层状岩体隧道稳定性及控制爆破技术研究

文／沈业仓、徐品德、张鹏、王丙辉 核工业金华建设集团有限公司 浙江金华 321001

引言：

目前隧道掘进主要采用的是光面爆破技术，该项技术除了能够使隧道附近构建出光滑轮廓以外，对隧道围岩不会造成明显的破坏，从而确保围岩的承载力达到理想的要求。不过在层状岩体采取隧道爆破开挖时，会因层面而导致围岩具有明显的异性，且还会使围岩具有不连续性，在爆破过程中形成爆破气体，其会顺着较弱的层理面扩散，从而使岩层剥落，断面无法呈现出此前已经设计完成的断面形状，由此引发超欠挖情况[1]。除了会浪费大量的支护材料以外，还会给围岩造成明显的损坏。

浙江省兰溪市横溪镇钱宅矿区矿地综合开发利用项目隧道工程，隧道洞身为白垩纪下统寿昌组安山玢岩，节理裂隙较发育，岩体破碎，为中风化岩体，呈裂隙块状或中厚层状结构，围岩自稳能力较差，隧道开挖易松动、破裂导致坍塌、掉块等，为Ⅳ级围岩。

本文在不考虑断面尺寸形状以及其他地层构造影响，仅针对理想状态下的同一围岩结构，通过数值计算和钱宅矿区隧道工程现场测试的方式着重研究层状岩体隧道稳定性及控制爆破。

1.层状围岩隧道稳定性数值分析

1.1 不同岩层倾角层状岩体隧道数值统计

1.1.1 围岩变形分析

通过对表1 的分析可得：

表1 不同倾角条件下隧道围岩变形 单位：mm

（1）若岩层角度是0°，那么最高竖向位移值会处在仰拱底处，而若岩层角度达到90°的情况下，最高竖向位移就会处于拱顶位置。

（2）岩层倾角越大，那么拱顶下沉的程度就会降低，当岩层倾角是0°的情况下，隧道开挖的拱顶沉降会达到12.31mm；当岩层倾角是90°的情况下，拱顶沉降会达到9.75mm，从中了解到，下降了21%；岩层倾角越大，仰拱底部隆起值就会越小，岩层倾角是0°的情况下，仰拱底部隆起值是13.73mm，仰拱底部隆起值在岩层倾角是90°的情况下会达到9.32mm，降低了1.43 倍。

（3）隧道开挖时，其附近变形情况会因岩层倾角而产生较大的差异。一是会使隧道附近变形分布情况会从水平岩层的对称分布转换成不对称分布；此外，各倾角会呈现出各自的变形量，在岩层倾角增加的情况下，水平收敛会表现出先增大再下降的现象，当岩层倾角达到30°后为最大。隧道开挖的水平收敛会在岩层倾角为0°的情况下达到6.85mm，当倾角是30°的情况下，会增加到8.15mm，然后就会降低，水平收敛会在倾角是90°的情况下会达到6.27mm，与最大收敛值比较，降低了1.88mm。

1.1.2 围岩应力分析

（1）隧道开挖的水平应力和竖向应力会受到岩层角度的影响，和层理面会处于几乎平行的状态。

（2）各种岩层倾角会让围岩最大主应力分布在相应的位置，同时会形成不同的大小。当岩层角度是0°和90°的情况下，最大水平应力会在左右墙脚处周围，当是0°的情况下，最大竖向应力会处在左右墙脚位置，当是90°的情况下，竖直应力全部处在左右边墙周围，在岩层角度使30°和60°的情况下，最大水平应力和竖向应力全部处在左右墙脚位置周围[2]。

1.1.3 支护结构受力对比

（1）在岩层角度是0°和90°的情况下，支护结构所受轴力和弯矩会形成对称分布；在岩层倾角是30°和60°的情况下，衬砌轴力和弯矩图形不会形成对称。

（2）支护结构的特征点所受轴力值和弯矩值会由于岩层倾角的加大而变大，在岩层倾角达到90°的情况下，特征点轴力和弯矩值会逐步降低。

1.1.4 塑性区对比

围岩塑性区分布形状会在各种岩层倾角下形成明显的差异。在隧道的顶部、两侧等处会因水平层状围岩而产生塑性变形，会加大仰拱隆起的概率；岩层围岩的倾角是30°的情况下，塑性变形会朝着倾角处延伸，塑性区处于隧道两端，则会朝着岩层走向发展；层状围岩是90°的情况下，塑性区会延伸至拱部，会处在隧道两端边墙至拱腰处，体现出剪切破坏的特点；层状围岩是90°的情况下，隧道两端边墙区会产生较大的塑性变形，会加大发生边墙弯曲的概率。

1.2 不同岩层厚度层状岩体隧道数值统计

1.2.1 围岩变形对比分析

通过对表2 的分析后可得：

表2 不同岩层厚度条件下隧道围岩变形 单位：mm

表3 围岩及炸药物理学力学参数取值表

（1）岩层厚度对隧道开挖后围岩位移的趋势相同，不会决定隧道水平方向位移变形情况，不过却会关乎到竖向位移变形。

（2）岩层厚度改变的情况下，最大竖向位移会处于拱底处，最大水平位移会全部处于左右边墙位置；和水平位移相比，竖向位移值要更大，层厚和竖向位移、水平位移呈反比例关系；而岩层厚度加大，两方向变形都会慢慢的降低。

1.2.2 围岩应力分析

进行隧道开挖，拱顶和拱底会产生拉应力，其范围和层面厚度呈反比例关系。岩层厚度达到0.2m 的情况下，拱顶以上1.8m 与拱底以下3.4m 处会产生拉应力，在岩层厚度达到0.35m 的情况下，只是在拱顶0.2m 处首层和拱底1.6m 处形成拉应力。这充分证明顶板围岩是否稳定，主要取决于岩层是否有足够的厚度[3]。

1.2.3 锚杆轴力对比

（1）对于水平层状围岩来讲，在隧道开挖期间，拱部锚杆所受轴力值最大，而边墙处锚杆受力不大，这就证明在近水平层状岩体里，拱部锚杆可达到理想的支护效果；通常锚杆中间位置的应力值最高，在往两侧后会慢慢变为0，符合锚杆的中性点理论。

（2）岩层厚度和锚杆所受轴力呈反比例关系，这充分证明围岩条件相同的情况下，围岩的稳定性主要取决于岩层厚度。

1.2.4 塑性区对比

岩层厚度会关乎到围岩塑性区的分布情况。尽管岩层厚度不一样，不过屈服区产生的部位则较为类似，基本处于拱顶、边墙和墙脚处。同时，岩层厚度在加大的情况下，塑性区范围会逐步缩减。塑性区发生部位也是应力集中的敏感部位，因此务必要实施特别处理。

2.层状岩体隧道爆破控制技术

2.1 层状结构对爆破的影响

2.1.1 层状结构对爆炸应力波的影响

岩体里的炸药引爆以后，爆炸应力波会向岩体里扩散，这主要是因为岩体的不连续性所导致。岩石里的瞬间波无法穿越具有空气的裂缝，只能绕开。接下来围绕平面弹性应力波在各种介质界面传播规律，对应力波在层状围岩爆破中的传播规律进行分析。

图1 应力波入射节理示意图

其中P1Cp1、P2Cp2代表的是结构面两侧介质的波阻抗，oi、or、ot依次是射波、反射波与透射波的应力幅值，Vr、Vi反射波与透射波在传播介质里引起的质点位移速度，A-A 代表的是节理界面，也就是岩石（P1Cpt）和充填介质（P2CP2）的交界面。在入射压力波（oi，Vi）遭遇A-A界面后，一些会透射进充填介质（oi，Vi）里，一部分反射回原岩（oi，Vr），通过推导后得出：

or=P2CP2-P1CP1/P2Cp2+P1Cpt

Ot=2P2Cp2/P2Cp2+P1Cp1

（1）若层理面里充填物是密实介质的情况下，P1Cp1=P2Cp2，通过对or=P2CP2-P1CP1/P2Cp2+P1Cpt、Ot=2P2Cp2/P2Cp2+P1Cp1的分析后能够了解到，or=0，ot=oi。在此状况中，应力波会经节理面渗进充填介质。不过考虑到应力波在层理面进行传播期间，会出现逸散情况，使应力波强度变低。

（2）层理面充填物和岩体结构不相符的情况下，也就是P2CP2≠P1Cp1，就证明在A-A 位置不但存在透射压力波，同时也存在反射拉力波。在反射好入射的互相影响下，可使与饱孔一端节理面范围里的碎石加大，结果会在节理面的另一面产生大块碎石。

（3）在层理面具有水的情况下，状况没有多大区别。但受水的影响，使得岩石颗粒的粘结力和强度明显下降。水还可起到对爆炸能量吸收的作用，同时参与炸药反应，从而让炸药变为负氧平衡，形成大量有害气体。爆炸能量越低，破岩效果就越不理想。

2.1.2 层状结构对爆轰气体的影响

层状围岩具有层面，导致围岩具备具有相异性，在此围岩里采取光面爆破，会导致爆生气体顺平行层面往外溢，从而减弱爆破能量，这样一来就会使岩体里的爆破能量分布不均，此外还会因节理面而导致应力波反射、透射，进而不断冲击岩体，最终导致岩体变形。

2.2 层状岩体隧道爆破数值模拟

2.2.1 创建模型

（1）运算范围和运算工况

从动力载荷的角度上来讲，为能够节省研究时间，通常所创建的运算模型不会太大，可取隧道附近水平方向60m，竖直方向50m 即可。对IV 级围岩进行分析，通过相同岩层厚度，各种岩层倾角来予以研究。

（2）运算参数

通过查找有关文献，了解到模型运算参数为：

2.2.2 爆破载荷运算

对IV 级围岩予以爆破载荷运算，其中爆孔和炸药直径分别为42mm 和25mm（周边眼采用小药卷）。

（1）单段爆压峰值运算

在该公式里，Pb代表的是最大爆轰压力，单位是Pa；P 代表的是炸药密度，单位是kg/m3。V 代表的是炸药爆速，单位是m/s。

（2）单孔爆孔壁压力峰值

在公式里，Cp代表的是岩石纵波波速，单位是m/s；P0代表的是岩石密度，单位是kg/m3。

（3）单孔不耦合间隔装药孔壁压力峰值为：

d 代表的是炸药直径，单位是m；D 代表的是爆孔直径，单位是m；n 代表的是柱状装药系数；v 代表的是气体多方指数；N 代表的是单个爆孔的药卷个数，通过装药量进行运算；

AO代表的是药卷横断面积，其中；AL 代表的是爆孔横断面积，AL=πD2/4；l 代表的是药卷长度；L 代表爆孔深度。

（4）传递至隧道开挖岩壁的爆破载荷压力峰值

因不同爆孔间存在不同程度的距离，所以孔壁最大爆破压力峰值均布到爆孔连心线上的均布压力为：

在公式当中，J 代表的是爆孔连心线距离，单位是m。

（5）爆破载荷时程曲线

n、m 代表无量纲和阻尼参数，其会关乎到爆炸脉冲的起始位置与脉冲波形。其中n 的值为0.055，m 的值为0.035。

W 代表的是介质的纵波波速和爆孔直径函数，也就是：

Po指的是在t=tR的情况下，f(tR)就是1.0 的常数，则

tR代表的是脉冲的起始时间，属于n、m 与W 的函数：

把上面的所有运算参数全部套到里，能够了解到，在设计爆破参数条件下作用于隧道壁面位置的爆破载荷时程函数。如图2 所示。

2.2.3 边界条件

为了能够最大程度的降低爆破地震波的反射影响运算结果，需在模型两端和底部建立静态边界。

2.3 结果分析

（1）通过爆破载荷，在不同岩层倾角中围岩在振速、加速度都体现出了方位性的特点，而无论是拱顶还是拱腰，均为竖向，而拱脚则是水平向，和竖向相比，其下降速度更快。

（2）在不同岩层角度中，水平振速最快的是拱脚，其次是拱腰，最后是拱顶。倾斜岩层的水平振速并不对称，和对称的右拱腰和右拱脚振速相比，左拱腰和左拱脚振速更慢；岩层角在0°到90°的情况下，竖向振速最快的是拱顶，其次是拱腰，最后是拱脚，当岩层角度是30°和60°的情况下，左拱腰大于拱顶大于右拱腰大于左拱腰大于右拱脚。

（3）岩层倾角处于水平状态的情况下，当轮廓爆炸时，拱顶、拱腰很有可能失去稳定性，发生超挖的情况，而边墙处就会比较平稳，不过很容易发生欠挖的情况。在爆破期间要降低拱部附近的药量；在岩层角度是30°和60°的情况下，左拱腰处很有可能发生超挖情况，在岩层角度是60°的情况下，左拱腰位置的超挖量要比岩层角度多；在岩层角度是90°的情况下，拱腰和拱脚处很有可能发生欠挖的情况。

结语：

层状围岩的层面除了会让围岩具有明显的异性以外，还会导致围岩不具备连续性。在层状岩体里施工隧道期间，很有可能发生围岩变形的情况。而本文就主要是通过数值计算和现场测试的方式着重研究了层状岩体隧道稳定性及爆破控制技术[4]。通过本文的研究，可为层状岩体隧道爆破的安全性提供有价值的参考依据。