45°斜井全断面正向掘进爆破振动影响研究

郑正勤， 张学彬， 张华武

(1. 国电大渡河猴子岩水电建设有限公司, 四川甘孜 626005；2. 中国水利水电第七工程局有限公司, 四川成都 610081)

当反井法开挖斜井时，不但要确保导孔掘进顺利完成并保证钻进方向精度，还要控制好斜井正向开挖的质量与安全。为此，本文运用控制爆破理论、数值模拟等方法，对包括正向掘进爆破振动影响、开挖过程围岩稳定斜井结构是否安全等进行研究。

1 爆破计算中关键问题的处理

1.1 模型边界问题

地下结构工程动力问题，一般可以采用有限元等方法进行分析[1-4]。采用有限元法进行动力分析时，必须把实际上近于无限大的计算域用一人为边界截断，取一有限大小区域进行离散化，但是由于岩土的成层性、波在界面上的反射和透射以及动荷载类型等因素的影响，具体取多大范围比较合理以及在边界上如何给定边界条件，是目前尚未很好解决的一个重要研究课题。目前，主要有简单的截断边界、粘滞边界、一致边界或透射边界、有限元和无限元或边界元相结合等方法，但上述几种方法一般只适用于在频域中求解，而对于需要在时间域中求解的真正非线性问题，除了把边界取得尽可能远一些以外，目前还没有更合适的办法。

1.2 冲击荷载和动态强度的确定

1.2.1 爆破冲击荷载

根据爆破振动理论分析[5-8]，爆破荷载可简化为线性上升段和下降段的三角形荷载，且假定作用在隧道开挖边界面上。荷载上升段、下降段作用时间在参考众多资料结合大量实测经验的基础上，本次计算上升段时间取12 ms，下降段结束时间取100 ms，为了解爆破荷载结束后质点的情况，计算总持续时间取为1.0 s(图1)。

图1 爆破荷载加载曲线

关于地下洞室爆破冲击荷载的确定，目前研究甚浅，至今尚无一种准确确定其大小的方法和理论。常见的爆破荷载峰值计算方法包括：方法一，根据爆破产生的应力波传播与衰减过程，进行逐步计算；方法二，根据对现有众多爆破荷载峰值公式进行统计分析，得到一个经验公式并进行计算。本文取方法一为计算爆破峰值荷载依据。

1.2.2 动态强度

在冲击荷载作用下，混凝土的极限强度和弹性模量将会与静载情况有所不同。混凝土材料在冲击荷载作用下，极限抗压强度和弹性模量均随加载时间的缩短而增大，当荷载作用时间从100 s减至0.03 s时，强度和弹性模量分别提高30 %～56 %和20 %～25 %。

根据相关资料[9-10]，岩石对动荷载与对静荷载的反应是完全不同的，也就是说，岩石抵抗动荷载的动强度与静强度是完全不同的，前者约为后者的5～10倍。在冲击荷载下，软岩的动抗压强度和动弹性模量将以近10倍计远高于静载时的相应值。动强度与静强度的差别如此悬殊必须与动荷载的瞬间性联系起来考虑。动荷载在介质中引起的动应力脉冲是局部的与瞬间的，若周期性的重复多次则可能引起疲劳性破坏。

本次计算假定：在爆炸荷载下，围岩的弹性模量提高到原来的5倍；衬砌的强度和弹性模量分别提高50 %和25 %，具体如表1所示。

表1 动载极限强度值

1.3 重力的影响分析

在实际工程结构中，重力作为已知的外力，重力对结构的内力和变形影响很大。重力问题，一般都属于静力问题，用结构静力学的方法去研究。但其对结构动力分析的影响，由分析结果表明：如果结构是线弹性的，或结构处于线弹性范围，并且是小变形，包括小位移阶段，重力问题的分析和动力问题的分析可以分别讨论。在线弹性范围，小变形条件下，考虑重力影响的结构体系的运动方程与无重力影响时的运动方程一致，因此，在这种条件下，研究结构动力反应时，可以完全不考虑重力的影响，建立体系的运动方程，求解动力荷载作用下的运动方程得到运动解。当需要考虑重力影响时，采用叠加原理，结构总反应等于静力解加动力解。

2 计算模型的建立

2.1 材料参数

计算中材料参数的选取是在重点参考斜井地勘资料的基础上，结合《水工隧道规范》综合选取如表2。

表2 计算中材料参数的选取

2.2 计算模型的建立及监测点位的选取

鉴于爆破振动计算过程中，各种工况计算模型基本一致，限于篇幅，本节仅列出循环进尺1 m的计算模型示意图(图2)。

图2 计算模型

考虑到爆破振动在围岩中的传播规律，在对既有隧道进行振动规律分析时，沿斜井(断面简化)开挖轴线方向和沿横断面水平方向各监测点的位置及标号如图3所示。

(a)横断面方向监测点

(b)纵向监测点图3 斜井监测点示意

3 数值模拟结果与分析

分析主要从斜井监测点振速方面进行研究，其中监测点振速分为横断面方向和纵向，详细分析结果如下：

通过模拟得到斜井爆破施工时，监测点的振动响应。此处列出进尺1 m时三向(水平、竖向和纵向)振速波形见图4所示。

同样，也可以计算得到不同进尺下的详细振速峰值(表3)。

表3 不同进尺下横向测点振动速度峰值表 cm/s

(a)水平方向速度时程

(b)竖直方向速度时程

(c)纵向速度时程图4 进尺1m斜井横向各监测点振动速度时程

根据表3绘制不同进尺振速峰值曲线如图5所示。

通过对横断面方向监测点振速分析结果，可以得出如下结论：

(a)水平方向振速峰值折线

(b)竖直方向振速峰值折线

(c)纵向振速峰值折线图5 各工况横向测点振动速度峰值折线

(1)从斜井开挖过程中引起衬砌横断面方向测点的峰值振速规律方面看，当进尺相同时，三个方向上的振速峰值相差不大，同时各监测点的振速峰值曲线的变化规律也较为相似，即均是在拱顶和边墙中上部的振速大于其他部位上的振速，随着进尺的减小，振速减小，斜井爆破对衬砌的影响逐渐削弱。

(2)量值上，进尺3 m时的最大振速峰值达到了9.88 cm/s；进尺2 m最大振速峰值为7.96 cm/s；进尺1 m时最大振速峰值为4.95 cm/s，上述振速在完好段时均处于安全控制基准内，但对于在裂缝发育上设计制定的安全控制标准，仅进尺1m时振速符合要求。

(3)在进尺2 m时的振速峰值较3 m的峰值减幅为19.4 %，进尺1 m时较进尺30 m的振速峰值减幅为37.8 %，可以看出增加进尺对减小衬砌振动速度相当有效。

4 小结

通过以上三种不同进尺工况下斜井爆破施工对衬砌的影响分析，总结如下：

(1)从爆破开挖过程中引起衬砌振动速度来看，三个方向上的振速峰值相差不大，但极值易出现在边墙中上部纵向上，为此在施工过程中要及时进行监控量测和制定相应的处理措施，并及时反馈及时处理。

(2)随着开挖进尺的逐渐增大，爆破施工对衬砌的影响逐渐削弱。当进尺为3 m时，斜井爆破对衬砌的影响远大于裂缝密集段制定的安全控制标准；当进尺减至1.5 m时，衬砌处于安全范围。

(3)根据上述分析，结合斜井施工实际情况(考虑到围岩裂缝发育)，进尺应控制在2 m左右，结构便处于安全可控范围内。