岩溶区小净距隧道爆破控制研究

朱洪涛

（中国葛洲坝集团路桥工程有限公司，湖北 宜昌443000）

1 研究开展情况

1.1 工程概况

隧道工程是交通工程中的重要构造物，小净距隧道以其布局紧凑的结构形式特点，能够有效解决特殊地形条件下高等级路布线需求，已经得到了广泛的应用，然而, 小净距隧道在使用钻爆法施工时爆破产生的振动对相邻隧道结构安全影响一般都比较大，特别是在岩溶地区施工，地质的不确定性可能造成更大危害, 有时甚至导致隧道坍塌。本项目以宜张高速公路第三标段所属的十三尖隧道的开挖工程为依托，隧道为小净距隧道，采用钻爆法开挖，所处的地质情况复杂，十三尖隧道开挖不到100m，便出现2 次中大型溶洞，溶洞的存在和爆破对岩溶发育处支护结构的影响是威胁围岩稳定与施工安全的重要因素，合理使用现有技术手段对岩溶发育区的爆破震害进行监控显得尤为重要。

1.2 研究方法

本课题采用室内试验、理论研究、数值分析与现场监测相结合、定性与定量分析相结合的方法。在对前人研究成果进行调查与分析的基础上，通过对围岩基本物理力学参数和动力学参数的试验，布置现场监测元件，建立数值分析模型，完成不同工况和岩溶发育条件下小净距隧道的受力与变形特征，重点研究爆破震动荷载对岩溶和中岩墙的不利影响规律，并与监测结果对比验证。

2 研究内容和成果

2.1 围岩的物理力学参数试验

围岩的物理力学参数采用现场原位试验与实验室室内试验相结合的方法进行确定，然后根据工程现场的实际情况进行适当的修正。现场试验主要进行现场直剪试验和岩体应力测试两个试验。

实验室试验主要是借助SAS-1000 型微机控制电液伺服岩石三轴试验机对围岩力学参数进行确定，最大压力高达1000kN，测量范围为0-100mm，其承压板刚度k≥5000kN/mm；其它物理参数由物理试验确定。原位试验主要是为了确定围岩岩石的抗剪强度和原始地应力，室内试验主要可以确定岩石的软化系数、密度、弹性模量、泊松比、剪切模量、体积模量、摩擦角、粘聚力、抗压强度等参数。岩石的具体物理力学参数汇总于表1。

2.2 仪表安设及数据获取

2.2.1 压力盒、多点位移计的安设

压力盒与多点位移计安设于同一监测断面，压力盒每个断面布设4 个，一个位于拱顶，其余3 个分别位于中岩墙的拱肩、拱腰和拱脚；多点位移计每个断面布置2 套，分别位于中岩墙的拱腰和拱脚（见图1）。

压力盒型号为TXR-2020，有1.0MPa 和1.6MPa 两个量程；多点位移计选用5002 型振弦式多点位移计。按计划十三尖隧道进口右布置10 个压力位移监测断面。

具体布设情况见表2。

表2 压力盒、多点位移计布设情况表

2.2.2 数据的收集与处理

由于压力盒、多点位移计数据烦多，数据之间具有一定的相似性，下面仅以十三尖隧道进口右监测断面YK79+414 为例对压力盒、多点位移计数据的收集与处理进行简单的阐述说明。

图1 压力盒、多点位移计布设示意图

监测断面YK79+414 于2014 年8 月25 日布设并开始读取数据，截止到2014 年9 月23 号得到了如下围岩压力和内部位移数据：

图2 十三尖隧道压力曲线图

2.3 爆破波数据的采集和处理

采集爆破波是为了获得围岩，特别是中岩墙在爆破波作用下的动力响应，通过对围岩在大量爆破波作用下动力响应数据的收集和处理，建立岩溶发育区小净距隧道的爆破振动BP 神经网络，从而系统的分析隧道爆破对岩溶发育区小净距隧道支护结构的影响，然后将上述结果与数值模拟得到的结果相互对比，指导隧道的下一步开挖。

采用TC-4850 型爆破测振仪采集数据，由专用软件分析处理收集到的振动波，通过分析支护体系的动力响应来评估爆破波对隧道在岩溶发育区小净距隧道支护结构的危害。截止到2014 年9 月23 日，已成功采集到爆破波16 组，其中12 组为有效爆破波，数据已初步形成系统。下面将以一组采集于十三尖隧道进口右的数据进行简单的分析说明。

表3 十三尖隧道爆破振动波收集

上面这组数据采集于十三尖隧道进口右，从数据中可以分析出在一定用药量的情况下，离爆破掌子面某一距离的支护结构三个方向的动力响应，例如三个方向的振幅，获得最大振幅的时刻，爆破波的主频等重要信息。

2.4 模型的建立

目前已初步确定所需的数值计算模型，正在进一步的完善和细化，模拟计算所需的一些主要参数也在不断整理和完善，下面将给出初步建立的模型并进行简单的解释说明。

图3 FLAC 3D 模型

初步拟定的计算区域为横向124m，竖向60m，左右两侧计算边界为4 倍左右隧道总跨度，下部边界为2 倍左右隧道总高度。单隧道跨径取11.6m，两隧道净距取14.6m，对隧道中岩墙处的网格进行了适当的加密处理，以获得中岩墙更为精确的应力应变等结果。

完成初步建模之后，便可以根据前面所得到的的围岩岩石物理力学参数进行试算，获得围岩在静力作用下的应力应变的云图等数据，并可以模拟隧道的开挖获得围岩内部的应力应变在不同阶段的变化，同时可以验证模型的合理性，不断对模型进行优化和调整。下面将展示一组十三尖隧道在自重作用下的应力应变云图，用以简单说明模型的计算过程。

图4 十三尖隧道在自重作用下的竖向应力云图

图5 十三尖隧道在自重作用下的竖向位移云图

随着围岩岩石物理力学参数的不断优化和模型的完善，将可以通过数值模拟获得围岩在不同的开挖阶段的应力应变数据，了解围岩最不利受力的位置，从而对支护结构进行优化调整。

3 研究取得的创新点

由于小净距隧道结构本身的特殊性，小净距隧道结构中岩墙厚度受到限制，无论是岩溶发育规模、空间分布属性等对隧道产生的危害，还是隧道施工爆破对围岩、中岩墙以及衬砌结构产生的影响来说，都要比分离式隧道复杂和严重得多。这在以前的研究中都是考虑某一因素的影响，而没有考虑岩溶地质条件和隧道结构特殊性的不利同时作用影响，岩溶发育条件下爆破对小净距隧道震害控制技术是本课题特色，具有创新之处。

在研究方法上，结合理论研究、试验研究、数值分析与现场监测相结合的方法，系统考虑不同工况和不同岩溶地质条件的不利组合，利用数值模拟软件FLAC 3D 的模拟计算与依托项目实际紧密结合，将结果相互印证，是本研究项目的的另一特色。