以不考虑地应力的影响。在本次模拟中对于岩石和炸药均使用非线性塑性材料模型，对于空气采用NULL材料模型，用于堵塞炮孔的炮泥采用5号泡沫材料模型MAT-SOIL-AND-FOAM。根据经验，模型大小是隧洞跨度的3倍以上，所以取模型长35 m、宽15 m、高15 m，数值模拟模型如图1所示。为使模拟更真实，进行多炮孔模型模拟，分六个炮孔装药，在模型的空间离散化模型上使用六面体单元，模型周边条件全部设定为透射条件来体现模型外无限大空间，上下边界对称约束，前后采用全位移约束。

图1　数值模拟模型

在离炸药中心10 m（A）、15 m（B）、20 m（C）位置监测岩石质点震动速度时程曲线如下页图2所示。

从图2中可以看出：各个点的最大压力值出现的时间点不同，而且最大压力值随着距爆心距的增加呈现出衰减趋势；在压力相同的情况下，距离不同，岩石质点震动峰值出现的时间点不相同，随爆心距的增大呈现出衰减趋势。可见，压力值与震动峰值随距离的增加，衰减的速度随之下降，在距离炸药近的地方衰减速度很快，距炸药远的地方衰减速度慢。根据模拟结果可知其符合爆破震动波传播和衰减规律。通过图2中几个点的岩石最大压力值和此时岩石质点震动峰值，结合相关计算公式可计算出施工现场在模拟中的围岩损伤范围。在距掘进面20 m处，即振动速度为1.39 cm/s时，计算出隧洞轮廓围岩损伤范围约为1.97 m。

图2　质点震动速度时程曲线

3　工程实例

台山核电站发电机组冷却用水应急隧洞整体贯穿于第四系砾质黏性土层，为中等风化花岗岩层，局部较破碎。隧洞总体长度约为400 m，贯穿的山体非常陡峭，地表水系不发育。

3.1隧洞施工介绍

隧洞施工全程为新奥法施工，采用光面爆破法爆破炮孔布置。掏槽方式采用垂直楔形掏槽。周边眼装药结构为间隔装药，全部使用Φ25 mm的乳化炸药，将装药集中度控制在0.15～0.25 kg/m，起爆网络采用导爆索传爆。对于其他孔采用Φ32 mm的乳化炸药。

3.2测点布置

本次现场爆破震动试验和监测全部采用由成都中科测控有限公司生产的最新一代智能爆破测震仪TC-4850。台山核电站冷却用水应急隧洞爆破震动监测布置了三个测点，见图3。1号、2号、3号测点分别被布置在距爆破点直线距离10 m、15 m、20 m处，监测仪均被布置在底板平整的岩石地基上。测点不随掘进面的推进而移动。

3.3监测结果

根据现场爆破施工时各次爆破震动监测结果，可从质点震动速度曲线得到隧洞爆破时岩石质点爆破震动的质点峰值震动速度、震动速度主频等。现场质点最大震动速度和主震动频率监测结果见表3。

图3　测点布置图

表3　爆破试验爆破峰值震动速度和主频监测结果

从表3可得，由爆破震动引起的质点震动速度峰值水平方向上的值要小于垂直方向，水平方向质点震动峰值衰减的速度小于垂直方向。

3.4安全阈值

一般认为，高于某一阈值的震动速度才对围岩损伤度产生累积效应，当测孔处震动速度衰减值在这一阈值以下时，累积效应不明显。由前面模拟以及工程实测可知，随着爆心距的增大，隧洞测孔处的震动速度衰减到1.5 cm/s以下时，测孔处声波波速不再变化，在本工程中可将震动速度1.5 cm/s视为震动累积损伤阈值。为确保在连续爆破过程中爆炸荷载对围岩的累积损伤对隧洞围岩稳定性造成较小破坏，通过控制距隧洞掘进面20 m处质点震动速度峰值不超过1.5 cm/s来保证其被弱破坏或不被破坏。距爆源20 m处安全阈值示意图如下页图4。

4　结论

1）隧洞爆破开挖时掘进面后方围岩损伤主要是爆破对围岩产生的初始损伤。但在连续爆破作用下，后方一定范围内的隧洞围岩会受到爆破地震波的累积损伤。

2）模拟得出：爆破过程中震动速度和应力快速传播，通过开挖轮廓面后继续向后方围岩内传播并且随着时间和距离的增加而快速衰减，当在距掘进面20 m的后方围岩处累积损伤接近稳定值时，震动速度为1.39 m/s，隧洞轮廓围岩损伤范围约为1.97 m。

图4　安全阈值示意图

3）由数值模拟及工程实测得出将台山核电取水隧洞爆破中距掘进面20 m处的爆破震动最大速度控制在1.5 cm/s以内来保证对围岩产生较弱的破坏。

[1]杨建华，卢文波，胡英国，等.隧洞开挖重复爆炸荷载作用下围岩累积损伤特性[J].岩土力学，2014，35（2）：511-518.

[2]傅洪贤，赵勇，谢晋水，等.隧道爆破近区爆破振动测试研究[J].岩石力学与工程学报，2011，30（2）：335-340.

[3]严鹏，李涛，卢文波，等.深埋隧洞爆破开挖荷载诱发围岩损伤特性[J].岩土力学，2013，34（增刊1）：451-457.

[4]KWON S，LEE C S，CHO S J，et al.An investigation of the excavation damaged zone at the KAERI underground research tunnel[J]. Tunnelingand Underground Space Technology，2009，24（1）：1-13.

[5]READ R S.20 years of excavation response studies at AECL’s underground research laboratory[J].International Journal of Rock Mechanics and MiningSciences，2004，41（8）：1 251-1 275.

[6]李宁，张平，段庆伟，等.裂隙岩体的细观动力损伤模型[J].岩石力学与工程学报，2002，21（11）：1 579-1 584.

[7]钱七虎，戚承志.岩石岩体的动力强度与动力破坏准则[J].同济大学学报（自然科学版），2008，36（12）：1 599-1 605.

[8]MA G W，AN X M.Numerical simulation of blasting induced rock fractures[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2008，45（6）：966-975.

[9]MARTINO J B，CHANDLER N A.Excavation-induced damage studies at the underground research laboratory[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2004，41（8）：1 413-1 426.

[10]BACKBLOMG，MARTIN C D.Recent experiments in hard rocks to study the excavation response:Implications for the performance of a nuclear waste geological repository[J].Tunneling and Underground Space Technology，1999，14（3）：377-394.

[11]CAI M，KAISER P K，MARTIN C D.Quantification of rock mass damage in underground excavations from microsesmic event monitoring[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2001，38（7）：1 135-1 145.

[12]金生吉，李宁，芮勇勤，等.隧洞开挖过程中爆破振动力学特性研究[J].沈阳建筑大学学报（自然科学版），2012，28（1）：66-71.

[13]卢珊珊，崔溦.爆破荷载对隧洞围岩稳定的影响研究[J].广东水利水电，2014（10）：46-52.

[14]VILLAESCUSAE，ONEDERRAI，SCOTTC.Blast induced damage and dynamic behavior of hangingwalls in bench stoping[J].Fragblast，2004，8（1）：23-40.

[15]吴力，闫天俊，周传波.凿岩爆破工程[M].武汉：中国地质大学出版社，2010：144-145.

（编辑：胡玉香）

The Threshold of Surrounding Rock Damage in Roadway during Blasting Excavation

LIU Zhizhen，ZHAO Hailong，YU Mingliang
（School of Energy and safety Engineering，Hunan University of Science and Technology，Xiangtan Hunan 411201）

Taking the TaiShan nuclear power plant water intake tunnel blasting excavation project as an example，through the field blasting vibration test and monitoring，the acoustic test，combining with the dynamic finite element software ANSYS/LS-DYNA simulates the process of blasting excavation.The tunnel blasting in rock particle vibration velocity of the peak particle vibration velocity and blasting vibration frequency were monitored by the TC-4850 intelligent blasting seismograph.This paper offers to blasting vibration velocity characterization of Taishan nuclear power plant water intake tunnel blasting excavation of surrounding rock damage thresholds，that is，an explosive source in 20 m is from the peak particle vibration velocity control within 1.5 cm/s to ensure the blasting.

rock damage，blasting vibration，numerical simulation，safety threshold

TD1

A

1672-1152（2016）04-0020-04

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2016.04.08

2016-06-17

刘智振（1991—），男，硕士在读于湖南科技大学能源与安全工程学院，主要从事采矿工程研究。