張 平 ，袁 梅,2,3 ，王元智 ，許石青 ，隆能增 ，李鑫靈

(1.貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2.貴州省非金屬礦產(chǎn)資源綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽 550025；3.貴州省優(yōu)勢礦產(chǎn)資源高效利用工程實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽 550025；4.貴州高速公路集團(tuán)有限公司，貴州 貴陽 550025)

0 引言

隨著國家對(duì)交通基礎(chǔ)設(shè)施投資的增加，公路、鐵路的建設(shè)進(jìn)入全面高速發(fā)展階段，隧道工程也得到前所未有的迅速發(fā)展[1-2]。隧道工程在向縱深發(fā)展中多為山地、丘陵的西南地區(qū)，在隧道開挖時(shí)經(jīng)常會(huì)遇到穿越軟弱巖層的煤系地層或賦存高壓力瓦斯煤層的情況，這類隧道開挖時(shí)爆破振動(dòng)對(duì)圍巖的影響與一般均質(zhì)圍巖隧道相比存在明顯振動(dòng)差異，具有一定的特殊性，對(duì)其研究具有較為重要的現(xiàn)實(shí)意義。

近年來，學(xué)者們就不同地質(zhì)條件下的隧道爆破施工進(jìn)行了相關(guān)研究，王少輝等[3-4]從應(yīng)力、位移及速度3個(gè)方面分析特大型巖溶地段爆破施工對(duì)隧道溶洞結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響，提高隧道爆破施工的安全性；鄧鍔等[5]研究不同薄基巖頂板厚度，運(yùn)用數(shù)值模擬方法得出隧道爆破施工引起的圍巖振動(dòng)特性及圍巖影響域；凌同華等[6]以六月田分岔隧道過渡段為工程背景，通過監(jiān)測分析得出先行隧道不同圍巖級(jí)別、監(jiān)測位置的振動(dòng)波傳播規(guī)律；邵生俊等[7]針對(duì)隧道穿越自重濕陷性黃土地層，提出地基土的附加應(yīng)力和壓縮應(yīng)力計(jì)算方法；徐前衛(wèi)等[8-9]基于軟弱圍巖隧道應(yīng)力重分布的復(fù)雜性，對(duì)比分析了巖體內(nèi)部的應(yīng)力及圍巖壓力變化規(guī)律。由上述研究可知，目前對(duì)穿越煤層段隧道爆破振動(dòng)對(duì)圍巖穩(wěn)定性影響的研究成果相對(duì)較少。因此，探究穿越煤層地段隧道爆破振動(dòng)對(duì)圍巖穩(wěn)定性影響，對(duì)此類隧道的爆破施工具有較大的科研價(jià)值和工程意義。

本文結(jié)合滇黔省界畢鎮(zhèn)高速公路某隧道，通過數(shù)值模擬的方法，研究不同煤層厚度、砂巖頂板不同厚度條件下隧道爆破振動(dòng)的分布規(guī)律，同時(shí)將現(xiàn)場實(shí)測與巖石動(dòng)力學(xué)理論相結(jié)合，確定當(dāng)前條件下的安全振速，為穿越煤層段隧道安全施工提供參考。

1 工程概況

1.1 概述

某穿越煤層段隧道位于宜賓至畢節(jié)高速公路二龍關(guān)至鎮(zhèn)雄段，為雙向分離式隧道，左、右幅起訖樁號(hào)分別為ZK40+072～ZK43+411、YK40+080～YK43+435，左線長3 339 m，右線長3 355 m。隧道中段埋深較大，最大埋深約487 m，左右幅隧道軸線通過地段的海拔為1 490.8～2 054.8 m，相對(duì)高差為564.0 m。

隧道橫穿高大山體，穿越地層主要為碎石土及煤系地層強(qiáng)至中風(fēng)化砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、泥巖、炭質(zhì)泥巖及煤層，圍巖級(jí)別主要為Ⅳ和Ⅴ級(jí)。其中YK41+270～YK41+865段長為595 m，埋深為291～425 m，圍巖級(jí)別為Ⅳ～Ⅴ級(jí)，隧道圍巖為煤系地層中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、泥巖夾炭質(zhì)泥巖及煤層(煤層厚0.4～2.5 m)，洞身穿越煤層，圍巖巖體較破碎，抗風(fēng)化能力差。隧道與煤層位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 隧道與煤層位置關(guān)系Fig.1 The position relationship between tunnel and seam

1.2 施工及爆破參數(shù)

該隧道施工設(shè)計(jì)為上下臺(tái)階法，上臺(tái)階高約 7 m，每循環(huán)進(jìn)尺1 m，左右掏槽眼采用四孔眼直眼掏槽形式。炮孔直徑為42 mm，裝填φ20×200 mm的小直徑藥卷，同時(shí)采用空氣間隔裝藥，以提高爆破效果，上臺(tái)階炮孔布置見圖2。

圖2 上臺(tái)階炮孔布置(單位：m)Fig.2 The diagram of layout of blasting holes(unit：m)

2 數(shù)值模擬分析

2.1 模型的建立

本文以YK41+270～YK41+865段圍巖結(jié)構(gòu)斷面為原型，采用ANSYS/LS-DYNA動(dòng)力有限元方法建立穿越煤層段隧道的三維數(shù)值計(jì)算模型。根據(jù)圣維南原理[10]計(jì)算出隧道開挖的影響范圍約為硐徑方向的3～5倍，為了減小邊界效應(yīng)的影響，本模型選取隧道的3倍硐徑為有限元模型的計(jì)算范圍。結(jié)合本隧道的硐徑，采用1∶1的比例建模，確定隧道模型的幾何尺寸為70 m×65 m×40 m。建模過程中，圍巖均按連續(xù)介質(zhì)考慮，采用單元精度高、質(zhì)量好的六面體(solid164)單元來模擬。模型網(wǎng)格劃分為27 712個(gè)單元和16 480個(gè)節(jié)點(diǎn)，采用us-g-cm單位制，其三維計(jì)算模型如圖3所示。同時(shí)，依據(jù)單一變量原則，減少對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果的影響，模擬時(shí)模型尺寸、開挖位置及爆破參數(shù)均保持不變。模擬工況中建立了5種不同煤層厚度、5種砂巖頂板厚度條件下的隧道模型，煤層厚度分別為0.5，1.0，1.5，2.0及2.5 m；砂巖頂板厚度分別為0.5，1.0，2.0，3.0及4.0 m。隧道輪廓測點(diǎn)及軸向測點(diǎn)如圖4～5所示。

圖3 三維計(jì)算模型Fig.3 Three-dimensional Numerical calculation model

圖4 隧道輪廓測點(diǎn)Fig.4 The measuring points of tunnel outline

圖5 隧道軸向測點(diǎn)Fig.5 The measuring points of tunnel axial

2.2 材料參數(shù)與邊界條件

隧道圍巖主要由泥巖、中風(fēng)化砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、炭質(zhì)泥巖及煤層組成，為了簡化網(wǎng)格劃分，把泥巖、中風(fēng)化砂巖、泥質(zhì)粉砂巖及炭質(zhì)泥巖統(tǒng)一視為中風(fēng)化砂巖，圍巖劃分為中風(fēng)化砂巖和煤層2種材料。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測，數(shù)值模擬計(jì)算中的圍巖材料參數(shù)取值如表1所示。

表1 圍巖材料參數(shù)Table 1 The material parameters of surrounding rock

在隧道爆破數(shù)值模擬過程中，借助LS-DYNA中的JWL狀態(tài)方程計(jì)算炸藥內(nèi)部單元壓力，選擇MAT_PLASTIC_KINEMATIC材料、EOS_JWL狀乳化炸藥參數(shù)和EOS_JWL狀態(tài)方程參數(shù)，如表2所示，其中A，B，R1，R2，ω為試驗(yàn)確定的常數(shù)。根據(jù)工程背景，在建立模型時(shí)，模型頂部設(shè)置自由邊界，其余各面采用無反射邊界[11]，對(duì)模型底部施加固定約束，側(cè)面施加單向位移約束。

2.3 計(jì)算方法

考慮穿越煤層段隧道爆破模型涉及的物質(zhì)較多，爆破振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致巖土體產(chǎn)生較大的變形，加之炸藥炮孔多且相比巖土體網(wǎng)格劃分難度大，因此，圍巖單元采用拉格朗日算法，空氣和炸藥單元采用ALE多物質(zhì)算法[11]。

3 隧道爆破圍巖影響分析

3.1 模型可靠性驗(yàn)證

為驗(yàn)證所建模型的正確性及可靠性，對(duì)比分析圖5中軸向測點(diǎn)5，7，9及11的數(shù)值模擬計(jì)算值與對(duì)應(yīng)位置的現(xiàn)場實(shí)測值，如表3所示。

由于數(shù)值模擬計(jì)算過程未考慮現(xiàn)場巖體內(nèi)含有多個(gè)節(jié)理與軟弱夾層、開挖區(qū)隧道支護(hù)及炸藥爆炸在空氣傳播中減弱等原因，上述4個(gè)測點(diǎn)振速峰值的數(shù)值模擬

表2 炸藥材料參數(shù)Table 2 The material parameters of explosives

表3 4個(gè)測點(diǎn)的數(shù)值模擬計(jì)算值與現(xiàn)場值對(duì)比Table 3 The comparison of vibration velocity

計(jì)算結(jié)果均略大于對(duì)應(yīng)實(shí)測值，其中兩者最大相對(duì)誤差值為9.97%。根據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB 6722-2014)[12]，本次數(shù)值模擬計(jì)算誤差在工程允許范圍內(nèi)。圖6為軸向測點(diǎn)7的數(shù)值模擬波形與現(xiàn)場監(jiān)測波形，可以看出，數(shù)值模擬波形與現(xiàn)場監(jiān)測的爆破振動(dòng)波形基本一致，進(jìn)一步驗(yàn)證了本次數(shù)值模擬計(jì)算模擬的正確性。

圖6 測點(diǎn)振動(dòng)波形對(duì)比Fig.6 The comparison of vibration waveform of the measuring points of tunnel outline

3.2 不同煤層厚度數(shù)值模擬分析

為了研究不同煤層厚度對(duì)圍巖振動(dòng)的影響，模型設(shè)定砂巖頂板厚度為1 m、煤層厚度分別為0.5，1.0，1.5，2.0及2.5 m 5種工況進(jìn)行模擬計(jì)算。設(shè)定工作面所在位置為零點(diǎn)，工作面后方為正方向，每個(gè)測點(diǎn)間隔為1 m，共計(jì)12個(gè)測點(diǎn)，模擬計(jì)算所得軸向振速隨測點(diǎn)間距變化規(guī)律如圖7所示。模擬計(jì)算距工作面2 m處隧道輪廓測點(diǎn)的振速峰值，如圖8所示。

圖7 不同煤層厚度軸向測點(diǎn)振速峰值分布Fig.7 Distribution curve of vibration velocity among measuring points of tunnel axial

圖8 不同煤層厚度輪廓測點(diǎn)振速峰值分布Fig.8 Distribution curve of vibration velocity among measuring

1)由圖7可知，當(dāng)煤層厚度為0.5 m時(shí)，振速峰值最大值為0.570 1m/s，最小值為0.102 1 m/s；當(dāng)煤層厚度為2.5 m時(shí)，振速峰值最大值為0.392 3 m/s，最小值為0.078 5m/s。對(duì)隧道同一部位而言，隨著煤層厚度增加，隧道各個(gè)軸向測點(diǎn)振速峰值呈加速減小趨勢，當(dāng)煤層厚度從0.5 m增大至2.5 m時(shí)，軸向1號(hào)測點(diǎn)振速峰值依次降低了12.4%，10.1%，8.7%和6.6%。

2)以工作面為起點(diǎn)，依次往后，發(fā)現(xiàn)工作面后方軸向測點(diǎn)的振速變化為先急劇減小，而后呈逐漸平穩(wěn)的趨勢，這是由于隧道開挖后，支護(hù)改變了原來的完整結(jié)構(gòu)，振速在開挖區(qū)傳播過程中存在均勻性特點(diǎn)。

3.3 不同砂巖頂板厚度數(shù)值模擬分析

為了研究不同砂巖頂板厚度對(duì)圍巖振動(dòng)的影響，模型把隧道頂板煤層厚度設(shè)定為1 m，砂巖頂板厚度分別為0.5，1.0，2.0，3.0及4.0 m5種工況進(jìn)行模擬計(jì)算。模擬計(jì)算所得的軸向振速隨測點(diǎn)間距變化規(guī)律如圖9所示，模擬計(jì)算距工作面2 m處隧道輪廓測點(diǎn)的振速峰值，如圖10所示。

圖9 不同頂板厚度軸向測點(diǎn)振速峰值分布曲線Fig.9 Distribution curve of vibration velocity among measuring points of tunnel axial

圖10 不同頂板厚度輪廓測點(diǎn)振速峰值分布曲線Fig.10 Distribution curve of vibration velocity among measuring points of tunnel outline

1)由圖9分析可知，當(dāng)砂巖頂板厚度為0.5 m時(shí)，振速峰值最大值為0. 596 7 m/s，最小值為0. 101 3 m/s；當(dāng)砂巖頂板厚度為4 m時(shí)，振速峰值最大值為0.374 6 m/s，最小值為0.077 5m/s。當(dāng)砂巖頂板厚度依次從0.5m增加到4m時(shí)，隧道1號(hào)測點(diǎn)的振速峰值依次減少了0.085 3，0.052 7， 0.041 1及0.030 3 m/s。

2)工作面的近區(qū)曲線變化較快，表明工作面附近易受爆破振動(dòng)影響，距離工作面大于6 m時(shí)振速變化趨于穩(wěn)定。

3)從圖 8與10可以看出，各模擬工況中，隧道輪廓各點(diǎn)振速場分布狀況基本一致。拱頂部位受到爆破振動(dòng)影響最顯著，振速明顯高于其他部位，拱肩部位振速次之，拱腰部位的振動(dòng)速度受爆破振動(dòng)影響最小。

4 現(xiàn)場監(jiān)測與安全振速控制

目前，我國《爆破安全規(guī)程》中采用薩道夫斯基公式[13]計(jì)算爆破振動(dòng)速度：

(1)

式中：R為爆心距，m；Q為單段最大裝藥量，kg；V為振動(dòng)速度， m/s；α為衰減指數(shù)；K為衰減系數(shù)。將式(1)取對(duì)數(shù)得：

(2)

選取現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，由式(2)得到擬合曲線，如圖11所示。由擬合曲線得到的衰減參數(shù)為K=e4.585=98.003，α=1.518 5，故隧道現(xiàn)場圍巖振速修正公式為：

(3)

圖11 擬合曲線Fig.11 The fitting curves

該隧道單段最大藥量為14 kg，爆心距為12 m，由式(3)得出振速為0.085 6 m/s。根據(jù)巖石動(dòng)力學(xué)理論[14-15]，穿越煤層隧道圍巖損傷斷裂條件公式為：

(4)

式中：α為裂紋半徑；σc為正應(yīng)力，Pa；KIC為強(qiáng)度因子，Pa。根據(jù)巖石波速傳遞原理可得：

σ=ρCV

(5)

式中：ρ為密度，kg/m3；C為波速，m/s。結(jié)合該隧道圍巖參數(shù)，取α為0.014，KIC為104Pa，ρ為2 500 kg/m3，C為3 600 m/s，由式(4)～(5)得出理論安全振速為0.08 89 m/s。由巖石動(dòng)力學(xué)理論與爆破振動(dòng)衰減規(guī)律對(duì)比分析，得出穿越煤層地段隧道爆破振速為0.08 m/s，結(jié)果與數(shù)值模擬振速峰值相吻合。

5 結(jié)論

1)隧道內(nèi)同一部位的隧道振速場分布狀況基本相似。當(dāng)煤層厚度減小時(shí)，振速峰值呈加速增加趨勢；當(dāng)砂巖頂板厚度增加時(shí)，振速峰值呈加速減小趨勢。

2)各模擬工況中，工作面位置處振速峰值最大，工作面后方的振速峰值隨距離變化呈先急劇減小，然后振速峰值衰減趨于平緩。

3)隧道爆破振動(dòng)時(shí)，隧道不同位置受爆破振動(dòng)影響各異，其中拱頂部位受到爆破振動(dòng)影響最顯著，振速明顯高于其他部位，而在拱肩部位振速次之，拱腰部位的振動(dòng)速度受到的影響最小。

4)采用數(shù)值模擬、理論研究及現(xiàn)場監(jiān)測3種方法，得出數(shù)值模擬計(jì)算振速峰值、理論分析振速峰值與現(xiàn)場監(jiān)測振速峰值相吻合，建議穿越煤層段隧道爆破安全振速設(shè)定為0.008 m/s。同時(shí)，對(duì)此類隧道的爆破施工過程中，可根據(jù)以上分析，結(jié)合隧道具體煤層厚度及砂巖頂板厚度調(diào)整現(xiàn)場爆破藥量，降低振速，確保施工安全。