爆破荷载作用下围岩损伤范围对隧道稳定性影响分析

聂　浩

(西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031)

钻爆法凭借其施工成本低、适应性强的优点广泛应用于水利水电、交通土建的岩体开挖工程。然而在隧道掘进过程中，爆破在破碎、抛掷岩体的同时，不可避免对保留岩体产生扰动损伤，导致炮孔周围一定范围内围岩参数劣化，完整性变差，对隧道围岩的稳定产生一定影响[1]。隧道围岩的稳定性对隧道开挖工程而言至关重要，现有围岩稳定性的研究方法主要分为模拟研究、现场试验和理论研究[2]。由于理论研究的局限，而现场试验主要作为验证方法，因此以数值模拟研究为主。在现有数值模拟研究中，围岩损伤区范围的大小对隧道稳定性的影响研究相对较少，通过分析其对隧道稳定性的影响，有利于提高围岩稳定性分析中数值模拟准确性。

爆破参数的设计与施工将直接影响爆破荷载对围岩的扰动损伤程度，在不同的施工方式下围岩的损伤程度不同。本文基于光面爆破施工方式下围岩损伤情况，建立数值模拟模型，进行不同损伤情况下隧道围岩稳定性研究，分析在数值模拟过程中围岩损伤区对隧道稳定性的影响。

1　工程背景

1.1　地质概况

以济南连接线工程浆水泉隧道为依托，依据现有施工进度，选取位于里程K3+180～K3+220内Ⅲ级围岩段进行现场爆破试验与围岩声波损伤鉴定，为数值模拟研究提供依据。由地勘可知，该段围岩以灰色中风化灰岩为主，岩质坚硬不易软化，主要存在两组节理，结合较差，产状陡立，主要地勘参数为[BQ]=315，Rc=61.4 MPa，Vp=3 330 m/s，Kv=0.55。

1.2　光爆设计与施工

采用光面爆破施工，根据围岩等级确定爆破掘进进尺为3 m，掏槽孔采用矩形布置，共6对，线装药密度为0.68 kg/m，周边孔孔距控制在50～55 cm范围内，最小抵抗线为70～74 cm，周边孔采用导爆索起爆，线装药密度为0.14 kg/m，炮孔堵塞长度不低于40 cm。隧道跨度大，达19.2 m，在Ⅲ级围岩段隧道开挖断面为170.0 m2，由于隧道断面大，采用锚喷支护，隧道断面与支护见图1。

图1　隧道支护断面(单位：cm)

2　围岩损伤范围

为确定爆破掘进方式下围岩扰动损伤的范围，利用RSM-SY5(T)非金属声波检测仪，采用跨孔透射法对围岩损伤范围进行测定。根据声波探测原理，探孔需向下倾斜一定角度，使探测孔能储存足够水量。声波探测位置选在掌子面后方隧道边墙处，且沿隧道掘进方向每隔1.5 m布置一个探测孔，并分别命令为1#、2#、3#、4#探测孔(图2)。定义1#与2#探测孔之间为隧道1-2截面，依此类推。

图2　声波检测示意

依据DL/T 5389-2007《水工建筑物岩石基础开挖工程施工技术规范》中岩体损伤的定义，将波速降低10 %作为围岩损伤的临界值。由于损伤前围岩声波波速不易测量，可将探测孔底部较为稳定的声波波速作为原岩波速。利用声波探头探测不同隧道断面处距离隧道壁面不同距离时的声波波速，并进行统计可得图3。

图3　光面爆破开挖方式下波速变化

经分析，在该隧道地质条件下采用光面爆破掘进，围岩的损伤范围在20～80 cm，为便于利用数值模拟分析的方法研究损伤范围对围岩稳定性的影响，可将损伤范围确定为20 cm、40 cm、60 cm、80 cm，研究不同损伤范围下隧道开挖支护后围岩的变形与应力，进而得到损伤区范围对围岩稳定的影响。

3　模拟方案

3.1　模型建立与基本假设

Ⅲ级围岩裂隙相对较少，在此将岩体视作连续介质，而且仅考虑自重应力的影响。利用数值模拟软件FLAC3D进行模拟分析，模型尺寸为160 m×138 m×150 m(长×宽×高)，除上表面外，模型边界采用垂直于边界面的位移约束。在隧道二衬外建立一层损伤区模拟爆破开挖导致的围岩损伤，建立不同损伤区厚度的模型进行隧道开挖围岩稳定性的对比分析。围岩、损伤区与二次衬砌采用实体单元模拟，初期支护与锚杆分别采用shell结构单元与cable结构单元模拟[3]，具体开挖支护模拟图见图4。

图4　隧道开挖支护模拟

3.2　模拟参数确定

利用损伤变量进行损伤区围岩力学参数的选取[4]，岩体损伤参量的定义见下式：

式中：D为损伤参量，C与C0分别为岩体损伤前与损伤后的声波波速。为保证围岩与损伤区力学参数选取的合理性，首先根据所研究隧道里程段的地勘资料进行围岩参数的选取，模拟现行隧道开挖支护方式，结合隧道围岩变形的现场监测数据，进行围岩和损伤区力学参数的反演分析，如果通过数值分析得到的隧道围岩变形量与现场监测得到的变形量较为吻合，在许可误差范围内，就可认为围岩与损伤区力学参数选取合理。具体隧道开挖支护模拟参数见表1。

表1　隧道开挖支护模拟参数

4　数值模拟及其分析

隧道采用台阶法开挖，掘进进尺为3 m，针对初期支护紧跟掌子面的开挖支护工况，模拟计算不同损伤范围下隧道开挖引起的拱顶竖向位移、拱肩竖向位移、隧道围岩应力与围岩塑性区，通过对比分析得到围岩损伤范围对隧道稳定性的影响。

4.1　位移分析

沿隧道轴向方向开挖一定距离后，监测距离掌子面不同距离处拱顶竖向位移、拱肩竖向位移、拱腰水平收敛量，每隔1 m设置一个监测断面，提取不同断面处隧道围岩的位移见图5～图7。

图5　拱顶竖向沉降

4.2　应力分析

对隧道掌子面后1.5 m处隧道截面进行围岩应力分析，统计不同损伤范围下隧道围岩应力(表2)。

4.3　塑性区分析

隧道开挖后应力重分布可能导致围岩进入塑性状态，通过分析围岩塑性区的分布位置与塑性区大小，可得到该条件下围岩的稳定状态。通过FLAC3D模拟不同损伤范围下围岩开挖后的塑性区(图8、表3)。

表2　隧道各部位应力值　MPa

图6　拱肩竖向沉降量

图7　拱腰水平收敛量

开挖方案损伤区20cm损伤区40cm损伤区60cm损伤区80cm塑性区体积/m31.2466×1041.2746 ×1041.2875×1041.2972×104

5　结论及分析

(1)当围岩损伤区范围不同时，隧道拱顶竖向沉降、隧道拱肩竖向沉降及隧道拱腰水平收敛随损伤区范围的增大具有增大的趋势，当损伤区厚度为80 cm时，隧道拱顶最大竖向沉降为7.94 cm。

(2)随损伤区范围的增加隧道拱顶水平应力略有增加，最大应力为0.362 MPa；随塑性区的增加拱腰竖向应力增大，最大应力为3.035 MPa。

图8　不同损伤区范围围岩塑性区云图

(3)随围岩损伤区的增加隧道开挖后围岩塑性区增大，塑性区体积最大为1.2972×104m3。

综上，在光面爆破开挖方式下隧道围岩损伤范围对围岩稳定具有一定的影响，在数值模拟过程中，需考虑一定掘进方式下隧道围岩损伤范围，建立围岩损伤区，有助于数值模拟结果的准确性。