交替爆破开挖下分岔隧道中夹岩损伤特征研究

杨杭澎，俞 缙，付晓强,2，姚 玮，林聪波，常方强

(1.华侨大学 福建省隧道与城市地下空间工程技术研究中心，福建 厦门 361021； 2.三明学院 建筑工程学院，福建 三明 365004)

在公路隧道开挖施工中，钻爆法以其经济、高效、适用性强的特点得到了广泛应用，然而在开挖掘进过程中，由于炸药能量的无序释放不可避免地会对周边岩体造成一定损伤，从而导致岩体力学性能下降[1-2]。小净距隧道开挖受到施工与爆破扰动，围岩会发生数次的应力重分布，随着净距不断缩小，相互扰动变得明显，尤其在分岔隧道施工中，由于中夹岩较薄且受左右隧道交替爆破施工影响，其损伤更加显著、复杂，给工程施工及运营安全造成一定隐患。

目前，国内外学者对隧道累积损伤开展了大量研究：Mohamed等[3-5]根据岩体质点峰值振速与声波测试数据研究了多次爆破开挖下岩体累积损伤效应总结了累积损伤与爆破振速之间的规律；Yang等[6-7]通过LS-DYNA模拟了隧道全断面毫秒爆破中重复爆破荷载对围岩累积损伤的影响，对隧道损伤分布及损伤范围进行了讨论；吉凌等[8-10]采用数值模拟与现场实测相结合的方法研究了不同类型隧道损伤分布情况，上述文献表明对于隧道爆破岩体损伤问题研究是爆破科研工作者和现场技术人员关注的焦点。爆破施工对隧道围岩产生的损伤不可忽视，相关学者还对不同地质条件、结构形式下隧道围岩损伤进行了一定的研究[11-12]，但鲜有针对左右洞交替爆破开挖作用下分岔小净距隧道损伤研究。

对于小净距隧道而言，中夹岩为主要承力部位且整体性较差，探明中夹岩在交替爆破施工下的损伤规律对于保证施工安全具有重要意义。目前对中夹岩损伤研究主要采用现场监测手段进行评判，如林从谋等[13-14]通过中夹岩声波测试、爆破测振等手段对中夹岩损伤演化规律进行了研究，然而仅凭某个断面的损伤或单次爆破引起的损伤对中夹岩稳定情况进行评价明显是有失偏颇。工程实践表明小净距隧道在爆破施工扰动作用下中夹岩会产生明显的损伤效应[15-16]，中夹岩损伤是受到左右隧道爆破施工共同影响，探明交替爆破开挖条件下分岔小净距隧道损伤演化规律对该类隧道施工具有较好指导意义。

本文采用三维有限差分软件FLAC3D研究了在多次交替爆破施工下分岔隧道围岩损伤程度及分布，并着重考虑了不同施工工况对隧道中夹岩损伤演化规律的影响，最后结合厦门海沧疏港通道工程蔡尖尾山2号隧道现场声波实测结果进行了对比验证，为类似工程提供了一定科学指导和经验借鉴。

1 数值计算

1.1 计算模型

建立左洞跨度15.5 m、高9 m，右洞跨度12.3 m、高8.8 m分岔隧道，最小净距为1.22 m，采用上下台阶法开挖。围岩物理参数及爆破参数参考厦门海沧疏港通道工程项目A标段分岔隧道工程现场实际参数，具体如表1所示。

表1 岩体物理力学参数Tab.1 Physical and mechanical parameters of rock mass

模型高宽各为160 m，前后左右边界约束水平方向位移，下边界约束竖直方向位移，上部为自由边界，在进行动力计算时四周设置自由场边界，模型如图1所示。

图1 数值计算模型Fig.1 Numerical calculation model of tunnel

1.2 爆破荷载

爆破荷载模拟是爆破数值模拟计算的重点之一，目前国内外学者对数值模拟中爆破荷载施加多数为施加在炮孔上与施加在轮廓面上两种，本文主要研究爆破荷载作用下中夹岩损伤情况，不考虑炮孔布置对围岩影响，因此爆破荷载视为均匀地施加在掌子面轮廓，从而降低模型复杂度并提高计算效率。

根据Chapman-Jouguet爆轰理论[17]，耦合装药情况下，作用在炮孔壁上气体压力P0为

(1)

式中：ρ为炸药密度;D为炸药爆轰速度;γ为炸药等熵指数。

通常在柱状药包爆破情况下，岩体的粉碎区为装药半径的3倍～5倍，破碎区为装药半径的10倍～15倍[18]，视粉碎区和破碎区为爆源区域，将爆破荷载等效施加在弹性边界上，得到爆破荷载Pbe为[19]

(2)

式中:r0为炮孔半径;r1为起爆时粉碎区半径;r2为破碎区半径，μ为岩体泊松比。

将荷载等效后施加在开挖轮廓面上时，需要施加的等效荷载为

(3)

式中,S为炮孔间距，mm。

为了简化爆破荷载输入，目前国内外专家学者大多采用三角形波荷载[20]，经过计算，本文采用10 ms升压时间、90 ms降压时间，取炸药密度ρ=1 000 kg/m3、爆轰波速D=3 600 m/s、炮孔半径为40 mm、炮孔间距为200 mm、等熵指数γ=3，计算可得等效荷载峰值Pmax=45 MPa，爆破荷载曲线如图2所示。

图2 爆破荷载曲线图Fig.2 Burst load graph

1.3 损伤判定

在实际工程中，岩体作为一种脆性损伤材料内部存在大量微裂纹、微裂隙，在爆破作用下延伸、贯通从而导致强度劣化、承载力降低。在爆破荷载加载初期，岩体内部裂纹与孔隙在压力作用下趋于闭合，岩体处于弹性变形阶段未发生损伤；随着爆破荷载不断增大，岩体发生塑性应变出现损伤，研究表明岩体损伤量D是关于应变的函数，采用塑性应变定义损伤较为直观、方便[21]。

本模型采用FLAC3D7.0版本中IMASS高级应变软化模型，该模型以Hoek-Brown准则为基础，通过应变和单元相关的属性，反映了岩体发生塑性变形时体积变化影响，通常用来模拟岩体开挖引起围岩损伤，特别是由爆破引起的损伤。

IMASS通过单元体塑性应变的变化来定义损伤，即：

(4)

式中:εp为塑性剪应变;ε1,p为极限塑性剪应变。

IMASS本构所需参数主要有Hoek-Brown准则中的地质强度指标GSI(geological strength index)、材料常数mi、原岩单轴抗压强度UCS、临界塑性剪应变系数，根据现场岩体情况，由Hoek等[22]所统计的经验表可查得的mi值，地质强度指标GSI可由下式得处[23]

GSI=15Vp-7.5

(5)

式中，Vp为岩体波速。

原岩单轴抗压强度可由地质勘查报告得出，临界塑性剪应变系数通常为1，具体参数如表2所示。

表2 IMASS本构参数Tab.2 IMASS constitutive parameters

2 爆破开挖下分岔隧道损伤分布规律

分岔隧道由于其结构与常规分离式隧道不同，大断面开挖使其受力更为复杂，本节重点分析小净距隧道分岔口断面及超薄中夹岩随左右洞开挖损伤演化情况。由于隧道开挖下台阶通常装药量较小且临空面较大，故下台阶开挖时不考虑爆破荷载影响，开挖顺序为先开挖左侧主隧道。隧道支护采用C30混凝土支护，支护参数如表3所示。

表3 支护结构物理力学参数Tab.3 Physical and mechanical parameters of support structures

图3为隧道开挖模型，其中第1、2、4步为主隧道上台阶开挖，第3、5步为主隧道下台阶开挖，第6、7步为匝道上台阶开挖，第8步为匝道下台阶开挖，隧道开挖单循环进尺为2 m，截取不同开挖步施工后隧道损伤云图，如图4所示。

图3 隧道模型图Fig.3 Tunnel model diagram

开挖步1

由图4可知：受到大断面隧道空间约束影响，爆破对分岔隧道影响主要集中在中夹岩一侧，尤其是在上台阶拱腰部位，出现较大范围损伤；靠近分岔口方向的岩体损伤范围大于靠近掌子面方向岩体，究其原因主要为，由于爆破荷载较大，靠近掌子面方向中夹岩体在爆破应力波作用下，岩体受到压应力产生压剪破坏形成损伤区，而靠近分岔口方向的中夹岩体存在临空面，爆炸应力波在临空面产生反射从而引起拉应力，此部分岩体主要是受拉损伤，因此该部位损伤范围明显大于其他部位。

进一步开挖隧道探究非对称分岔隧道左右洞交替开挖对中夹岩损伤分布的影响，绘制隧道拱腰部位不同截面处中夹岩损伤变量曲线，由于靠近分岔断面附近的中夹岩体裂隙已基本贯通左右洞，故仅统计4 m后的中夹岩损伤变化曲线，图5为不同截面处中夹岩损伤变化曲线。根据DL/T 5389—2007《水工建筑物岩石基础开挖工程施工技术规范》[24]，以损伤阈值D=0.19判定岩体发生损伤，绘制损伤阈值包络线和完全损伤包络线，图6为16 m断面处中夹岩损伤包络图。

(a) 中夹岩损伤变化曲线

(a) 主隧道侧中夹岩损伤包络图

由图5可知，在经过多次爆破施工后，中夹岩损伤呈不对称“V”字分布，由中夹岩内部至轮廓线损伤逐渐增大，靠近隧道左右轮廓线位置此处岩体基本完全损伤；在14 m断面处岩体最小损伤度为0.19，说明此处岩体未发生损伤，中夹岩损伤未贯通左右洞，由此可以看出中夹岩厚度对中夹岩损伤有较大影响，爆破应力波在岩石中传递距离有限，因此无法对内部岩体造成损伤。

由图6可知，主隧道侧的中夹岩体处于90°～120°范围内岩体损伤最严重，最大完全损伤范围达到0.72 m，最大损伤范围为1.78 m；靠近匝道侧中夹岩体损伤分布较均匀，最大完全损伤范围在90°位置为0.95 m，较主隧道侧损伤范围小0.2 m，完全损伤范围集中在轮廓线附近，最大范围为0.21 m；除此以外隧道拱顶及拱底部位损伤也较其他部位损伤范围更大，但完全损伤范围并未出现扩大。

3 不同工况下中夹岩损伤影响因素分析

在实际工程中，由于隧道结构形式及现场施工条件复杂性，中夹岩损伤分布及规律可能受到多种因素的影响，本节重点研究隧道开挖进尺、左右隧道开挖错距以及开挖顺序对中夹岩损伤影响。

3.1 不同开挖进尺

通过模拟2 m、3 m、4 m、5 m四种循环进尺工况，比较其施工对围岩影响，为降低爆破应力波在分岔口断面产生拉应力对中夹岩损伤影响，取沿开挖方向4 m位置的隧道剖面进行分析，隧道左右洞开挖错距为3个开挖步，不同循环进尺条件下中夹岩损伤云图如图7所示。

由图7可以看出：围岩损伤变化主要集中在中夹岩以及拱脚部位，随着进尺的增大，中夹岩完全损伤范围越来越大，且受到隧道非对称截面影响呈倒梯形状，中夹岩柱由于其整体性较差左右受力不对称，因此损伤呈不对称且较其他部位严重，进一步地，在隧道拱脚部位完全损伤范围也出现了扩大，这种情况在进尺较大的工况下表现较为明显。

对左右洞隧道拱腰连线中点处后方岩体进行损伤统计，如图8所示。

(a) 中夹岩损伤统计图

3.2 不同开挖错距

探究在超小净距情况下左右隧道施工合理滞后距离，进一步分析中夹岩对爆破开挖步骤响应，以上下台阶同时开挖为一个施工步，模拟错距1、2、3、4个施工步中夹岩损伤情况，开挖进尺均为2 m。不同错距下中夹岩内部损伤云图如图9所示。

由图9可知，错距改变对中夹岩的影响主要在隧道拱腰即中夹岩最薄处，相较于1步错距情况，错距2、3、4步工况下中夹岩完全损伤范围分别减少了0.36 m、0.78 m、1.27 m，损伤贯通区范围也呈缩小趋势。原因在于分岔隧道小净距段中夹岩较普通小净距隧道中夹岩厚度更薄，若错距过小，中夹岩过早形成，此时先行洞掌子面仍距离中夹岩较近，中夹岩受到左右洞施工扰动较大，产生整体振动甚至出现 “鞭梢效应”导致中夹岩稳定性降低。

进一步探究中夹岩损伤随施工步变化规律，取中夹岩沿开挖方向2m距离为统计点，统计左右洞隧道拱腰连线中点损伤程度，限于篇幅，此处仅展示具有代表性错距4步结果，如图10所示。

图10 中夹岩损伤随施工步变化统计图Fig.10 The damage to the middle rock varies with the construction step

由图10可知，主隧道开挖后损伤急剧增大随后趋于平缓，在第五个施工步时测点损伤基本趋于平稳，可见在单洞施工时掌子面爆破开挖损伤影响距离在5个施工步(10 m)左右；匝道开挖后，左右隧道之间岩体形成较薄中夹岩，此时主隧道开挖产生爆破应力波将重新对该测点产生影响，在第九个施工步损伤增大了0.1个损伤度，可以判断匝道开挖后形成的中夹岩对隧道爆破开挖的响应较敏感，在实际工程中在后行隧道开挖后应该及时对中夹岩体进行支护，降低后续施工影响。

3.3 不同开挖顺序

工程实践表明后行隧道施工时对先行隧道有一定影响，由于分岔隧道截面的非对称性，左右隧道施工带来的影响也具有显著差异。本节通过模拟分岔隧道中主隧道与匝道的先后开挖顺序，分析其对隧道围岩损伤的影响。图11为不同先后开挖顺序施工工况下隧道进尺2 m处围岩损伤云图，图12为该截面中夹岩中轴线中点处损伤变化图。

(a) 主隧道先开挖

图12 不同开挖顺序下中夹岩随施工步损伤变化统计图Fig.12 A graph of the damage of the middle rock with the construction step under different excavation sequences

对比图11(a)、(b)，主隧道先开挖工况与匝道先开挖工况围岩损伤差异最大在于中夹岩与匝道拱脚部位；匝道后开挖造成的爆破及施工扰动开挖使得中夹岩上方的岩体损伤范围扩大了约1.1 m左右，由于隧道截面的不对称，主隧道开挖洞身周边岩体损伤范围较匝道损伤范围较大，在后行洞施工时使得损伤程度进一步扩大，围岩损伤更加不对称；匝道先开挖时，后行隧道施工带来的影响造成匝道右侧损伤进一步发展，较主隧道先开挖工况损伤范围扩大了约1.2 m，但洞身周边岩体损伤较小，中夹岩完全损伤分布对称性较好。

由图12可以看出，由于隧道截面尺寸的差异，在前4个施工步中，先开挖匝道产生的损伤较主隧道先开挖产生损伤小。当另一侧隧道开挖时，测点损伤程度大幅度增加，尤其是对于主隧道先开挖工况，当中夹岩形成后，仅经过6个施工步测点即达到完全损伤状态。总体而言，匝道先开挖工况中夹岩损伤程度均低于主隧道先开挖工况，且分布较对称，有利于隧道稳定性，但需要注意对匝道右侧岩体进行加固。

4 工程实例

依托厦门海沧疏港通道工程蔡尖尾山2号隧道展开现场实验，该隧道分岔段最小净距仅为1.22 m，大断面开挖跨度达30.51 m。现场采用的施工工况为主隧道先开挖，左右洞错距10 m、开挖进尺为2.2 m，现场图片如图13所示。

图13 现场施工概况图Fig.13 Site construction overview map

对现场围岩进行钻孔声波测试，测试采用ZBL—U5200非金属超声检测仪和一发双收探头组成的声波测试仪，事先在主隧道距离分岔口20 m处的中夹岩及侧面岩体打设倾角10°、孔径40 mm、深4 m的测试孔，孔间距为1 m，左右各布置测试孔，测试孔距拱脚高1.5 m，声波测试孔的布置如图14所示，在每次掘进爆破后进行声波测试。

图14 声波测试孔布置图Fig.14 Arrangement diagram of acoustic test holes

测试前先将测试孔里注满水，将一发双收探头放置孔底，测得孔底声波数据，随后按0.2 m为间隔测试不同位置声波速度，如图15、16所示，同样以爆破前后岩体声波波速变化率η>10%作为评判岩体损伤标准对损伤进行分区。

图15 中夹岩声波波速统计图Fig.15 Statistical diagram of acoustic wave velocity of intercalated rock

图16 侧面岩体声波波速统计图Fig.16 Statistical chart of the acoustic wave velocity of the lateral rock mass

由现场数据可得，在中夹岩侧距离轮廓线1.8～4 m范围内声波数据普遍高于5 000 m/s，说明此部分岩体较完整；当距离轮廓线0.5 m时已经无法测得围岩声波数据，说明接近开挖轮廓线围岩已经完全损伤，这与数值模拟结果一致，中夹岩的损伤范围在1.7 m左右，而侧面岩体损伤在1.2 m左右。

根据实际工况建立数值计算模型，取数值模拟相同断面处岩体损伤云图进行对比，如图17所示。

由数值模拟结果与现场实测结果对比可知，在经过交替爆破开挖后围岩损伤程度由轮廓线表面至围岩深处呈递减趋势；围岩轮廓线表面损伤严重，与现场实际情况相符；侧面岩体与中夹岩现场实测损伤范围分别在1.2 m、1.7 m左右，数值模拟损伤范围在1.3 m、1.8 m左右，基本与实测结果吻合，说明本文数值模拟计算结果比较准确。

5 结 论

(1) 在左右隧道交替爆破开挖作用下，爆破应力波会在分岔口断面反射产生拉伸应力从而使分岔口断面损伤更严重；隧道中夹岩损伤呈不对称“V”字分布，由中夹岩内部至轮廓线损伤逐渐增大，靠近主隧道侧损伤大于靠近匝道侧损伤；随着中夹岩厚度的增加，爆破施工对中夹岩的影响逐渐降低。

(2) 随着隧道开挖单次进尺的增加，中夹岩的损伤程度与损伤范围都出现了较大幅度的提高；增大隧道开挖错距可以降低左右洞施工对中夹岩的影响，有利于隧道稳定，在单洞施工时掌子面施工的影响距离在5个施工步左右；匝道先开挖工况中夹岩总体损伤程度低于主隧道先开挖工况，损伤分布也较对称，但匝道远离中夹岩一侧岩体损伤会出现扩大。

(3) 现场中夹岩声波探测的结果表明，受多次爆破影响中夹岩损伤范围在1.8 m左右，侧面岩体损伤范围在1.2 m左右，现场测试的岩体损伤范围结果与数值模拟计算结果基本吻合，表明本文采用的数值模型和计算方法是可行的，可为类似工程提供一定的科学指导。