引水隧洞断层带爆破对围岩稳定性的影响研究

刘海波,户若琪

(1.中国铁建大桥工程局集团有限公司 天津市 300300; 2.中铁建大桥工程局集团第五工程有限公司 成都市 610500; 3.陕西省岩土与地下空间工程重点实验室 西安市 710055)

0 引言

钻爆法施工爆破过程产生地震波,将引起隧道岩体的失稳[1]。为了保证隧道工程施工的顺利进行,工程技术人员和科研工作者研究了隧道工程中因爆破产生的振动效应等一系列问题。罗阳等[2]通过对小净距隧道的研究,得到了Ⅲ级围岩最大振速预测方程中的场地系数、衰减系数;彭道富等[3]提出爆破时,迎爆侧的墙壁和拱部振速最大,墙脚点振速相对较小;费鸿禄等[4]分析了边坡安全系数在爆破荷载作用,结果表明,地震波荷载作用下,随着边坡参数的减小,坡底的水平位移会增加;吴燕开等[5]运用ABAQUS有限元软件对高边坡工程爆炸过程中岩石振动效应进行研究,对边坡稳定性做出了综合评价;任永强等[6]采用数值模拟方法对爆破荷载强度进行了分析,同时将实测数据与数值模拟数据进行对比,反演爆破动力荷载并进行对比。

依托凉山州大桥水库灌区二期工程水泥厂段爆破工程,分析了爆破荷载作用在断层带时围岩的变形情况以及地表特殊点的振速和爆破的影响范围。

1 工程概况

四川省凉山州大桥水库灌区二期工程位于四川省凉山州,渠道经过冕宁县、西昌市德昌县等县市。大桥水库右干渠工程总长40.03 km,河里分支渠总长7.96 km,漫水湾右干渠109.38km,线路总长工179.70km,其中隧洞79座,总长73.3 km。水泥厂段总计2808 m,起止里程K15+318.046～K18+125.846,为大桥右干渠段最长隧洞。隧洞轴线方向S19°13′W,隧洞最大埋深379.5m,组成隧洞岩性为花岗岩、灰岩和辉绿岩。隧道进行爆破开挖,由于断层带地质条件差,爆破时易发生隧道坍塌。根据规范,水工隧道地表上方振速限值为8cm/s。

炮眼布孔方法为:掏槽眼、辅助眼、周边眼相结合,炮孔直径为38 mm;爆破材料为2#岩石销铵炸药;利用多个段别毫秒雷管实现延迟控制爆破,起爆网路采用数码电子雷管,数码电子雷管采用串联方式。表1为方桩爆破参数表。

表1 钻爆参数表

2 爆破开挖数值模拟

2.1 数值模型的构建

本次模型采用Midas GTS数值分析软件,一般影响范围为开挖直径的3～5倍,所以将模型的长和宽分别取60 m和40 m,高度40 m。为了便于计算分析,将边坡岩土体视为各项同性均匀岩质体,岩土体本构模型为Mohr-Coulomb模型。图1为隧道开挖爆破数值模型。为了避免爆破地震波在模型边界产生反射,模型的边界条件采用粘弹性边界模型。

图1 隧道开挖爆破数值模型

2.2 模型参数的选取

根据地勘报告、设计资料,并经过特征值计算后得到相应的动弹模,数值模拟的材料取值参数见表2。

表2 爆破模型参数表

2.3 爆破荷载的计算

爆破动力荷载由三角形爆破荷载模型计算确定[7-9]。每个炮孔爆破荷载峰值计算公式如式(1)所示:

(1)

式中:ρe为炸药密度,D为爆轰速度,r1为装药半径,r0为炮孔半径;le为药柱总长度;lb为炮孔深度;n为轰爆压力增大系数,通常n的取值为8～11,γ为等熵指数,当ρe<1.2 g/cm3时,γ=2.1;当ρe≥1.2 g/cm3时,γ=3。

同段位群孔起爆等效爆破荷载峰值Pb按照式(2)计算:

Pb=(2r0/a)P0

(2)

式中:α为炮孔间距;P0为单个炮孔的峰值压力;Pb为等效荷载峰值压力。

爆破荷载在岩石中的衰减规律为:

(3)

式中:Pt为炮孔壁上的爆破荷载;R为距装药中心的距离;α为荷载传播衰减指数。在冲击波作用区和应力波作用区α分别取值为:α=2+μ/(1-μ),α=2-μ/(1-μ)。

3 爆破数值结果分析

(1)爆破荷载作用下围岩位移分析

将计算所得的爆破荷载加载到模拟断面,通过数值模拟算出结果。图2(a)为破碎带围岩总体位移变形情况,如图2(a)可明显看出,断层处位移云图为倒三角形状,位移主要集中在拱腰和拱底,拱脚处位移较小。围岩最大整体位移为11.87 mm,爆破对围岩的影响占77.3%,并不会对围岩上方地表造成影响。

图2 总体位移云图

图2(b)为Ⅴ级围岩段总体位移变形情况,如图可明显看出,Ⅴ级围岩段位移云图也为倒三角形状。与断层段相比所不同的是,该三角形区域较大,说明断层带爆破时对后方围岩影响也较大,但由于支护的原因,围岩整体最大位移相对较小,最大位移为8.37 mm。

从位移云图上看地表几乎没发生变形,为了更清楚的分析爆破过程中地表的变形情况,现提取拱顶上方地表点的总体位移变形情况进行分析。如图3所示,虽然地表总体位移变化不大,但是从变化规律可看出,随着爆破的进行,地表位移变化规律基本相同,第0.2s时地表发生最大变形,随着时间的推移,地表呈现循环递减趋势。为了进一步了解围岩变化情况,还需进一步分析特定点振速变化情况。

图3 地表测点总体位移变化图

(2)爆破荷载作用下隧道的振速分析

从图4爆破振速合速度云图可看出,隧道内部振速主要集中在拱腰和拱底部位,而拱顶较小。爆破对断层影响并不是很大,影响的范围最大达到10m,超过10 m后几乎没有影响。

图4 隧道爆破振速合速度云图

由图4可知,地表最大合振速为0.13cm/s,远小于《爆破安全规程》(GB 6722—2014)中规定的振动安全阈值,所以满足规范要求。由于前面已经开挖的缘故,此断面前方振速合速度要小于后方;地表横向振速普遍小于纵向,目前来说断层带爆破对其他围岩段影响不大。

为了探明地表振速的变化过程,在隧道横向中心线上地表选取3个点;沿着隧道纵向选取3个点进行合速度分析,如图1所示。首先分析隧道横向中心线地表3个关键测点,如图5所示,2号点波峰最大,由于拱顶位置离地表最近,所以波峰也就越大;3个点的变化速率基本相同,0.5s后波速开始循环递减;2号点最大值未超过1.2cm/s,满足规范要求。

图5 地表关键测点合速度时程曲线图

分析隧道纵向中心线地表3个关键测点,如图6所示,2、4号点波峰最大,由于拱顶位置离地表最近,所以波峰也就越大;由于开挖的进行,掌子面后方的振速略大于前方,可能是由于掌子面后方开挖完成后,围岩还未完全稳定。由于2、3、4号振速相对较大,现提取该3点进行3个方向速度具体分析。分别对比三个分速度,可以发现T2和T3的速度峰值明显大于T1,说明爆破过程中,边坡主要受横、纵向振速的影响;如图7三个分速度的时程曲线所示,波峰集中在0.125～0.3s之间。

图6 地表关键测点合速度时程曲线图

图7 各分速度时程曲线图

4 结论

(1)爆破荷载作用下,隧道断层带总体位移主要集中在拱腰和拱底,而Ⅴ级围岩段拱脚位移相对较大。

(2)由于爆破面积及炸药量小,同时采用数码电子雷管能够实现延时爆破,爆破振动效应仅对隧道爆破位置四周10m范围内影响较大,超过10m后基本没影响。

(3)爆破时,地表各质点T2、T3方向的振速大于T1,说明爆破时边坡振速主要以横、纵方向为主;振速峰值集中在0.125～0.3之间。