爆破荷载对含软弱夹层隧道围岩稳定性和变形破坏特征的影响*

徐叶勤,李 梅,姚俊伟，梅万全，熊永亮

(1.武汉理工大学，武汉 430070；2.河南建筑材料研究设计院有限责任公司，郑州 450000 )

岩土工程钻爆法施工过程中会产生较大的动力扰动，应力波在传播过程中对围岩的损伤不可忽略，当有软弱夹层存在时情况将更为复杂，不同应力状态下围岩的损伤分析对工程安全和质量具有重要意义。

对于不同应力条件下含软弱夹层围岩的研究，由于材料和变形的不连续，往往呈现出非线性的特征，理论求解十分困难，主要通过简化的物理模型来模拟其特性。孔超等通过FLAC3D开展了不同中间主应力对隧道拱顶沉降及塑性区的影响研究，并建立了考虑中间主应力的岩体本构模型[1]。石少帅等通过模拟分析了不同软弱夹层产状下隧道围岩位移场、塑性区的分布特征，得出了软弱夹层对隧道围岩破坏的影响规律[2]。Miao等、Pan等采用理论分析与数值模拟相结合的方法，研究了不同初始地应力条件下含软弱结构面围岩的变形破坏规律[3,4]。Li等、Yang等通过数值模拟，从动态应力集中和能量演化的角度分析了隧道周围的动力响应[5,6]。肖定军等通过ANSYS/LS-DYNA建立了边坡台阶爆破模型，研究了不同抵抗线下岩体顺倾软弱夹层的破坏规律[7]。Li等、Amin等模拟了深埋隧道的岩石动态破坏过程，在动载荷作用下研究了深埋隧洞断层附近的冲击地压响应机理[8,9]。Hu等通过三维离散元DEM，研究了切向弱动力扰动触发冲击地压的特性和机理[10]。

由上可知，过往研究多集中于静载下不同初始地应力或软弱夹层产状对含软弱夹层隧道围岩稳定性的影响以及动载下隧道围岩的动态响应，关于爆破荷载下不同中间主应力与软弱夹层位置下隧道围岩稳定性分析这方面的文献较少。基于此，以某引水工程为例，通过弹塑性细胞自动机EPCA3D的动力模块[11-13]，分析爆破荷载下不同中间主应力及软弱夹层位置的隧道围岩破坏行为，以等效塑性应变为破坏特征量分析围岩的变形破坏特征。

1 隧道模型建立

隧道模型参考某引水工程引水隧洞设计参数，隧道轮廓为半径为6.5 m的圆形隧洞。建立长宽高分别200 m×5 m×200 m的三维模型，由于需要改变夹层位置，模型单元数在169206至208008之间。本构模型采用岩体局部劣化模型[14](RLDM)，该模型考虑了局部应力状态对岩体力学行为的控制作用，为简便起见，采用RLDM模型的简化形式，即考虑内聚力随塑性增加逐步弱化而摩擦强度逐步增强的力学演化行为，该方法在模拟高地应力下脆性岩石破坏区分布效果较好。数值模型示意图见图1(a)，对开挖后的隧道临空面施加爆炸荷载(图1(b))，选择三角形爆破荷载函数(图1(c))定义爆破载荷的时间历程。爆破荷载沿着隧道径向均布施加在圆形轮廓面上，压缩脉冲的峰值应力为30 MPa，脉冲持续时间为3 ms。采用静态边界条件来吸收向外传播的应力波，有限元模型足够大可避免应力波反射对模型计算结果的影响[15]。

本文采用等效塑性应变(Equipment Plastic Strain，EPS)分析不同初始地应力条件及软弱夹层位置下隧道围岩的破坏行为，为简便起见，将等效塑性应变的计算结果编制成能导入Tecplot读取的数据格式，对模型破坏区进行可视化处理，以达到有效显示相关破坏特征量的目的。

表1 模型物理参数Table 1 Model physical parameters

2 爆破荷载对含软弱夹层隧道围岩稳定性的影响

2.1 中间主应力对含软弱夹层隧道围岩稳定性的影响

为研究爆破荷载下不同方向中间主应力对隧道围岩稳定性的影响，在保持竖直方向地应力σz为70 MPa不变的情况下，考虑两种情况，一种是以沿隧道轴向应力σy为中间主应力，即保持σz=70 MPa、σx=20 MPa不变的情况下σy从20 MPa逐渐增加到70 MPa，间隔10 MPa，另一种则是以水平方向应力σx为中间主应力,保持σz=70 MPa、σy=20 MPa不变的情况下σx从20 MPa逐渐增加到70 MPa，间隔10 MPa。具体见表2。

表2 不同中间主应力模拟方案Table 2 Different intermediate principal stress simulation schemes

2.1.1 软弱夹层距离隧道壁0.5r

由工况一，考虑软弱夹层的存在，且d=0.5r、θ=45°，结果云图如图2所示，软弱夹层由于其构造特点导致抗剪强度较低，相比附近的围岩更早进入屈服状态，不同于隧道围岩塑性区仅出现在隧道周边一定范围内，软弱夹层塑性区发展至更远的区域。统计最大等效塑性应变数据(表3)，左侧拱腰处塑性应变明显大于右侧。与围岩的危险区只分布在隧道周边一定范围内相比，软弱夹层塑性区可以扩展到更远的区域。中间主应力沿隧道轴向时，随着σy的不断增大，施加在y方向(隧道轴向)的应力对隧道围岩整体稳定性影响较小，验证了以最大水平主应力方向为隧道开挖方向这一实际工程经验的合理性。由于σy数值的变化对围岩整体稳定性影响甚微，之后的研究将不再讨论中间主应力沿隧道轴向的情况。

保持σz=70 MPa、σy=20 MPa不变，中间主应力沿水平方向，如图3所示，当σx处于较低水平时，由于软弱夹层的存在，隧道左侧拱腰处应变明显大于右侧，随着σx逐渐增大，隧道左右两侧及软弱夹层等效塑性应变都随之降低，软弱夹层内部的塑性区逐渐缩小，当σx为50 MPa时软弱夹层内部塑性区完全消失，说明水平方向应力σx的增大抑制了隧道围岩及软弱夹层内部破坏区的发展，表现为σx对隧道围岩及软弱夹层稳定性的影响较大。

表3 软弱夹层d=0.5r下EPS统计表Table 3 EPS statistical table under weak interlayer d=0.5r

2.1.2 软弱夹层距离隧道壁0.25r

根据工况二，考虑软弱夹层的存在，d=0.25r、θ=45°，数值模拟计算结果如图4所示。

与图3相似，由于软弱夹层的存在，隧道左侧拱腰处应变明显大于右侧。在σx从20 MPa增加到50 MPa过程中，软弱夹层内部及隧道左右两侧等效塑性应变均随之降低，夹层及围岩稳定性逐渐增强；当σx增至60 MPa时，隧道左侧拱肩塑性区与软弱夹层贯通，达到70 MPa时，软弱夹层与隧道左上方围岩塑性贯通区继续扩大。说明当σx数值大小处于这两个水平时，隧道与软弱夹层之间的围岩更容易产生破坏。并且，等效塑性应变最大值(表4)在σx增大过程中并不是同图3一样逐渐减小，这是由于σx在60 MPa时围岩与软弱夹层出现贯通的塑性区，导致隧道左侧拱肩至上部软弱夹层中间区域围岩发生错位滑移，应变值突变，70 MPa时塑性区范围虽继续扩大，但应力重分布下围岩破坏所释放的能量一部分转移到了软弱夹层中，具体表现为隧道围岩等效塑性应变的最大值减小，软弱夹层塑性应变区增大。

表4 软弱夹层d=0.25r下EPS统计表Table 4 EPS statistical table under weak interlayer d=0.25r

2.2 软弱夹层位置变化对隧道围岩稳定性的影响

为研究爆破荷载下不同软弱夹层位置对隧道围岩稳定性的影响，在保持地应力σx、σy、σz分别为20、20、70 MPa不变的情况下，考虑两种情况，一种是保持软弱夹层倾角θ=45°不变的情况下夹层距隧道距离d从2r逐渐缩减到0.25r，另一种则是夹层距隧道距离d=0.5r不变的情况下软弱夹层倾角从0°增加到90°，间隔15°。具体方案如表5。

表5 不同软弱夹层位置模拟方案Table 5 Simulation scheme of different weak intercalation positions

2.2.1 软弱夹层距离变化对隧道围岩稳定性的影响

根据工程实际，掘进方向隧道临空面应尽量避开断层破碎带、软弱夹层等劣化岩体，且隧道上方存在的软弱夹层对围岩影响程度明显大于下方存在的软弱夹层，故分析计算时仅考虑软弱夹层出现于隧道上方，不考虑软弱夹层经过隧道横截面及隧道下方的情况。

根据工况三，计算结果如图5所示。

从图中可以看出，随着软弱夹层与隧道距离逐渐减小，软弱夹层内部及隧道围岩塑性应变区均逐渐增大；当距离减小到0.25r时，隧道左侧拱肩岩体与软弱夹层形成塑性贯通区，此时要特别留意隧道左侧拱肩围岩的变化情况，及时做好支护措施。对比图5(d)与图5(e)，发现距离为0.25r时，无爆破荷载下围岩与软弱夹层塑性贯通区消失，爆破荷载下等效塑性应变最大值增加140%(表6)。

2.2.2 软弱夹层倾角变化对隧道围岩稳定性的影响

根据工况四，塑性区分布如图6所示。在爆破荷载的作用下，应力波的传播与原岩应力产生应力叠加，最终大于岩石强度，围岩出现塑性变形。软弱夹层的存在导致隧道左帮破坏较为严重，当倾角大于45°时，左侧拱腰的破坏范围显著大于右侧。对于塑性区的分布情况，可见随着软弱夹层倾角的增大，软弱夹层与隧道围岩塑性区范围均先增大后减小，倾角为60°和75°时，软弱夹层基本完全破坏，此时隧道左帮与软弱夹层产生了贯通的塑性区。

表6 不同软弱夹层距离下EPS统计表Table 6 EPS statistical table under different distances of weak interlaye

3 结论

论文利用中科院武汉岩土所自主研发的CASRock软件系列模块，即弹塑性细胞自动机EPCA3D动力模块，采用岩体局部劣化(RLDM)本构模型，分析了爆破荷载作用下中间主应力、软弱夹层距离和倾角变化对隧道围岩稳定性的影响。主要结论如下：

(1)软弱夹层的存在对隧道围岩的稳定性影响较大，中间主应力沿隧道轴向时对围岩整体稳定性基本无影响，中间主应力沿水平方向时隧道围岩稳定性随着中间主应力的增大逐渐增强。

(2)软弱夹层越靠近隧道边界产生的影响越大，当距离为0.25r时，隧道左侧拱肩上部围岩与软弱夹层形成贯通塑性区，与静态荷载相比，爆破荷载下软弱夹层距离0.25r时等效塑性应变最大值增加140%，爆破荷载对软弱夹层及隧道围岩变形破坏的影响程度远高于静态荷载。

(3)软弱夹层倾角对隧道围岩稳定性的影响程度随角度增长先增大后减小，在60°至75°范围内影响程度达到最大，此时应及早采取防护措施，保证隧道围岩安全。