隧道开挖的围岩扰动分析及方案优化

吴向东

（保利长大工程有限公司，广东 广州 510660）

控制炸药数量和爆炸产生的能量在隧道安全生产中至关重要[1]。光面爆破是常用的爆破手段，能减轻围岩扰动，减少开挖过程中发生超欠挖的次数，保护围岩完整性，强化隧道结构安全性[2～3]。

一、工程概况

例如某高速公路施工隧道，地岩层类别为灰岩，围岩强度为Ⅳ级，采用台阶开挖法施工。隧道进口主洞起讫里程为k241+395～k243+467.5，长度为2072.5m，其中明洞为35m，Ⅴ级围岩150m，Ⅳ级围岩472.5m，Ⅲ级围岩1415m，进口段为Ⅳ级围岩；进口平导起讫里程为dk241+465～dk241+770，长度305m；1座人行横道25m。

二、计算模型

采用ANSYS-DYNA建模，LS-DYNA中有上百种本构模型，输入对应的材料参数和状态方程即可开始计算。LS-DYNA自带本构模型MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CONCRETE(JHC)常用来模拟围岩，观察围岩损伤情况和破裂过程。JHC本构模型用单元应力模拟围岩损伤情况，损炸药采用LS-SYNA中自带的炸药材料模型MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN，炸药有关参数如表1所示。岩石采用LS-SYNA中的材料模型MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CONCRETE，有关参数如表2所示。采用JWL（Jones-Wilkens-Lee）状态方程描述爆炸产生的压强为：

表1 炸药材料参数

表2 岩体参数

如式1所示，P为爆轰产生的气体压强（单位：GPa）；E为内能常数；V为相对体积；A、B、R1、R2和W为材料常数，由试验得到。此次模拟取值如表3所示[4]。

表3 炸药的JWL方程状态参数

实际工程要求，上台阶开挖炮眼布置，根据爆炸当量相同的原则，简化炮眼数量，模拟上台阶开挖时，爆破振动的传播范围及周围岩体的扰动。以此为依据，优化现有爆破方案，降低爆破振动对围岩结构整体性的破坏，同时减少超欠挖出现的次数。

采用三维计算模型，建立以Ⅳ级围岩为基础的岩体结构，模拟隧道开挖过程中，上台阶开挖爆破的效果，爆破断面面积为85.48m2，采用2号岩石乳化炸药，炮眼深度为4m。简化炮眼数量，等效换算为同质量的炸药模拟爆破效果。简化后炸药量为60.2kg。模型尺寸为400cm×200cm×40cm，模拟炮孔耦合装药，起爆位置为炸药中心，计算时间为2000μs。模型下边界不设置约束，上、左、右边界设置无反射边界条件。单元网格采用四面体自由划分，单元数量约为5万个。

三、计算结果及分析

（一）岩体损伤情况

取洞口处左、右、上3个方向共9个测点，左右两侧测点间隔50cm，洞口正上方测点间隔30cm。爆炸产生的应力波在岩层中传播，炮眼布置多分布于上半部，由于波的叠加作用，可以发现应力较大的单元主要集中在洞口正上方。岩体损伤情况多出现在岩体上半部分，且爆炸发生前段达到峰值，呈对称状分布在洞口两侧，取监测点的应力及振动速度，研究围岩在爆炸发生状态下的受力情况。

应力分布与爆心距成反比，距离爆炸中心越远，应力分布越少，衰减速度较大。爆炸振动主要发生在前2000μs，主要爆发在1/4时刻处，振动传播达到峰值。监测点以距离洞口较近处设为1，较远处设为3。

由于监测点位置不同，波在岩体中传播受岩层层理影响，所以测得洞口左右两侧数据不同，最大值约为0.2MPa～0.3MPa，最终取各方向合应力。岩石的抗拉强度远小于抗压强度，开挖过程中爆破产生的自由面使应力波在传递过程中发生反射形成拉伸波，因此围岩发生的主要破坏类型为拉伸破坏。由于两侧波的叠加作用，洞口正上方应力值略大于洞口两侧，同时，两侧波在传递过程中部分相互抵消，数值低于洞口正上方。爆炸应力波在岩石中传递，应力峰值与爆心距成反比，衰减速度也随着传播距离的增大而变快，导致距离爆炸中心越远，岩石受到的波动越小。

测点震速是监测爆破振动的有效依据，取监测点x、y、z方向各点震速，x方向震速大于其他方向，距离洞口越近，震速越大。震速主要与炸药品种、炸药量有关，应力波在岩石中传递的速度取决于介质性质，所以在同种围岩状态下，控制爆炸当量是减轻围岩扰动的关键。震速峰值出现在中段，由于顶端的放大效应，洞口上方某些测点y方向震速大于洞口附近，取合速度来代表测点实际震速。观察发现震速最大值约为2cm/s，小于安全规程要求，为了得到更好的爆破效果，需对现有爆破方案做出优化。

四、爆破方案优化

光面爆破是解决超挖的主要手段，在目前隧道开挖中应用广泛[5]。

光面爆破常常采用延时起爆，即采用周边孔与套槽孔不同的起爆时间来控制光爆层的形成，围岩与周边孔之间形成最小抵抗线，爆破效果良好，延时爆破分为毫秒延时爆破和秒延时爆破，其优点有：增强破碎作用，减小岩石爆破块度，扩大爆破参数，降低单位炸药消耗量；减小抛掷作用和抛掷距离，防止周围设备损坏，提高装岩效率；降低爆破产生的振动，避免破坏周围建筑物[6]。

根据国内爆破经验可知，相同工况下，相较于同时起爆，延时起爆能减轻约50%的振动，微差段数越多，降振效果越好。实践证明，当间隔段时间足够时，减震效果显著；间隔段时间太短时，前后爆炸产生的冲击波相互叠加，降震效果不明显。现场需按照设计方案实施分段延时爆破。

减小单段炸药量也是一种有效方法。在爆破工程中，距离爆炸中心越远，振动放大效应越明显，减小单段炸药量，增加炮孔内空气体积，产生不耦合装药效果。不耦合装药能有效降低爆生气体的逃逸速度，降低炮孔岩壁上的作用力，降低压力衰减速度，使压力曲线变得平缓，也就是减小爆炸冲击波作用于炮孔孔壁的强度、增加作用时间，从而降低炸药爆炸的冲击作用[7]。