隧洞爆破開(kāi)挖圍巖損傷閾值

劉智振， 趙海龍， 于明亮

（湖南科技大學(xué)能源與安全工程學(xué)院， 湖南　湘潭　411201）

隧洞爆破開(kāi)挖圍巖損傷閾值

劉智振， 趙海龍， 于明亮

（湖南科技大學(xué)能源與安全工程學(xué)院， 湖南湘潭411201）

以臺(tái)山核電站取水隧洞爆破掘進(jìn)工程為實(shí)例，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)爆破振動(dòng)試驗(yàn)及監(jiān)測(cè)、現(xiàn)場(chǎng)聲波試驗(yàn)，結(jié)合動(dòng)力有限元軟件ANSYS/LS-DYNA對(duì)爆破開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行模擬。采用智能爆破測(cè)震儀TC-4850監(jiān)測(cè)得到了隧洞爆破時(shí)巖石質(zhì)點(diǎn)爆破震動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)峰值震動(dòng)速度、震動(dòng)速度主頻。提出以爆破振動(dòng)速度表征的臺(tái)山核電站取水隧洞爆破掘進(jìn)圍巖損傷安全閾值，即將距離爆源20m處質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度峰值控制在1.5cm/s以?xún)?nèi)來(lái)確保爆破對(duì)圍巖的破壞。

圍巖損傷爆破震動(dòng)數(shù)值模擬安全閾值

在隧洞爆破掘進(jìn)工程中多數(shù)情況下，對(duì)于爆破荷載作用下所產(chǎn)生的掩體累計(jì)損傷效應(yīng)被忽略[1-2]，然而在爆破開(kāi)挖時(shí)爆炸荷載對(duì)圍巖的損傷是顯而易見(jiàn)的[3]。國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者研究了爆炸荷載作用下巖石裂紋擴(kuò)展和損傷問(wèn)題[4-8]。不管爆破方法的控制方式有多好，爆破設(shè)計(jì)多么仔細(xì)，爆破沖擊荷載對(duì)隧洞開(kāi)挖以外的圍巖損傷總是不能被完全消除，只能減弱[9]。另外，與開(kāi)挖面相鄰的巖體屈服以及朝外擴(kuò)展是由開(kāi)挖輪廓線(xiàn)以外的圍巖應(yīng)力重新分布引起的，同時(shí)開(kāi)挖損傷區(qū)是由于圍巖應(yīng)力的重新分布產(chǎn)生的圍巖屈服擴(kuò)展造成的[10]。處于高應(yīng)力環(huán)境的圍巖開(kāi)挖相對(duì)應(yīng)的應(yīng)力路徑對(duì)開(kāi)挖損傷區(qū)的影響是非常重要的[11]。連續(xù)爆破引起的爆炸地震波會(huì)使掘進(jìn)面后面一定范圍內(nèi)的隧洞圍巖產(chǎn)生連續(xù)損傷，在一定范圍內(nèi)威脅隧洞圍巖的穩(wěn)定和安全，所以要加以控制[12]。在多次爆破動(dòng)載作用下，掘進(jìn)面后方隧洞圍巖會(huì)產(chǎn)生損傷累積，如果達(dá)到一定程度就會(huì)破壞圍巖穩(wěn)定[1，13-14]。這就要對(duì)爆破開(kāi)挖圍巖損傷的安全閾值進(jìn)行研究，給出一個(gè)相應(yīng)的閾值來(lái)控制后方隧洞圍巖的穩(wěn)定。

1　隧洞開(kāi)挖圍巖損傷機(jī)理

巖石爆破破碎機(jī)理三種假說(shuō)[15]：

1）應(yīng)力波反射拉伸破壞理論。該理論認(rèn)為炸藥爆炸產(chǎn)生的爆炸應(yīng)力波在巖石中傳播時(shí)，會(huì)在經(jīng)過(guò)巖石中的原生裂隙的自由面時(shí)產(chǎn)生反射波，反射應(yīng)力波從之前的壓縮波變?yōu)槔觳?，巖石受到拉應(yīng)力波的作用時(shí)產(chǎn)生破壞。

2）爆生氣體膨脹破壞機(jī)理。該理論認(rèn)為炸藥爆炸產(chǎn)生的大量膨脹氣體使得巖體內(nèi)的裂隙尖端繼續(xù)擴(kuò)展，當(dāng)裂隙擴(kuò)展遇到自由面時(shí)巖體破碎。

3）應(yīng)力波和爆生氣體膨脹壓力聯(lián)合作用理論。該理論認(rèn)為巖石爆破中炸藥爆炸對(duì)巖石的破壞作用石油炸藥在爆炸是生成的爆炸沖擊波與爆生氣體聯(lián)合作用的結(jié)果。

2　隧洞爆破掘進(jìn)圍巖損傷數(shù)值模擬

研究隧洞爆破開(kāi)挖對(duì)圍巖損傷的安全閾值的主要目的是在隧洞掘進(jìn)過(guò)程中減小爆破對(duì)圍巖的損傷。關(guān)于巖石爆破損傷過(guò)程的主要假說(shuō)是膨脹氣體壓力和反射拉伸波共同作用。此處將工程現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)與理論和經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的數(shù)值相結(jié)合進(jìn)行數(shù)值模擬。

本次模擬采用有限元程序ANSYS/LS-DYNA，該程序能夠模擬顯示動(dòng)力非線(xiàn)性真實(shí)巖體爆破的各種復(fù)雜問(wèn)題，特別適合求解非線(xiàn)性結(jié)構(gòu)的爆炸動(dòng)力沖擊問(wèn)題。

2.1LS-DYNA程序計(jì)算原理

2.1.1控制方程

模擬用到的算法為L(zhǎng)agrangian增量法，用此種計(jì)算方法時(shí)本次設(shè)定始位點(diǎn)坐標(biāo)為Xi（i=1，2，3），那么在往后時(shí)刻t的坐標(biāo)用Xj（j=1，2，3）表示，則此點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方程為：

考慮本次實(shí)體單元的計(jì)算，程序采用具有運(yùn)算速度快、精度高并且可以更好地解決高速碰撞和應(yīng)力波傳播的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的八節(jié)點(diǎn)六面體實(shí)體單元。

2.1.2時(shí)間積分和步長(zhǎng)控制

考慮到阻尼影響，LS-DYNA程序的運(yùn)動(dòng)方程變?yōu)椋?/p>

式中：M為總體質(zhì)量矩陣；P為總體荷載矢量；F為等效節(jié)點(diǎn)矢量組集；H為總體沙漏黏性阻尼力；C為阻尼系數(shù)矩陣。

2.1.3單元積分簡(jiǎn)化與沙漏控制

將非線(xiàn)性動(dòng)力分析程序運(yùn)用于工程計(jì)算最大的缺點(diǎn)就是耗時(shí)過(guò)多。為了解決耗時(shí)過(guò)多問(wèn)題，對(duì)積分單元進(jìn)行簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化之后對(duì)于處理大變形分析也產(chǎn)生了明顯的效果。

沙漏模態(tài)就是指在積分時(shí)通常會(huì)引起極大震蕩甚至?xí)霈F(xiàn)計(jì)算機(jī)無(wú)法對(duì)應(yīng)變能的某些位移模態(tài)，而由此引發(fā)的結(jié)果就是導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果無(wú)效。因此，LS-DYNA程序控制零能模式的方法就是采用沙漏阻尼。

2.1.4材料模型和應(yīng)力計(jì)算

為了更適合爆破沖擊荷載，本次研究選擇了塑性隨動(dòng)強(qiáng)化模型，當(dāng)爆破沖擊荷載作用于材料結(jié)構(gòu)時(shí)，材料會(huì)發(fā)生快速變形。且大量實(shí)驗(yàn)表明靜態(tài)屈服應(yīng)力遠(yuǎn)小于動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力。二者關(guān)系如下：

式中：σy為動(dòng)態(tài)極限屈服應(yīng)力，N；σs為靜態(tài)極限屈服應(yīng)力；N；ε為應(yīng)變率；C、D均為與材料相關(guān)的系數(shù)。

本次研究的巖石基本力學(xué)特性如表1所示。

表1　巖石基本力學(xué)特性參數(shù)

2.1.5算法選取

利用LS-DYNA提供的Lagrange算法，炸藥的單元采用ALE算法。

2.1.6狀態(tài)方程和本構(gòu)方程的選取

炸藥材料模型一般采用線(xiàn)彈性模型輸入炸藥，爆生氣體壓力—體積關(guān)系狀態(tài)方程JWL為：

式中：A、B、R1、R2、ω均為材料常數(shù)；E0為初始內(nèi)能；P為炸藥產(chǎn)生的爆轟壓力；V為爆轟產(chǎn)物的相對(duì)體積。

本次研究所使用的炸藥參數(shù)如表2所示。

表2　炸藥參數(shù)

2.2數(shù)值模擬

本次模擬根據(jù)臺(tái)山核電站爆破現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際參數(shù)建立模型。炸藥采用二號(hào)巖石乳化炸藥，密度為1 100 kg/cm3，因?yàn)楣こ态F(xiàn)場(chǎng)隧洞是直徑為3 m的類(lèi)圓形淺埋隧洞，所以不考慮地應(yīng)力的影響。在本次模擬中對(duì)于巖石和炸藥均使用非線(xiàn)性塑性材料模型，對(duì)于空氣采用NULL材料模型，用于堵塞炮孔的炮泥采用5號(hào)泡沫材料模型MAT-SOIL-AND-FOAM。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，模型大小是隧洞跨度的3倍以上，所以取模型長(zhǎng)35 m、寬15 m、高15 m，數(shù)值模擬模型如圖1所示。為使模擬更真實(shí)，進(jìn)行多炮孔模型模擬，分六個(gè)炮孔裝藥，在模型的空間離散化模型上使用六面體單元，模型周邊條件全部設(shè)定為透射條件來(lái)體現(xiàn)模型外無(wú)限大空間，上下邊界對(duì)稱(chēng)約束，前后采用全位移約束。

圖1　數(shù)值模擬模型

在離炸藥中心10 m（A）、15 m（B）、20 m（C）位置監(jiān)測(cè)巖石質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)速度時(shí)程曲線(xiàn)如下頁(yè)圖2所示。

從圖2中可以看出：各個(gè)點(diǎn)的最大壓力值出現(xiàn)的時(shí)間點(diǎn)不同，而且最大壓力值隨著距爆心距的增加呈現(xiàn)出衰減趨勢(shì)；在壓力相同的情況下，距離不同，巖石質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)峰值出現(xiàn)的時(shí)間點(diǎn)不相同，隨爆心距的增大呈現(xiàn)出衰減趨勢(shì)?？梢?jiàn)，壓力值與震動(dòng)峰值隨距離的增加，衰減的速度隨之下降，在距離炸藥近的地方衰減速度很快，距炸藥遠(yuǎn)的地方衰減速度慢。根據(jù)模擬結(jié)果可知其符合爆破震動(dòng)波傳播和衰減規(guī)律。通過(guò)圖2中幾個(gè)點(diǎn)的巖石最大壓力值和此時(shí)巖石質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)峰值，結(jié)合相關(guān)計(jì)算公式可計(jì)算出施工現(xiàn)場(chǎng)在模擬中的圍巖損傷范圍。在距掘進(jìn)面20 m處，即振動(dòng)速度為1.39 cm/s時(shí)，計(jì)算出隧洞輪廓圍巖損傷范圍約為1.97 m。

圖2　質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)速度時(shí)程曲線(xiàn)

3　工程實(shí)例

臺(tái)山核電站發(fā)電機(jī)組冷卻用水應(yīng)急隧洞整體貫穿于第四系礫質(zhì)黏性土層，為中等風(fēng)化花崗巖層，局部較破碎。隧洞總體長(zhǎng)度約為400 m，貫穿的山體非常陡峭，地表水系不發(fā)育。

3.1隧洞施工介紹

隧洞施工全程為新奧法施工，采用光面爆破法爆破炮孔布置。掏槽方式采用垂直楔形掏槽。周邊眼裝藥結(jié)構(gòu)為間隔裝藥，全部使用Φ25 mm的乳化炸藥，將裝藥集中度控制在0.15～0.25 kg/m，起爆網(wǎng)絡(luò)采用導(dǎo)爆索傳爆。對(duì)于其他孔采用Φ32 mm的乳化炸藥。

3.2測(cè)點(diǎn)布置

本次現(xiàn)場(chǎng)爆破震動(dòng)試驗(yàn)和監(jiān)測(cè)全部采用由成都中科測(cè)控有限公司生產(chǎn)的最新一代智能爆破測(cè)震儀TC-4850。臺(tái)山核電站冷卻用水應(yīng)急隧洞爆破震動(dòng)監(jiān)測(cè)布置了三個(gè)測(cè)點(diǎn)，見(jiàn)圖3。1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)測(cè)點(diǎn)分別被布置在距爆破點(diǎn)直線(xiàn)距離10 m、15 m、20 m處，監(jiān)測(cè)儀均被布置在底板平整的巖石地基上。測(cè)點(diǎn)不隨掘進(jìn)面的推進(jìn)而移動(dòng)。

3.3監(jiān)測(cè)結(jié)果

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)爆破施工時(shí)各次爆破震動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果，可從質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)速度曲線(xiàn)得到隧洞爆破時(shí)巖石質(zhì)點(diǎn)爆破震動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)峰值震動(dòng)速度、震動(dòng)速度主頻等。現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)點(diǎn)最大震動(dòng)速度和主震動(dòng)頻率監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。

圖3　測(cè)點(diǎn)布置圖

表3　爆破試驗(yàn)爆破峰值震動(dòng)速度和主頻監(jiān)測(cè)結(jié)果

從表3可得，由爆破震動(dòng)引起的質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)速度峰值水平方向上的值要小于垂直方向，水平方向質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)峰值衰減的速度小于垂直方向。

3.4安全閾值

一般認(rèn)為，高于某一閾值的震動(dòng)速度才對(duì)圍巖損傷度產(chǎn)生累積效應(yīng)，當(dāng)測(cè)孔處震動(dòng)速度衰減值在這一閾值以下時(shí)，累積效應(yīng)不明顯。由前面模擬以及工程實(shí)測(cè)可知，隨著爆心距的增大，隧洞測(cè)孔處的震動(dòng)速度衰減到1.5 cm/s以下時(shí)，測(cè)孔處聲波波速不再變化，在本工程中可將震動(dòng)速度1.5 cm/s視為震動(dòng)累積損傷閾值。為確保在連續(xù)爆破過(guò)程中爆炸荷載對(duì)圍巖的累積損傷對(duì)隧洞圍巖穩(wěn)定性造成較小破壞，通過(guò)控制距隧洞掘進(jìn)面20 m處質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)速度峰值不超過(guò)1.5 cm/s來(lái)保證其被弱破壞或不被破壞。距爆源20 m處安全閾值示意圖如下頁(yè)圖4。

4　結(jié)論

1）隧洞爆破開(kāi)挖時(shí)掘進(jìn)面后方圍巖損傷主要是爆破對(duì)圍巖產(chǎn)生的初始損傷。但在連續(xù)爆破作用下，后方一定范圍內(nèi)的隧洞圍巖會(huì)受到爆破地震波的累積損傷。

2）模擬得出：爆破過(guò)程中震動(dòng)速度和應(yīng)力快速傳播，通過(guò)開(kāi)挖輪廓面后繼續(xù)向后方圍巖內(nèi)傳播并且隨著時(shí)間和距離的增加而快速衰減，當(dāng)在距掘進(jìn)面20 m的后方圍巖處累積損傷接近穩(wěn)定值時(shí)，震動(dòng)速度為1.39 m/s，隧洞輪廓圍巖損傷范圍約為1.97 m。

圖4　安全閾值示意圖

3）由數(shù)值模擬及工程實(shí)測(cè)得出將臺(tái)山核電取水隧洞爆破中距掘進(jìn)面20 m處的爆破震動(dòng)最大速度控制在1.5 cm/s以?xún)?nèi)來(lái)保證對(duì)圍巖產(chǎn)生較弱的破壞。

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（編輯：胡玉香）

The Threshold of Surrounding Rock Damage in Roadway during Blasting Excavation

LIU Zhizhen，ZHAO Hailong，YU Mingliang
（School of Energy and safety Engineering，Hunan University of Science and Technology，Xiangtan Hunan 411201）

Taking the TaiShan nuclear power plant water intake tunnel blasting excavation project as an example，through the field blasting vibration test and monitoring，the acoustic test，combining with the dynamic finite element software ANSYS/LS-DYNA simulates the process of blasting excavation.The tunnel blasting in rock particle vibration velocity of the peak particle vibration velocity and blasting vibration frequency were monitored by the TC-4850 intelligent blasting seismograph.This paper offers to blasting vibration velocity characterization of Taishan nuclear power plant water intake tunnel blasting excavation of surrounding rock damage thresholds，that is，an explosive source in 20 m is from the peak particle vibration velocity control within 1.5 cm/s to ensure the blasting.

rock damage，blasting vibration，numerical simulation，safety threshold

TD1

A

1672-1152（2016）04-0020-04

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2016.04.08

2016-06-17

劉智振（1991—），男，碩士在讀于湖南科技大學(xué)能源與安全工程學(xué)院，主要從事采礦工程研究。