爆破载荷下隧道围岩破坏动力响应分析

王跃儒

(西南交通大学，四川成都610000)

爆破作业是地下工程的典型施工方法，在采矿工程中有着广泛地应用。爆炸产生的载荷通常以高速高压冲击波的形式影响爆炸源附近的岩体，其持续时间极短。瞬间的能量释放，由于巨大的压力和破坏，导致周围结构发生明显的变形。在工程中，将这一原理应用于岩石的爆破破坏，开挖现场根据工程设计不断推进，将指定部位的岩体移走，形成地下空间，实现工程目标。然而，在岩石破坏的同时，由应力激波引起的振动效应往往对围岩造成破坏，地下结构规模较大。在开挖过程中很可能会产生各种不利的地质条件，以及爆炸结构产生的冲击波和振动效应。这将加剧山脉的破坏，很容易造成山脉的不稳定。对围岩完整性和工程安全的影响不容忽视。因此，研究围岩在爆炸振动荷载作用下的动力响应具有一定的实用价值。

1 隧道围岩力学特性

1.1 隧道围岩变形及破坏特性

在隧道施工的影响下，围岩应力的调整和传递往往伴随着变形和破坏。随着围岩变形的增大，破坏逐渐发展，围岩失稳范围增大，破坏形式多样。围岩的变形经历了四个阶段，从正面开始，依次为缓慢变形、快速变形、缓慢变形和稳定变形。

1.2 隧道围岩的复合结构特性

围岩结构破坏后，隧道围岩由内而外逐渐破坏。内层围岩不稳定。隧道上部围岩以下降为特征，下部围岩以滑移为特征，滑移是隧道围岩的松动区。这部分围岩必须及时控制，而在此区域以外的围岩则处于相对稳定状态。

2 地下隧洞爆破施工有限元模型

隧洞断面为圆形，开挖断面直径为3.5 m，隧洞围岩岩性以花岗岩为主，对于模型尺寸，依据相关研究经验，为避免模型边界对动力分析的影响，模型在隧洞径向上向外延伸的距离在3倍洞径以上，沿轴向取约8倍洞径的长度。爆孔直径d=76.0 mm，属于中孔径的爆孔(50 mm

3 载荷下隧道围岩破坏动力响应分析

自爆炸振动荷载逐渐扩散到中、远地区周围的岩石、爆炸载荷的压力峰值和峰值振动速度也减弱，因此岩体的动力响应在不同距离爆炸在爆炸振动的来源是不同的。一个小隧道洞直径和围岩质量好，一系列的爆炸隧道洞的轮廓，可以迅速形成一个隧道，同时爆炸，但振动负荷由炸药爆炸影响周围的岩体。为了了解爆炸荷载作用下井壁周围岩体的动力响应，在爆炸井周围岩石圆形工作面上部径向设置了若干控制点。

3.1 围岩主应力动力响应分析

在爆破振动荷载的作用下，随着爆破荷载作用时间的增长，隧洞掌子面处围岩的第一主应力和第三主应力数值均出现波动现象，主应力的波动主要是由加载在爆孔壁上的爆破压力随时程波动造成的。较大的主应力峰值一般出现在炸药引爆后800 μs以内，至炸药引爆1 000 μs后爆破振动引起的主应力波动基本结束。对比爆破压力的时程曲线可以看出，掌子面处围岩主应力达到最大峰值的时间基本均在较为突出的爆破压力峰值之后，且第一主应力在达到最大峰值之前有一个明显的累积增长过程，第三主应力则在应力累积之后的极短时间内降至最大峰值。岩体应力的累积增长可能与岩体的材料塑性特性有关，而第三主应力最大峰值的突然出现可能是岩体在持续受拉后突然卸载的回弹造成的。

由此，在研究爆破荷载作用下的隧洞围岩动力响应时不仅需要关注爆破最大峰值压力对岩体的作用，在此之后的较小的峰值压力持续作用有可能进一步催化围岩的破坏；同时，对于岩土体材料的塑性特点也需特别加以关注，不同的材料特性可能导致极大的动力响应差异。

总体来讲，隧洞壁面处的主应力峰值的应力水平偏小，加之其作用时间较短，除紧邻爆孔的壁面可能因主拉应力的作用而留有少许碎裂痕迹外，其余主应力不至造成围岩的破坏。这符合爆破施工的目的，爆炸破岩时在轮廓线附近布置的爆孔是为了形成开挖的壁面，岩石的破碎掉落情况不应延伸至预定开挖轮廓之外。而洞壁上不会出现过高主应力，主要是由于爆孔边缘距壁面有一定的距离，该距离的取值主要依靠对爆炸造成的粉碎区及裂隙区的计算与判断。

因此，在设计爆破施工中，要注意控制爆破孔之间的距离排列和开挖墙距离，以确保主应力可能导致岩石碎片不会作用于设计墙在一个大范围，以便控制超挖。同时，还应注意环上孔的间距。孔内爆炸引起破碎区岩石破碎，同时破碎区外岩体产生裂缝，形成裂隙带。爆破孔周围裂隙带贯通后，可能与完好岩体剥离，完成指定部位的开挖；较小的间距有利于隧道开挖的快速完成，但消耗炸药多。多个爆破冲击波的叠加和反射所引起的爆破振动量可能会造成不必要的岩石破碎，影响施工安全，而大间距可能会导致爆破荷载在短时间内作用难以达到岩石破碎的目的。

3.2 围岩振速动力响应分析

从掌子面爆破振动作用下围岩振动速度的角度看，振动速度沿各方向时程曲线的变化趋势随爆破加载时间的增加呈现波动和逐渐衰减的现象。因此，岩体振动主要是由爆破压力波引起的。与围岩主应力变化的时间曲线相似，炸药爆轰后800 μs内也出现较大的振动速度，而炸药爆轰后1 000 μs内爆破引起的振动速度减小到较小的值，并逐渐趋近于0。

随着爆心距的增加，掌子面处围岩依次开始出现各方向上的振动；距爆源0.1 m范围内的岩体各向振速在达到最大峰值前均出现了持续增长的现象，与主应力变化规律类似，区别于该范围外围岩的爆破振动情况。越靠近爆源的围岩的振速峰值越大，距爆源0.1 m处围岩的竖直向振动速度峰值可达到5.04 m/s、水平径向振速的最大峰值为1.94 m/s、轴向振速的最大峰值为0.65 m/s；但随着与爆源距离的增加，振速峰值的衰减也较快，距爆源0.2 m处的围岩竖直向振速峰值即已降至1.2 m/s、水平径向振速峰值降至0.12 m/s、轴向振速振速峰值则降至0.3 m/s；距爆源0.5 m以外的岩体竖直向振速峰值基本均降至0.5 m/s以下，其余两向振速则接近于0；说明振速峰值同样在距爆源较近的围岩内部衰减幅度较大。

从各方向与爆破压力的相对关系来看，垂直(径向)振动对爆破压力荷载的响应最为直观，因为垂直(径向)振动与爆破压力方向一致，水平和径向振动也占一定比例。通过比较的值随时间的变化曲线振动速度在不同的方向，可以看出，最大垂直振动速度一致的方向爆破压力加载约为5.04 m/s，而最大横向和径向振动速度方向垂直，爆破压力加载为1.94 m/s，最大轴向振动速度是0.65 m/s。

总体来讲，进行爆破施工设计时，应在相关规范中对岩体振速的相关规定的指导下进行爆孔布置及装药量的计算，避免爆孔距开挖轮廓线过近、爆孔间距过小或者爆破振动幅值过大而导致的隧洞围岩振速过大造成岩体破坏。

4 结论

岩体爆破施工主要依靠装药孔炸药爆炸产生的爆炸冲击载荷引起的岩体破碎，达到岩体开挖的目的。爆炸能量对岩体的影响一直是工程界关注的问题。本文研究了爆破荷载作用下隧道围岩破坏的动力响应。对于隧道工作面围岩，爆破振动引起的围岩主应力和振动速度随时间的增加而衰减，最大峰值通常发生在爆炸后800 μs以内；较大的峰值主要发生在爆破孔的围岩附近，爆破引起的岩体振动主要发生在爆破孔的径向方向。相应的振动速度也较大。通过对隧道围岩在爆破荷载作用下的动力响应的研究，可以进一步了解岩体爆破施工的相关知识，充分了解爆破的荷载特征和工作方法。