基于爆破振動影響評價的深埋隧洞圍巖二次噴護(hù)時期選擇

第一作者趙振國男，碩士生，1989年生

通信作者盧文波男，博士，教授,博士生導(dǎo)師，1968年生

郵箱：wblu@whu.edu.cn

基于爆破振動影響評價的深埋隧洞圍巖二次噴護(hù)時期選擇

趙振國1,2，楊建華1,2，盧文波1,2，嚴(yán)鵬1,2，陳明1,2

(1. 武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點實驗室，武漢430072； 2.武漢大學(xué)水工巖石力學(xué)教育部重點實驗室，武漢430072)

摘要：二次噴護(hù)時期選擇是隧洞新奧法施工中的重要課題，而爆破振動對二次噴護(hù)結(jié)構(gòu)的影響是選擇時需要考慮的重要因素。結(jié)合雅礱江錦屏二級水電站4#引水隧洞爆破開挖，采用動力有限元模擬和與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對比的綜合方法，研究爆炸荷載和開挖面初始應(yīng)力瞬態(tài)卸荷耦合作用下不同齡期噴射混凝土的動力響應(yīng)。研究結(jié)果表明：對于高地應(yīng)力條件下深埋隧洞爆破開挖，爆破振動作用下混凝土噴層破壞是爆炸荷載和開挖面上初始應(yīng)力瞬態(tài)卸荷耦合作用的結(jié)果，噴射混凝土破壞以剪切破壞為主；對于1~3、3~7、7~28天齡期的混凝土噴層，距掌子面安全距離分別是24 m、13 m和9 m。建議錦屏二級引水隧洞二次混凝土噴護(hù)施工滯后掌子面6個開挖進(jìn)尺。

關(guān)鍵詞：高地應(yīng)力；噴射混凝土；爆破振動；開挖卸荷；混凝土齡期

收稿日期：2014-01-08修改稿收到日期：2014-04-16

中圖分類號:TU

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2015.07.002

Abstract:Choosing appropriate period of time for the construction of permanent shotcrete is a key subject in the New Austrian Tunneling Method (NATM), while the blasting vibration acting on the shotcrete is an important influencing factor. For the blasting excavation of the 4# diversion tunnel in the Jinping-Ⅱ Hydropower Station, dynamic responses of the shotcrete at different ages, induced by the coupling action of blasting load and transient releasing of excavation load, were investigated by the integrated use of numerical simulation and site monitoring. The results show that the shotcrete failure in blasting excavation of deep-buried tunnels is resulted from the coupling action of blasting load and transient releasing of excavation load under high ground stress. The main failure mechanism is the shear failure mode. With regard to the shotcrete at different ages of 1~3 days, 3~7 days and 7~28 days, the safety distance from the tunnel face are 24 m, 13 m and 9 m respectively. The permanent shotcrete is suggested to be constructed 6 excavation footage behind the blasting face.

Selection of spraying time for permanent shotcrete in deep-buried tunnels based on evaluation of the influence of blasting vibration

ZHAOZhen-guo1,2,YANGJian-hua1,2,LUWen-bo1,2，YANPeng1,2，CHENMing1,2(1. State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science，Wuhan University，Wuhan 430072，China；2. Key Laboratory of Rock Mechanics in Hydraulic Structural Engineering Ministry of Education，Wuhan University，Wuhan 430072，China)

Key words:high ground stress; shotcrete; blasting vibration; excavation unloading; concrete ages

隧洞新奧法施工中爆破作業(yè)與噴射混凝土施工往往交替進(jìn)行，一次爆破作業(yè)完成后，應(yīng)盡快地完成緊跟工作面的初噴混凝土作業(yè)，形成柔性薄層控制圍巖變形。爆破振動不可避免會對噴射混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。二次噴護(hù)結(jié)構(gòu)作為永久性的支護(hù)，是在一次支護(hù)的基礎(chǔ)上繼續(xù)改善圍巖的受力狀態(tài)，提高圍巖穩(wěn)定性。而在距離爆破工作面較近范圍內(nèi)的二次噴護(hù)混凝土往往受爆破振動影響發(fā)生破壞[1]。因此選擇合適的噴護(hù)時期，確定二次噴護(hù)工作面與開挖掌子面的安全距離是新奧法施工中的關(guān)鍵問題。噴射混凝土與爆破開挖關(guān)系如圖1所示。

圖1　噴射混凝土與爆破開挖關(guān)系示意圖 Fig.1 Schematic diagram of relationship between shotcrete and blasting excavation

國內(nèi)外關(guān)于爆破振動對混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響開展了較多研究： Anders 等[2]研究了混凝土噴層在P波作用下的動力響應(yīng)；易長平[3]利用波函數(shù)展開法研究了爆破地震波對圓形洞室襯砌的影響。陳明等[4]研究了爆破應(yīng)力波P波及SV波作用下隧洞混凝土襯砌的破壞模式及襯砌的安全振動速度。李寧等[5]用室內(nèi)試驗的方法研究了爆破開挖對不同齡期混凝土襯砌的影響。盡管國內(nèi)外對爆破振動對混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響有了較多的研究，但針對深埋洞室開挖面初始地應(yīng)力瞬態(tài)卸荷對混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響尚未進(jìn)行深入研究。

近年來，隨著我國“西部大開發(fā)”和“西電東送”戰(zhàn)略的推進(jìn)，擬建在建的一大批水電，交通工程常處于高山峽谷中，必然涉及高地應(yīng)力條件下地下洞室的大規(guī)模開挖。針對深埋洞室鉆爆開挖，國內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn)伴隨著巖體開挖發(fā)生的開挖面初始地應(yīng)力瞬態(tài)卸荷是誘發(fā)振動的重要因素。盧文波等[6-7,11]的研究表明高地應(yīng)力條件下深埋隧洞鉆爆開挖誘發(fā)的圍巖振動由爆破振動和巖體初始地應(yīng)力動態(tài)卸載誘發(fā)振動兩部分疊加而成；Cook等[8]研究發(fā)現(xiàn)巖體開挖過程的巖體應(yīng)力突然釋放可導(dǎo)致巖石的超松弛，并在巖體中產(chǎn)生拉應(yīng)力；Carter 等[9]的研究表明巖體的初始應(yīng)力瞬態(tài)卸荷可在圍巖中誘發(fā)動拉應(yīng)力，卸荷速率越快其誘發(fā)的拉應(yīng)力值越大；嚴(yán)鵬等[10-11]研究發(fā)現(xiàn)中高地應(yīng)力條件下爆破開挖時，地應(yīng)力的卸載過程是一個動態(tài)卸載過程，它將在掌子面附近的巖體中激起動態(tài)卸載應(yīng)力波。

基于以上研究，高地應(yīng)力條件下隧洞鉆爆開挖，開挖面的初始地應(yīng)力瞬態(tài)卸荷激發(fā)應(yīng)力波極有可能是噴射混凝土破壞的重要誘發(fā)因素，因此研究深埋洞室開挖荷載瞬態(tài)卸荷對混凝土噴護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，對提高深埋洞室支護(hù)效率和支護(hù)效果有重要意義。本文結(jié)合錦屏二級水電站深埋引水隧洞鉆爆開挖，首先通過動力有限元模擬和實測圍巖振動資料對比，證明了本次數(shù)值模擬參數(shù)的可靠性，驗證了高地應(yīng)力條件下開挖面初始地應(yīng)力瞬態(tài)卸荷是誘發(fā)圍巖振動的重要因素。在此基礎(chǔ)上通過數(shù)值模擬的方法研究爆炸荷載和開挖面初始地應(yīng)力瞬態(tài)卸荷的耦合振動下不同齡期混凝土噴層的動力響應(yīng)，最終揭示了高地應(yīng)力條件下不同齡期混凝土噴層的破壞模式和爆破振動安全距離，為選擇合適的圍巖二次噴護(hù)時期和爆破振動安全作業(yè)距離提供依據(jù)。

1開挖面初始地應(yīng)力瞬態(tài)卸荷

1.1開挖面初始地應(yīng)力的確定

理想條件下，深埋圓形隧洞全斷面分段微差爆破對應(yīng)的開挖面初始地應(yīng)力，可采用厚壁圓筒受遠(yuǎn)場壓應(yīng)力的平面應(yīng)變模型計算[12]，即

(1)

式中：λ=σH/σVηi=ri/ri-1；其中，ri和ri-1分別為第i和i-1段雷管起爆后所形成的臨時空腔半徑;Pi為與第i段微差起爆對應(yīng)的開挖荷載；下標(biāo)r和ψ分別表示徑向和環(huán)向。

對于非圓形隧洞或復(fù)雜條件下的圓形隧洞開挖，開挖輪廓面上的初始地應(yīng)力宜采用有限元等數(shù)值方法確定。

1.2開挖面初始地應(yīng)力瞬態(tài)卸荷的歷程

巖體爆破開挖過程中，裂紋首先在炮孔連線方向優(yōu)先擴(kuò)展，相鄰炮孔在極短時間內(nèi)相互貫通、巖體碎塊拋離新形成的開挖面，被開挖巖體對保留巖體的法向約束荷載將瞬間消失，即完成開挖面上初始地應(yīng)力(開挖荷載)的瞬態(tài)釋放[13-14]。根據(jù)開挖邊界上的應(yīng)力連續(xù)條件，只有在裂紋貫穿、炮孔壓力衰減至低于初始地應(yīng)力σi時，宏觀上的地應(yīng)力釋放在開挖輪廓面上發(fā)生；當(dāng)炮孔壓力降至大氣壓時，完成地應(yīng)力的同步釋放，開挖荷載瞬態(tài)卸荷歷程曲線與ti時刻后的爆炸荷載曲線重合[6,13]。與爆炸荷載耦合作用下的地應(yīng)力瞬態(tài)釋放起止時刻與變化規(guī)律由開挖面上地應(yīng)力大小和爆炸荷載變化過程確定，如圖2所示. 圖中Pb0為爆炸荷載峰值，tr為爆炸荷載上升時間，td為爆炸荷載持續(xù)時間，ti為地應(yīng)力卸載開始時刻。

圖2　爆炸荷載和開挖荷載瞬態(tài)卸荷歷程曲線 Fig.2 Curve of blasting load and transient release of excavation load versus time

將兩個相鄰炮孔取出進(jìn)行研究，如圖3所示。爆炸氣體壓力詳細(xì)的變化過程可以由炮孔空腔動力膨脹、裂紋擴(kuò)展、堵塞物沖出及爆生氣體一維非定常流動聯(lián)合計算得到[14,21]，荷載曲線如圖2。整個爆炸荷載持續(xù)時間為：

(2)

圖3　爆炸荷載持續(xù)時間計算力學(xué)模型 Fig.3 Mechanic model adopted to determine the process of blasting load

爆轟波傳播完成以后，孔內(nèi)平均爆炸荷載上升至最大值，荷載上升時間tr等于爆轟波傳播時間：

tr=L1/D

(3)

式中：L1為裝藥長度；D為爆轟速度。

根據(jù)凝聚炸藥爆轟波的Chapman-Jouguet理論，不耦合裝藥條件下的炮孔爆炸荷載峰值Pb0為:

(4)

式中：Pb0為炮孔壁上的峰值壓力；ρ0、D分別為炸藥的密度和爆轟速度；γ為等熵指數(shù)，一般取為3.0；rc為裝藥半徑；rb為炮孔半徑。

Torano等[15-16]建議將爆炸荷載等效施加在同段炮孔中心連線與炮孔軸線所確定的面上，壓力作用范圍與炮孔內(nèi)裝藥段長度相等，可以實現(xiàn)爆破振動的等效模擬。單個爆孔周圍巖體中傳播的應(yīng)力波隨距離按冪函數(shù)規(guī)律衰減[17]。若任意時刻炮孔壁上爆炸荷載為Pb(t)，對于群孔起爆的掏槽孔，等效爆炸荷載Pbe(t)為[16]

(5)

式中：k為群孔起爆時的荷載影響系數(shù)，與掏槽孔個數(shù)及炮孔分布有關(guān)；r0為炮孔半徑；r1為粉碎區(qū)半徑；r2為破碎區(qū)半徑；常規(guī)炸藥引起的粉碎區(qū)半徑r1為裝藥半徑的3倍～5倍，破碎區(qū)半徑r2為裝藥半徑的10倍～15倍[13]。μ為巖石泊松比。

開挖荷載瞬態(tài)卸荷持續(xù)的時間為爆破裂紋沿炮孔軸線貫通的時間，對裝藥段長度L1的相鄰炮，爆破開挖時巖體中初始應(yīng)力動態(tài)卸荷的時間[11]為:

(6)

根據(jù)文獻(xiàn)[18]取爆生氣體驅(qū)動裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展的速度Cf=0.25Cp。

2噴射混凝土破壞判別準(zhǔn)則

在高地應(yīng)力環(huán)境中，噴射混凝土處于三向受壓初始應(yīng)力狀態(tài)，根據(jù)應(yīng)力狀態(tài)的不同，對于距離爆破掌子面較近的噴射混凝土，受爆破開挖擾動的影響，極有可能發(fā)生拉伸或剪切破壞。

本文拉伸破壞采用最大主應(yīng)力準(zhǔn)則判斷，當(dāng)最大主應(yīng)力時程曲線的峰值σ1(t)p超過材料的抗拉強(qiáng)度σt時，發(fā)生拉伸破壞[19]，即：

σ1(t)p>σt

(7)

式中：σ1(t)p為最大主應(yīng)力時程曲線的峰值；σt為材料抗拉強(qiáng)度。

剪切破壞采用摩爾-庫倫準(zhǔn)則進(jìn)行判斷，由主應(yīng)力表示的摩爾-庫倫屈服條件為：

(8)

根據(jù)主應(yīng)力與剪切應(yīng)力關(guān)系可計算出噴射混凝土剪切應(yīng)力時程曲線，定義：

(9)

K=ccosφ

(10)

式中：σ1(t)、σ2(t)分別為最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力時程曲線，對應(yīng)與同一時刻；c、φ分別為黏結(jié)力和內(nèi)摩擦角。剪切應(yīng)力函數(shù)時程曲線峰值f(σn)p>K時表示材料發(fā)生剪切破壞；從而根據(jù)f(σn)p沿爆心距變化曲線可得到剪切破壞范圍。

3工程實例

3.1工程背景

雅礱江錦屏二級水電站引水系統(tǒng)采用4洞8機(jī)布置，4條平行布置的引水隧洞自景峰橋至大水溝，橫穿跨越錦屏山，隧洞沿線上覆巖體一般埋深1 500~2 000 m，最大埋深約為2 525 m，由于地形地質(zhì)條件復(fù)雜，隧洞埋深大，再加上構(gòu)造作用，地應(yīng)力水平極高。實測地應(yīng)力值已達(dá)42 MPa，地應(yīng)力反演結(jié)果表明引水隧洞軸線上的最大主應(yīng)力約為72 MPa，中間主應(yīng)力約為34 MPa，最小主應(yīng)力約為26 MPa。針對4#引水隧洞鉆爆開挖，由于環(huán)境限制在底板部位進(jìn)行了圍巖振動監(jiān)測，測點布置見圖4。由于掏槽段只有一個臨空面，開挖荷載最大其動態(tài)效應(yīng)最明顯，監(jiān)測結(jié)果顯示其誘發(fā)振動最大，因此本文對上半洞掏槽空MS1段爆破進(jìn)行數(shù)值模擬，炮孔布置見圖5。掏槽孔采用錐形掏槽，采取Φ32藥卷連續(xù)裝藥，炮孔直徑為42 mm。

圖4　爆破開挖振動監(jiān)測測點布置示意圖 Fig.4 Scheme of arrangement of vibration monitoring points for blasting excavation

圖5　上半洞開挖爆破設(shè)計圖(單位：mm) Fig.5 Blasting design for excavation of the upper tunnel (unit: mm)

3.2計算模型與工況

采用動力有限元軟件ANSYS/LS-DYNA進(jìn)行計算，模型尺寸123 m × 123 m× 90 m(長× 高× 寬)，有限元模型含有2 391 34個單元和252 024個節(jié)點。巖體采用8節(jié)點的SOLID164單元，為避免波形失真，網(wǎng)格尺寸從掌子面處0.5 m逐漸向外過渡，最大單元尺寸2.0 m，二次噴護(hù)后混凝土噴層厚度為20 cm，由于混凝土噴層厚度很小，采用殼單元模擬。由于僅在爆源近區(qū)的巖體會發(fā)生屈服，其余巖體中傳播的是彈性地震波，因此計算中巖體采用彈性材料。為減少動荷載作用下邊界反射波的影響，模型邊界施加為無反射邊界條件。

為揭示開挖面初始地應(yīng)力瞬態(tài)卸荷誘發(fā)振動對不同齡期的噴射混凝土的影響，計算2種工況：①只考慮爆炸荷載作用；②爆炸荷載和開挖荷載瞬態(tài)卸荷耦合作用。

3.3荷載與材料參數(shù)確定

地應(yīng)力采用1 900 m埋深條件下的地應(yīng)力場，水平向(X向)地應(yīng)力為σx=49.2 MPa，豎直向(Y向)地應(yīng)力為σy=56.9 MPa，隧洞軸向(Z向)地應(yīng)力為σz=40.1 MPa。

爆破采用密度1 000 kg/m3，爆轟波速3 600 m/s的乳化炸藥，根據(jù)式(4)和(5)計算得施加在等效邊界上的等效爆炸荷載峰值為22.2 MPa，根據(jù)公式(2)和(3)爆炸荷載上升時間1.0 ms，持續(xù)時間為8.0 ms。數(shù)值模擬中，將等效爆炸荷載直接作用在等效邊界所在的單元上[16]。

對于靜水壓力條件下的圓形隧洞，只存在正應(yīng)力的開挖卸載，為模擬開挖荷載的釋放過程可以將開挖荷載直接作用在等效邊界的單元上，但對于一般應(yīng)力條件下的圓形隧洞或非圓形隧洞，還會出現(xiàn)切向剪應(yīng)力的卸載。模擬中首先進(jìn)行有限元靜力計算得到開挖面初始應(yīng)力，將該應(yīng)力荷載轉(zhuǎn)換為等效節(jié)點反力荷載，用節(jié)點反力模擬待開挖巖體的約束作用。然后按照開挖面初始地應(yīng)力瞬態(tài)卸荷的特征荷載曲線，施加在已除去被開挖巖體的模型上，按圖2所示的荷載曲線卸荷達(dá)到模擬開挖荷載瞬態(tài)卸荷的目的[11,14]。根據(jù)公式(6)開挖荷載瞬態(tài)卸荷持續(xù)時間取為3.6 ms, 該值與巖石爆破現(xiàn)場高速攝影資料相符合[20]。

由于地應(yīng)力重分布的作用，以及爆炸荷載和開挖面上初始應(yīng)力瞬態(tài)釋放反復(fù)擾動，隧洞已開挖段洞壁表面的巖體產(chǎn)生了損傷，巖體質(zhì)量劣化，因此數(shù)值模擬中需降低洞壁表面巖體的力學(xué)參數(shù)。開挖損傷區(qū)可以大致分為內(nèi)損傷區(qū)和外損傷區(qū)，內(nèi)損傷區(qū)的特征是巖體聲波速度急劇下降，巖體滲透性急劇增加；而外損傷區(qū)則表現(xiàn)為巖體聲波速度和巖體水力傳導(dǎo)系數(shù)緩慢下降，最終接近于未擾動巖體的水平[10]。根據(jù)錦屏引水隧洞相關(guān)的聲波檢測結(jié)果，內(nèi)損傷區(qū)深度基本都在1.0 m以上，占到總體損傷區(qū)深度的50%以上。模擬中假定洞壁以內(nèi)0~1.5 m為內(nèi)損傷區(qū)，1.5 ~3 m為外損傷區(qū)。根據(jù)聲波速度與彈性模量間的彈性關(guān)系，彈性模量按表1取值。

由于地應(yīng)力水平高，需要考慮噴射混凝土的初始應(yīng)力狀態(tài)。根據(jù)有關(guān)試驗和統(tǒng)計，對直徑為13 m的隧洞而言20 cm厚的混凝土噴層提供的支護(hù)力約為1 MPa[23]。隧洞開挖后，一般是在隧洞圍巖應(yīng)力調(diào)整、產(chǎn)生一定變形后進(jìn)行噴射混凝土施工，數(shù)值模擬中采用重啟動技術(shù)進(jìn)行分步加載來實現(xiàn)這一過程?？紤]動力加載對圍巖和噴射混凝土的影響，經(jīng)試算混凝土噴層支護(hù)力達(dá)到要求且靜應(yīng)力場計算穩(wěn)定后，再施加爆炸荷載和開挖面初始地應(yīng)力瞬態(tài)卸荷，不同齡期的混凝土噴層材料參數(shù)按表2取值[4,23]。

表1　不同區(qū)域巖石力學(xué)參數(shù)

表2　噴射混凝土材料參數(shù)

4數(shù)值計算結(jié)果分析

4.1模擬數(shù)據(jù)與實測資料對比

爆炸荷載與開挖面初始地應(yīng)力瞬態(tài)卸荷耦合作用下質(zhì)點峰值值振速與實測值對比見表3，圖6給出了不同工況下3#測點(距掌子面35 m)振動模擬波形與實測波形對比。模擬結(jié)果表明：由于隧洞所處的地應(yīng)力水平較高，達(dá)到50 MPa以上，MS1段炮孔起爆時，單純爆炸荷載誘發(fā)振動小于實測值，在考慮開挖面初始地應(yīng)力瞬態(tài)卸荷后，峰值指點振動速度與頻率均與實測值吻合較好。說明：模擬方法和參數(shù)的選取具有較高可靠性；高地應(yīng)力條件下開挖荷載的瞬態(tài)卸荷是誘發(fā)振動的重要因素，在模擬參數(shù)得到驗證的基礎(chǔ)上來模擬分析兩種工況下不同齡期混凝土噴層的動力響應(yīng)如4.2節(jié)所示。

表3　爆炸荷載與瞬態(tài)卸荷耦合作用下圍巖峰值

圖6　數(shù)值模擬與實測振動速度時程曲線對比(3 #測點) Fig.6 Comparisons between simulated and monitored vibration velocity versus time curves (3 #)

4.2不同齡期混凝土噴層動力響應(yīng)

在兩種不同工況下，不同齡期混凝土噴層峰值質(zhì)點振動速度隨爆心距變化曲線見圖7，可知在同一爆心距位置，爆炸荷載誘發(fā)的振動明顯小于耦合作用誘發(fā)的振動。根據(jù)我國爆破振動安全允許標(biāo)準(zhǔn)[24]對于1 ～ 3、3 ～ 7、7 ～ 28天齡期的混凝土噴層，爆破振動導(dǎo)致破壞范圍見表4。

圖7　爆炸荷載和耦合作用下噴層峰值振速與爆心距關(guān)系 Fig.7 Relationship between the peak particle velocity of shocrete and blast center distance under blasting load and coupling effect

爆炸荷載和兩者耦合作用下不同齡期噴射混凝土應(yīng)力函數(shù)f(σn)隨爆心距變化分別見圖8和圖9，最大主應(yīng)力峰值隨爆心距變化關(guān)系分別見圖10和圖11。通過對比兩種工況下不同齡期噴射混凝土的動力響應(yīng)，可發(fā)現(xiàn)爆炸荷載和開挖面初始地應(yīng)力瞬態(tài)卸荷耦合作用下相同齡期的混凝土噴層在同一爆心距位置的動應(yīng)力波動明顯大于僅爆炸荷載作用時的情況，說明深埋隧洞開挖中，開挖面初始地應(yīng)力瞬態(tài)卸荷是誘發(fā)噴射混凝土應(yīng)力波動的重要因素。

由最大主應(yīng)力準(zhǔn)則，摩爾-庫倫準(zhǔn)則和安全振速標(biāo)準(zhǔn)得到不同齡期混凝土安全距離見表4，可看出：考慮開挖面初始地應(yīng)力瞬態(tài)卸荷和爆炸荷載耦合作用得到的混凝土噴層破壞范圍大于只有爆炸荷載作用下的破壞范圍；混凝土噴層剪切破壞的范圍更大，以剪切破壞為主；對于1~3天、3~7天、7~28天齡期的混凝土噴層，在爆炸荷載和開挖面初始地應(yīng)力瞬態(tài)卸荷耦合作用下的安全距離分別為24 m、13 m、9 m，破壞范圍隨齡期的增大而減小；考慮開挖面初始地應(yīng)力瞬態(tài)卸荷后得到剪切破壞范圍與爆破安全振速判別的破壞范圍十分接近，并與實際情況符合，而不考慮開挖面初始地應(yīng)力瞬態(tài)卸荷的情況下兩者差別較大，驗證了計算結(jié)果的可靠性，說明了高地應(yīng)力條件下開挖面初始地應(yīng)力瞬態(tài)卸荷誘發(fā)振動是噴射混凝土振動破壞的重要因素，在選擇深埋洞室二次噴護(hù)時機(jī)及安全跟進(jìn)距離時應(yīng)引起重視。

圖8 耦合振動作用下不同齡期混凝土噴層主應(yīng)力函數(shù)峰值與爆心距關(guān)系Fig.8Relationshipbetweentheprincipalstressfunctionofshocreteatdifferentagesandblastcenterdistanceunderthecouplingeffect圖9 爆炸荷載作用下不同齡期混凝土噴層主應(yīng)力函數(shù)峰值與爆心距關(guān)系Fig.9Relationshipbetweentheprincipalstressfunctionofshocreteatdifferentagesandblastcenterdistanceunderblastingload圖10 耦合振動作用下不同齡期混凝土噴層最大主應(yīng)力與爆心距關(guān)系Fig.10Relationshipbetweenthemaximumprincipalstressofshotcreteatdifferentagesandblastcenterdistanceunderthecouplingeffect

圖11　爆炸荷載作用下不同齡期混凝土 噴層最大主應(yīng)力與爆心距關(guān)系 Fig.11 Relationship between the maximum principal stress of shocrete at different ages and blast center distance under blasting load

判別標(biāo)準(zhǔn)1~3天齡期3~7天齡期7~28天齡期耦合作用爆炸荷載耦合作用爆炸荷載耦合作用爆炸荷載最大主應(yīng)力1289350摩爾-庫倫24913690振速標(biāo)準(zhǔn)241813750

5結(jié)論

為揭示深埋洞室噴射混凝土在爆破振動下的破壞特征，結(jié)合錦屏二級水電站深埋引水隧洞，通過動力有限元模擬，首先通過圍巖實測振動值與模擬數(shù)據(jù)對比驗證了模擬參數(shù)的可靠性，接著對比了不同齡期噴射混凝土分別在爆炸荷載和其同開挖面初始地應(yīng)力瞬態(tài)卸荷耦合作用下的振動響應(yīng)。得出以下主要結(jié)論：

(1)對于深埋隧洞爆破開挖，開挖面初始地應(yīng)力瞬態(tài)卸荷是誘發(fā)圍巖振動和混凝土噴層破壞的重要因素，地應(yīng)力水平較高條件下瞬態(tài)卸荷可能成為主要誘發(fā)因素，應(yīng)引起足夠重視。

(2)高地應(yīng)力條件下，在爆破施工動力擾動下，噴射混凝土剪切破壞范圍大于拉伸破壞范圍，而且破壞范圍隨齡期的增大而減小。針對錦屏二級水電站4#引水隧洞，對于1~3、3~7、7~28天齡期的混凝土噴層，安全距離分別為24 m、13 m、9 m，與實際情況相符。

(3)由強(qiáng)度準(zhǔn)則和爆破振速安全允許標(biāo)準(zhǔn)得到的噴射混凝土爆炸荷載和開挖面初始地應(yīng)力瞬態(tài)卸荷耦合作用下的破壞范圍相符，高地應(yīng)力條件下用爆破振速安全允許標(biāo)準(zhǔn)判別噴射混凝土破壞范圍時需要考慮開挖面初始地應(yīng)力卸荷的瞬態(tài)特性及其動力效應(yīng)。

(4)針對錦屏二級水電站4#引水隧洞鉆爆開挖，參考進(jìn)尺深度取為4m，建議二次混凝土噴護(hù)施工滯后掌子面6個開挖進(jìn)尺。

數(shù)值模型很難全面反應(yīng)復(fù)雜的地質(zhì)條件，模擬參數(shù)選取時偏向安全性，如噴射混凝土參數(shù)，及其承受圍巖壓力等，因此要想得到更合理的噴護(hù)時期，需要結(jié)合豐富的實測數(shù)據(jù)完善模型。本文僅初步探索了深埋隧洞開挖面初始地應(yīng)力瞬態(tài)卸荷誘發(fā)振動對噴射混凝土的影響，其影響機(jī)理需要進(jìn)一步研究，具有重要工程意義。

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