爆破对浅埋偏压隧道稳定性的影响

    黄竹纯+秦占立

    摘要：爆破开挖由于其具有高效、快速和低成本等优点而被广泛运用于隧道开挖过程中，但是对于在围岩等级较差的偏压浅埋隧道进行爆破开挖时有可能会出现边坡失稳的情况。因此了解隧道爆破对边坡应力和变形的变化规律具有重要的现实和指导意义。

    关键词：隧道；边坡稳定性；毫秒延期爆破

    1引言：近年来，我国隧道建设进入高峰期，出现大量在建和待建的山岭隧道工程。目前我国对于山岭隧道工程的开挖绝大部分是采用爆破技术。然而，爆破振动会产生诸如爆炸应力波、爆破振动、爆破飞石等之类的有害效应[1]。特别是在不良地质条件下的偏压陡坡洞口段进行爆破开挖极有可能会引发山体滑坡、崩塌等地质灾害，严重的影响施工的安全。

    2 工程概况

    XXX隧道出口DK725+980～DK726+090段，长为110m，出口位于山体斜坡地带，坡面上陡下缓，洞内围岩等级为Ⅳ级，完整性较差，基底为燕山期花岗岩。隧道出口段存在隧道断面大、隧道埋深浅、偏压严重、围岩性质差的工程特点，属于隧道与边坡相互影响的耦合地质体系统。由于出口段斜坡坡面上陡下缓受隧道施工开挖爆破的影响，表层黏质黄土易沿开挖面剪出，引起坡面滑动。

    3 隧道爆破数值模拟分析

    3.1 计算模型

    根据XXX隧道出口段的地形、地质条件，选取典型的地形建立三维的数值分析模型。依据弹性力学[3]和岩石力学相关原理可知：隧道开挖对围岩应力状态的影响区域为隧道开挖轮廓线外3倍洞室宽度。所以模型在水平和仰拱向下的方向各取3倍洞径的距离为40m。

    3.2 爆破参数及荷载的确定

    根据工程实际情况炸药选用常用2号岩石乳化炸药。由于不同的爆破参数对爆破的结果影响很大，所以选择合理的爆破参数至关重要。文章结合现场试验情况和前人的研究结果依据爆破应力波叠加的原则[4]和萨道夫斯基经验公式[5]计算出爆破时微差间隔时间和最大段爆破装药量，并在此基础上确定相关参数如下表所示；起爆顺序按照掏槽眼-扩槽眼-内圈眼-周边眼/底眼的顺序进行。

    本文在参考美国公路研究所（National Highway Institute（US）， 1991）建议的公式基础上，考虑爆破振动衰减的退耦公式，最终使用随时间作用的动压力公式为 Starfield [5]等建议的公式。

    其中，Pdet：爆破荷载；PB：作用在孔壁面上的退耦爆破压力； Ve：爆破速度；dc：装药直径；dh：装药孔直径；Sge：容重；PD（t）：作用在孔壁上的压力是随时间变化的动力荷载；B：荷载系数，为每 1kg 装药量产生的动压力，可取16338；t：时间。

    式中：S 为相邻两炮孔间的距离。4计算結果及分析

    边坡是否会沿岩土分界面出现失稳的情况关键是分析爆破对岩土分界面上剪应力的影响，所以本文根据上文所计算的边坡在重力条件下剪应力分布结果选取3个特征点进行跟踪分析。

    4.1剪应力分布情况

    由不同特征点剪应力时程曲线图可知：由于岩体对具有应力波的衰减作用，所以随着特征点离爆破边界的逐渐距离增大，所产生的剪应力会逐渐减小。对于同一个特征点，毫秒延期起爆的方式进行隧道的开挖，在岩土体中产生的剪应力会随着不同时段和不同位置的爆破而重复的出现增强和衰减（如下图所示），当爆破结束后剪应力会逐渐消失，在扩槽眼起爆后岩土体的剪应力会达到峰值，此时边坡的最小安全系数则为1.524。

    结论：文章基于XXX出口段隧道工程，通过数值模拟软件建立了爆破荷载下隧道边坡的动力响应模型分析了爆破荷载对边坡稳定性的影响，得出了如下结论：

    岩体对具有应力波的衰减作用，所以随着特征点离爆破边界的逐渐距离增大，所产生的剪应力会逐渐减小；对于同一特征点在扩槽眼起爆后岩土体的剪应力最大。

    参考文献

    [1]张小强. 深孔台阶爆破振动对岩质边坡稳定性影响研究[D].西安科技大学，2013.

    [2]刘美山. 特高陡边坡开挖爆破技术及其对边坡稳定性的影响[D].中国科学技术大学，2007.

    [3]徐芝纶.弹性力学[ M].北京：高等教育出版社，1982

    [4]Anderson D A. Synthetic Delay Versus Frequency Plots for Predicting Ground Analysis and Discrimination [M]. New York： Washington D C，1983

    [5] 中国工程爆破协会. 爆破安全规程（GB6722-2011）