基于围岩损伤隧道爆破进尺优化

王 旭

（重庆交通大学 土木工程学院， 重庆 400074）

0 引言

爆破开挖作为隧道掘进最经济、最有效的手段，一直作为隧道开挖的最常见方法，使围岩少受或不受爆破振动影响，降低爆破对围岩的损伤程度。实际工程中隧道开挖爆破时，必然会对要保留的围岩体造成损伤和破坏，导致其力学性能劣化。不断调整后期卸荷应力场的劣化，进一步演化和形成破坏，从而降低围岩承载力和稳定性。因此，围岩损伤是爆破掘进中影响围岩稳定性的重要因素，是围岩支护形式选择时应考虑的主要因素之一。

1 围岩爆破损伤机理

损伤是指在外部载荷或环境因素等的影响下，材料中的微观缺陷扩展引起的材料性质不稳定的过程。爆破载荷影响，岩石其内部存在的随机的地质缺陷，如节理、裂隙等[1]会导致岩石的稳定性减小、有效承载能力降低等。

1.1 按裂隙面积定义损伤变量

岩体内天然存在的裂隙当做初始损伤[2]。当材料受到破坏时，其维持自身稳定性的有效承载面积会减小，根据拉博诺夫理论[3]可以定义损伤变量 D 为：

式中：A， A1—损伤前后岩体承载面积。

1.2 按弹性模量降低定义损伤变量[3]

由于测定有效承载面积在实际操作中是困难的，因此梅勒特提出了应变等价原理[4]。此时，损伤变量 D 就可以定义为：

式中：E0，1—岩体损伤前后的弹性模量；

对损伤定损伤因子 D 做出定以后，可同样定义岩石中应力、应变与损伤因子之间的关系：

2 工程实例分析

本文以江北区某隧道为依托，按照隧道设计文件，隧道选取 IV级围岩重度

通过 Midas/GTS 软件实现隧道爆破开挖过程中的有限元模拟分析全过程。模型采用新建隧道两侧各模拟开挖宽度的 3倍左右，模型 110×90×80m，埋深取40m。

隧道采用上下长台阶法施工， IV级围岩采用摩尔-库仑模型。开挖区的损伤区损伤范围[3]取2.2m，为摩尔-库伦模型。初期支护采用喷锚支护，采用C30防水混凝土复合式衬砌实体板单元，为弹性模型。模型网格划分采用四面体和六面体混合单元划分，计算时爆破荷载分台阶加载。划分后的网格如图1所示。

图1 模型三维网格图

3 数值模拟

3.1 不同进尺下衬砌振速分析

通过在隧道掌子面损伤程度进行模拟，得到无损伤及损伤因子D=0.4的模型振速分析。如表1所示。

表1 进尺振速计算结果比较

由上表可看出，隧道衬砌各个方向的最大振动速度随开挖进尺的增大而变大，Z方向最大。围岩损伤程度越高，衬砌出现的最大振速越大。以隧道安全振动速度为临界值[5]。无损伤情况下（D=0），取得隧道最优开挖进尺为2m。在围岩损伤（D=0.4）时，取得隧道最优开挖进尺为1m。

3.2 爆破进尺1m衬砌应力分析

实际施工阶段，衬砌应力峰值往往会对隧道初支结构有一定影响。本节分析隧道在进尺1m下，在损伤程度D=0.4时，爆破冲击应力的振动响应规律。从而验证隧道在1m进尺下，衬砌结构的稳定性。

表2 应力计算分析

通过不同位置下隧道衬砌拉压应力分析，在1m进尺的爆破施工中，隧道初期支护混凝土中出现的最大拉应力为0.94Mpa，最大压应力为3.30Mpa，均在允许范围内。对隧道初支结构不会造成破坏。

4 结语

本文对隧道衬砌结构在围岩损伤下的力学性能分析，得出如下结论:围岩损伤程度越高其稳定性越差。综合因素分析，取得隧道最优开挖进尺为1m。该进尺的爆破施工时，对隧道结构不会造成破坏。

[1]钮强.岩石爆破机理[M].沈阳：北工学院出版社,1990

[2]戴俊.岩石力学特性与爆破理论[M].北京:冶金工业出版社,2002

[3]李凤仪等.岩体开挖与维护[M].徐州:中国矿业大学出版社,2003.

[4] 余寿文,冯西桥.损伤力学[M].北京:清华大学出版社,1997

[5].中国爆破协会.GG6722-2003 爆破安全规程[S].北京:中国标准出版社,2003.