交替爆破開挖下分岔隧道中夾巖損傷特征研究

楊杭澎，俞 縉，付曉強,2，姚 瑋，林聰波，常方強

(1.華僑大學(xué) 福建省隧道與城市地下空間工程技術(shù)研究中心，福建 廈門 361021； 2.三明學(xué)院 建筑工程學(xué)院，福建 三明 365004)

在公路隧道開挖施工中，鉆爆法以其經(jīng)濟、高效、適用性強的特點得到了廣泛應(yīng)用，然而在開挖掘進過程中，由于炸藥能量的無序釋放不可避免地會對周邊巖體造成一定損傷，從而導(dǎo)致巖體力學(xué)性能下降[1-2]。小凈距隧道開挖受到施工與爆破擾動，圍巖會發(fā)生數(shù)次的應(yīng)力重分布，隨著凈距不斷縮小，相互擾動變得明顯，尤其在分岔隧道施工中，由于中夾巖較薄且受左右隧道交替爆破施工影響，其損傷更加顯著、復(fù)雜，給工程施工及運營安全造成一定隱患。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對隧道累積損傷開展了大量研究：Mohamed等[3-5]根據(jù)巖體質(zhì)點峰值振速與聲波測試數(shù)據(jù)研究了多次爆破開挖下巖體累積損傷效應(yīng)總結(jié)了累積損傷與爆破振速之間的規(guī)律；Yang等[6-7]通過LS-DYNA模擬了隧道全斷面毫秒爆破中重復(fù)爆破荷載對圍巖累積損傷的影響，對隧道損傷分布及損傷范圍進行了討論；吉凌等[8-10]采用數(shù)值模擬與現(xiàn)場實測相結(jié)合的方法研究了不同類型隧道損傷分布情況，上述文獻表明對于隧道爆破巖體損傷問題研究是爆破科研工作者和現(xiàn)場技術(shù)人員關(guān)注的焦點。爆破施工對隧道圍巖產(chǎn)生的損傷不可忽視，相關(guān)學(xué)者還對不同地質(zhì)條件、結(jié)構(gòu)形式下隧道圍巖損傷進行了一定的研究[11-12]，但鮮有針對左右洞交替爆破開挖作用下分岔小凈距隧道損傷研究。

對于小凈距隧道而言，中夾巖為主要承力部位且整體性較差，探明中夾巖在交替爆破施工下的損傷規(guī)律對于保證施工安全具有重要意義。目前對中夾巖損傷研究主要采用現(xiàn)場監(jiān)測手段進行評判，如林從謀等[13-14]通過中夾巖聲波測試、爆破測振等手段對中夾巖損傷演化規(guī)律進行了研究，然而僅憑某個斷面的損傷或單次爆破引起的損傷對中夾巖穩(wěn)定情況進行評價明顯是有失偏頗。工程實踐表明小凈距隧道在爆破施工擾動作用下中夾巖會產(chǎn)生明顯的損傷效應(yīng)[15-16]，中夾巖損傷是受到左右隧道爆破施工共同影響，探明交替爆破開挖條件下分岔小凈距隧道損傷演化規(guī)律對該類隧道施工具有較好指導(dǎo)意義。

本文采用三維有限差分軟件FLAC3D研究了在多次交替爆破施工下分岔隧道圍巖損傷程度及分布，并著重考慮了不同施工工況對隧道中夾巖損傷演化規(guī)律的影響，最后結(jié)合廈門海滄疏港通道工程蔡尖尾山2號隧道現(xiàn)場聲波實測結(jié)果進行了對比驗證，為類似工程提供了一定科學(xué)指導(dǎo)和經(jīng)驗借鑒。

1 數(shù)值計算

1.1 計算模型

建立左洞跨度15.5 m、高9 m，右洞跨度12.3 m、高8.8 m分岔隧道，最小凈距為1.22 m，采用上下臺階法開挖。圍巖物理參數(shù)及爆破參數(shù)參考廈門海滄疏港通道工程項目A標段分岔隧道工程現(xiàn)場實際參數(shù)，具體如表1所示。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Physical and mechanical parameters of rock mass

模型高寬各為160 m，前后左右邊界約束水平方向位移，下邊界約束豎直方向位移，上部為自由邊界，在進行動力計算時四周設(shè)置自由場邊界，模型如圖1所示。

圖1 數(shù)值計算模型Fig.1 Numerical calculation model of tunnel

1.2 爆破荷載

爆破荷載模擬是爆破數(shù)值模擬計算的重點之一，目前國內(nèi)外學(xué)者對數(shù)值模擬中爆破荷載施加多數(shù)為施加在炮孔上與施加在輪廓面上兩種，本文主要研究爆破荷載作用下中夾巖損傷情況，不考慮炮孔布置對圍巖影響，因此爆破荷載視為均勻地施加在掌子面輪廓，從而降低模型復(fù)雜度并提高計算效率。

根據(jù)Chapman-Jouguet爆轟理論[17]，耦合裝藥情況下，作用在炮孔壁上氣體壓力P0為

(1)

式中：ρ為炸藥密度;D為炸藥爆轟速度;γ為炸藥等熵指數(shù)。

通常在柱狀藥包爆破情況下，巖體的粉碎區(qū)為裝藥半徑的3倍～5倍，破碎區(qū)為裝藥半徑的10倍～15倍[18]，視粉碎區(qū)和破碎區(qū)為爆源區(qū)域，將爆破荷載等效施加在彈性邊界上，得到爆破荷載Pbe為[19]

(2)

式中:r0為炮孔半徑;r1為起爆時粉碎區(qū)半徑;r2為破碎區(qū)半徑，μ為巖體泊松比。

將荷載等效后施加在開挖輪廓面上時，需要施加的等效荷載為

(3)

式中,S為炮孔間距，mm。

為了簡化爆破荷載輸入，目前國內(nèi)外專家學(xué)者大多采用三角形波荷載[20]，經(jīng)過計算，本文采用10 ms升壓時間、90 ms降壓時間，取炸藥密度ρ=1 000 kg/m3、爆轟波速D=3 600 m/s、炮孔半徑為40 mm、炮孔間距為200 mm、等熵指數(shù)γ=3，計算可得等效荷載峰值Pmax=45 MPa，爆破荷載曲線如圖2所示。

圖2 爆破荷載曲線圖Fig.2 Burst load graph

1.3 損傷判定

在實際工程中，巖體作為一種脆性損傷材料內(nèi)部存在大量微裂紋、微裂隙，在爆破作用下延伸、貫通從而導(dǎo)致強度劣化、承載力降低。在爆破荷載加載初期，巖體內(nèi)部裂紋與孔隙在壓力作用下趨于閉合，巖體處于彈性變形階段未發(fā)生損傷；隨著爆破荷載不斷增大，巖體發(fā)生塑性應(yīng)變出現(xiàn)損傷，研究表明巖體損傷量D是關(guān)于應(yīng)變的函數(shù)，采用塑性應(yīng)變定義損傷較為直觀、方便[21]。

本模型采用FLAC3D7.0版本中IMASS高級應(yīng)變軟化模型，該模型以Hoek-Brown準則為基礎(chǔ)，通過應(yīng)變和單元相關(guān)的屬性，反映了巖體發(fā)生塑性變形時體積變化影響，通常用來模擬巖體開挖引起圍巖損傷，特別是由爆破引起的損傷。

IMASS通過單元體塑性應(yīng)變的變化來定義損傷，即：

(4)

式中:εp為塑性剪應(yīng)變;ε1,p為極限塑性剪應(yīng)變。

IMASS本構(gòu)所需參數(shù)主要有Hoek-Brown準則中的地質(zhì)強度指標GSI(geological strength index)、材料常數(shù)mi、原巖單軸抗壓強度UCS、臨界塑性剪應(yīng)變系數(shù)，根據(jù)現(xiàn)場巖體情況，由Hoek等[22]所統(tǒng)計的經(jīng)驗表可查得的mi值，地質(zhì)強度指標GSI可由下式得處[23]

GSI=15Vp-7.5

(5)

式中，Vp為巖體波速。

原巖單軸抗壓強度可由地質(zhì)勘查報告得出，臨界塑性剪應(yīng)變系數(shù)通常為1，具體參數(shù)如表2所示。

表2 IMASS本構(gòu)參數(shù)Tab.2 IMASS constitutive parameters

2 爆破開挖下分岔隧道損傷分布規(guī)律

分岔隧道由于其結(jié)構(gòu)與常規(guī)分離式隧道不同，大斷面開挖使其受力更為復(fù)雜，本節(jié)重點分析小凈距隧道分岔口斷面及超薄中夾巖隨左右洞開挖損傷演化情況。由于隧道開挖下臺階通常裝藥量較小且臨空面較大，故下臺階開挖時不考慮爆破荷載影響，開挖順序為先開挖左側(cè)主隧道。隧道支護采用C30混凝土支護，支護參數(shù)如表3所示。

表3 支護結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)Tab.3 Physical and mechanical parameters of support structures

圖3為隧道開挖模型，其中第1、2、4步為主隧道上臺階開挖，第3、5步為主隧道下臺階開挖，第6、7步為匝道上臺階開挖，第8步為匝道下臺階開挖，隧道開挖單循環(huán)進尺為2 m，截取不同開挖步施工后隧道損傷云圖，如圖4所示。

圖3 隧道模型圖Fig.3 Tunnel model diagram

開挖步1

由圖4可知：受到大斷面隧道空間約束影響，爆破對分岔隧道影響主要集中在中夾巖一側(cè)，尤其是在上臺階拱腰部位，出現(xiàn)較大范圍損傷；靠近分岔口方向的巖體損傷范圍大于靠近掌子面方向巖體，究其原因主要為，由于爆破荷載較大，靠近掌子面方向中夾巖體在爆破應(yīng)力波作用下，巖體受到壓應(yīng)力產(chǎn)生壓剪破壞形成損傷區(qū)，而靠近分岔口方向的中夾巖體存在臨空面，爆炸應(yīng)力波在臨空面產(chǎn)生反射從而引起拉應(yīng)力，此部分巖體主要是受拉損傷，因此該部位損傷范圍明顯大于其他部位。

進一步開挖隧道探究非對稱分岔隧道左右洞交替開挖對中夾巖損傷分布的影響，繪制隧道拱腰部位不同截面處中夾巖損傷變量曲線，由于靠近分岔斷面附近的中夾巖體裂隙已基本貫通左右洞，故僅統(tǒng)計4 m后的中夾巖損傷變化曲線，圖5為不同截面處中夾巖損傷變化曲線。根據(jù)DL/T 5389—2007《水工建筑物巖石基礎(chǔ)開挖工程施工技術(shù)規(guī)范》[24]，以損傷閾值D=0.19判定巖體發(fā)生損傷，繪制損傷閾值包絡(luò)線和完全損傷包絡(luò)線，圖6為16 m斷面處中夾巖損傷包絡(luò)圖。

(a) 中夾巖損傷變化曲線

(a) 主隧道側(cè)中夾巖損傷包絡(luò)圖

由圖5可知，在經(jīng)過多次爆破施工后，中夾巖損傷呈不對稱“V”字分布，由中夾巖內(nèi)部至輪廓線損傷逐漸增大，靠近隧道左右輪廓線位置此處巖體基本完全損傷；在14 m斷面處巖體最小損傷度為0.19，說明此處巖體未發(fā)生損傷，中夾巖損傷未貫通左右洞，由此可以看出中夾巖厚度對中夾巖損傷有較大影響，爆破應(yīng)力波在巖石中傳遞距離有限，因此無法對內(nèi)部巖體造成損傷。

由圖6可知，主隧道側(cè)的中夾巖體處于90°～120°范圍內(nèi)巖體損傷最嚴重，最大完全損傷范圍達到0.72 m，最大損傷范圍為1.78 m；靠近匝道側(cè)中夾巖體損傷分布較均勻，最大完全損傷范圍在90°位置為0.95 m，較主隧道側(cè)損傷范圍小0.2 m，完全損傷范圍集中在輪廓線附近，最大范圍為0.21 m；除此以外隧道拱頂及拱底部位損傷也較其他部位損傷范圍更大，但完全損傷范圍并未出現(xiàn)擴大。

3 不同工況下中夾巖損傷影響因素分析

在實際工程中，由于隧道結(jié)構(gòu)形式及現(xiàn)場施工條件復(fù)雜性，中夾巖損傷分布及規(guī)律可能受到多種因素的影響，本節(jié)重點研究隧道開挖進尺、左右隧道開挖錯距以及開挖順序?qū)χ袏A巖損傷影響。

3.1 不同開挖進尺

通過模擬2 m、3 m、4 m、5 m四種循環(huán)進尺工況，比較其施工對圍巖影響，為降低爆破應(yīng)力波在分岔口斷面產(chǎn)生拉應(yīng)力對中夾巖損傷影響，取沿開挖方向4 m位置的隧道剖面進行分析，隧道左右洞開挖錯距為3個開挖步，不同循環(huán)進尺條件下中夾巖損傷云圖如圖7所示。

由圖7可以看出：圍巖損傷變化主要集中在中夾巖以及拱腳部位，隨著進尺的增大，中夾巖完全損傷范圍越來越大，且受到隧道非對稱截面影響呈倒梯形狀，中夾巖柱由于其整體性較差左右受力不對稱，因此損傷呈不對稱且較其他部位嚴重，進一步地，在隧道拱腳部位完全損傷范圍也出現(xiàn)了擴大，這種情況在進尺較大的工況下表現(xiàn)較為明顯。

對左右洞隧道拱腰連線中點處后方巖體進行損傷統(tǒng)計，如圖8所示。

(a) 中夾巖損傷統(tǒng)計圖

3.2 不同開挖錯距

探究在超小凈距情況下左右隧道施工合理滯后距離，進一步分析中夾巖對爆破開挖步驟響應(yīng)，以上下臺階同時開挖為一個施工步，模擬錯距1、2、3、4個施工步中夾巖損傷情況，開挖進尺均為2 m。不同錯距下中夾巖內(nèi)部損傷云圖如圖9所示。

由圖9可知，錯距改變對中夾巖的影響主要在隧道拱腰即中夾巖最薄處，相較于1步錯距情況，錯距2、3、4步工況下中夾巖完全損傷范圍分別減少了0.36 m、0.78 m、1.27 m，損傷貫通區(qū)范圍也呈縮小趨勢。原因在于分岔隧道小凈距段中夾巖較普通小凈距隧道中夾巖厚度更薄，若錯距過小，中夾巖過早形成，此時先行洞掌子面仍距離中夾巖較近，中夾巖受到左右洞施工擾動較大，產(chǎn)生整體振動甚至出現(xiàn) “鞭梢效應(yīng)”導(dǎo)致中夾巖穩(wěn)定性降低。

進一步探究中夾巖損傷隨施工步變化規(guī)律，取中夾巖沿開挖方向2m距離為統(tǒng)計點，統(tǒng)計左右洞隧道拱腰連線中點損傷程度，限于篇幅，此處僅展示具有代表性錯距4步結(jié)果，如圖10所示。

圖10 中夾巖損傷隨施工步變化統(tǒng)計圖Fig.10 The damage to the middle rock varies with the construction step

由圖10可知，主隧道開挖后損傷急劇增大隨后趨于平緩，在第五個施工步時測點損傷基本趨于平穩(wěn)，可見在單洞施工時掌子面爆破開挖損傷影響距離在5個施工步(10 m)左右；匝道開挖后，左右隧道之間巖體形成較薄中夾巖，此時主隧道開挖產(chǎn)生爆破應(yīng)力波將重新對該測點產(chǎn)生影響，在第九個施工步損傷增大了0.1個損傷度，可以判斷匝道開挖后形成的中夾巖對隧道爆破開挖的響應(yīng)較敏感，在實際工程中在后行隧道開挖后應(yīng)該及時對中夾巖體進行支護，降低后續(xù)施工影響。

3.3 不同開挖順序

工程實踐表明后行隧道施工時對先行隧道有一定影響，由于分岔隧道截面的非對稱性，左右隧道施工帶來的影響也具有顯著差異。本節(jié)通過模擬分岔隧道中主隧道與匝道的先后開挖順序，分析其對隧道圍巖損傷的影響。圖11為不同先后開挖順序施工工況下隧道進尺2 m處圍巖損傷云圖，圖12為該截面中夾巖中軸線中點處損傷變化圖。

(a) 主隧道先開挖

圖12 不同開挖順序下中夾巖隨施工步損傷變化統(tǒng)計圖Fig.12 A graph of the damage of the middle rock with the construction step under different excavation sequences

對比圖11(a)、(b)，主隧道先開挖工況與匝道先開挖工況圍巖損傷差異最大在于中夾巖與匝道拱腳部位；匝道后開挖造成的爆破及施工擾動開挖使得中夾巖上方的巖體損傷范圍擴大了約1.1 m左右，由于隧道截面的不對稱，主隧道開挖洞身周邊巖體損傷范圍較匝道損傷范圍較大，在后行洞施工時使得損傷程度進一步擴大，圍巖損傷更加不對稱；匝道先開挖時，后行隧道施工帶來的影響造成匝道右側(cè)損傷進一步發(fā)展，較主隧道先開挖工況損傷范圍擴大了約1.2 m，但洞身周邊巖體損傷較小，中夾巖完全損傷分布對稱性較好。

由圖12可以看出，由于隧道截面尺寸的差異，在前4個施工步中，先開挖匝道產(chǎn)生的損傷較主隧道先開挖產(chǎn)生損傷小。當(dāng)另一側(cè)隧道開挖時，測點損傷程度大幅度增加，尤其是對于主隧道先開挖工況，當(dāng)中夾巖形成后，僅經(jīng)過6個施工步測點即達到完全損傷狀態(tài)。總體而言，匝道先開挖工況中夾巖損傷程度均低于主隧道先開挖工況，且分布較對稱，有利于隧道穩(wěn)定性，但需要注意對匝道右側(cè)巖體進行加固。

4 工程實例

依托廈門海滄疏港通道工程蔡尖尾山2號隧道展開現(xiàn)場實驗，該隧道分岔段最小凈距僅為1.22 m，大斷面開挖跨度達30.51 m。現(xiàn)場采用的施工工況為主隧道先開挖，左右洞錯距10 m、開挖進尺為2.2 m，現(xiàn)場圖片如圖13所示。

圖13 現(xiàn)場施工概況圖Fig.13 Site construction overview map

對現(xiàn)場圍巖進行鉆孔聲波測試，測試采用ZBL—U5200非金屬超聲檢測儀和一發(fā)雙收探頭組成的聲波測試儀，事先在主隧道距離分岔口20 m處的中夾巖及側(cè)面巖體打設(shè)傾角10°、孔徑40 mm、深4 m的測試孔，孔間距為1 m，左右各布置測試孔，測試孔距拱腳高1.5 m，聲波測試孔的布置如圖14所示，在每次掘進爆破后進行聲波測試。

圖14 聲波測試孔布置圖Fig.14 Arrangement diagram of acoustic test holes

測試前先將測試孔里注滿水，將一發(fā)雙收探頭放置孔底，測得孔底聲波數(shù)據(jù)，隨后按0.2 m為間隔測試不同位置聲波速度，如圖15、16所示，同樣以爆破前后巖體聲波波速變化率η>10%作為評判巖體損傷標準對損傷進行分區(qū)。

圖15 中夾巖聲波波速統(tǒng)計圖Fig.15 Statistical diagram of acoustic wave velocity of intercalated rock

圖16 側(cè)面巖體聲波波速統(tǒng)計圖Fig.16 Statistical chart of the acoustic wave velocity of the lateral rock mass

由現(xiàn)場數(shù)據(jù)可得，在中夾巖側(cè)距離輪廓線1.8～4 m范圍內(nèi)聲波數(shù)據(jù)普遍高于5 000 m/s，說明此部分巖體較完整；當(dāng)距離輪廓線0.5 m時已經(jīng)無法測得圍巖聲波數(shù)據(jù)，說明接近開挖輪廓線圍巖已經(jīng)完全損傷，這與數(shù)值模擬結(jié)果一致，中夾巖的損傷范圍在1.7 m左右，而側(cè)面巖體損傷在1.2 m左右。

根據(jù)實際工況建立數(shù)值計算模型，取數(shù)值模擬相同斷面處巖體損傷云圖進行對比，如圖17所示。

由數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場實測結(jié)果對比可知，在經(jīng)過交替爆破開挖后圍巖損傷程度由輪廓線表面至圍巖深處呈遞減趨勢；圍巖輪廓線表面損傷嚴重，與現(xiàn)場實際情況相符；側(cè)面巖體與中夾巖現(xiàn)場實測損傷范圍分別在1.2 m、1.7 m左右，數(shù)值模擬損傷范圍在1.3 m、1.8 m左右，基本與實測結(jié)果吻合，說明本文數(shù)值模擬計算結(jié)果比較準確。

5 結(jié) 論

(1) 在左右隧道交替爆破開挖作用下，爆破應(yīng)力波會在分岔口斷面反射產(chǎn)生拉伸應(yīng)力從而使分岔口斷面損傷更嚴重；隧道中夾巖損傷呈不對稱“V”字分布，由中夾巖內(nèi)部至輪廓線損傷逐漸增大，靠近主隧道側(cè)損傷大于靠近匝道側(cè)損傷；隨著中夾巖厚度的增加，爆破施工對中夾巖的影響逐漸降低。

(2) 隨著隧道開挖單次進尺的增加，中夾巖的損傷程度與損傷范圍都出現(xiàn)了較大幅度的提高；增大隧道開挖錯距可以降低左右洞施工對中夾巖的影響，有利于隧道穩(wěn)定，在單洞施工時掌子面施工的影響距離在5個施工步左右；匝道先開挖工況中夾巖總體損傷程度低于主隧道先開挖工況，損傷分布也較對稱，但匝道遠離中夾巖一側(cè)巖體損傷會出現(xiàn)擴大。

(3) 現(xiàn)場中夾巖聲波探測的結(jié)果表明，受多次爆破影響中夾巖損傷范圍在1.8 m左右，側(cè)面巖體損傷范圍在1.2 m左右，現(xiàn)場測試的巖體損傷范圍結(jié)果與數(shù)值模擬計算結(jié)果基本吻合，表明本文采用的數(shù)值模型和計算方法是可行的，可為類似工程提供一定的科學(xué)指導(dǎo)。