高地應力對輸水隧洞光面爆破振動傳播影響

左依棟

(新疆恒誠信工程咨詢有限公司，新疆 烏魯木齊 830000)

隨著水利工程建設領域投入的不斷增大以及工程技術的進步，我國的水利工程建設逐步向中西部和偏遠山區轉移。在這一背景下，許多水利工程面臨更復雜的地質環境，一些大埋深、長距離輸水隧洞面臨較大的施工難度[1]。鉆爆法是輸水隧洞施工中的常用方法，與其余施工方法相比具有施工便捷、成本低等諸多優勢。光面爆破技術在20世紀50年代引入我國以來，在巖土工程領域得到廣泛應用。該技術不僅能夠保證開挖輪廓面的光滑平順，減少圍巖的欠挖和超挖，同時又能有效控制圍巖損傷，提高圍巖的安全性和穩定性，具有顯著的工程效益和經濟效益[2]。目前，在水工隧洞光面爆破施工受到各種因素的影響，目前遠沒有達到預期光面爆破要求，主要原因是對光面爆破機理等問題的認識還不夠清晰，特別是在斷面巖性等因素變化的情況下，難以對爆破參數進行科學合理的確定和調整。

另一方面，隨著計算機技術的不斷發展和進步，數值模擬技術已經成為巖土力學研究領域的重要方法。相對于傳統的物理模型試驗，不僅可以獲得較為精確的結果，還可以實現對不易觀測或現場模擬的過程進行持續、動態觀察，因此在高溫、高速爆破過程研究領域具有顯著優勢[3]。因此，此次研究利用數值模擬的方式，對無地應力、以及雙向等值和雙向不等值高地應力環境下輸水隧洞光面爆破振動傳播影響規律進行研究，不僅有利于相關理論的構建和完善，對高地應力輸水隧洞光面爆破的施工設計也具有一定的借鑒意義。

1 模型與方法

1.1 模型的構建

在模型構建過程中，結合爆破過程特點和分析計算的實際要求，特作出如下假設：不考慮掘進孔對圍巖造成的損傷以及光爆層巖體的破裂和損傷，將影響僅限于周邊孔對圍巖的損傷；將圍巖巖體視為各向同性均質材料，不考慮節理等結構的影響；炮孔內的荷載均勻分布[4]。

鑒于輸水隧洞全斷面內存在數量較多的周邊孔，將全部周邊孔納入模型會導致計算量極大且無必要[5]。因此，研究中選擇部分區域進行模擬分析。結合該領域的相關研究成果，當炮孔數量超過4個時，任何一點的峰值速度增加幅度較小。因此，研究中選擇5個周邊孔進行模型構建和計算分析[6]。

在構建的數值模型中，周邊孔直徑為40mm，炮孔間距為50cm，軸向長度為50cm，圍巖側深度為3.0m。在模型的網格剖分過程中，充分考慮模型的計算速度和精度，將網格尺寸確定為5cm，同時對炮孔周邊部位進行加密處理，整個模型共劃分為104350個網格單元，114507個節點。

1.2 邊界條件與模型參數

由于此次數值模擬研究需要模擬柱狀藥包在無限大的巖體內引爆的情況，因此可以將模型簡化為平面應變問題進行分析處理，以有效提升計算效率。為了實現對無限大巖體的模擬，將模型的上下和左邊界設置為無反射邊界條件，起爆方式設置為5孔同時起爆。研究中以Ⅲ級圍巖體參數進行計算，采用摩爾-庫倫模型進行模擬，其物理力學靜態參數見表1。

表1 巖體物理力學參數

1.3 爆破荷載

在爆破施工過程中，炮孔壓力曲線是爆炸應力波和準靜態氣體綜合作用的結果，且兩個過程相互交織和耦合，難以分離[7]。因此，在模擬計算過程中將炮孔壓力曲線分為爆炸應力波和準靜態氣體2個過程[8]。一般來說，預裂爆破的壓力時間大約為數百微妙，裂紋的平均擴展速度為400～600m/s。以此次研究中的炮孔直徑40mm，炸藥密度300～800g/m，炸藥爆速為3200m/s。按照上述要求計算，模型的爆炸應力波荷載峰值取160MPa，升壓時間為30μs，降壓時間取120μs；準靜態氣體荷載壓力取40MPa，升壓時間取120μs，穩壓持續時間取800μs。

1.4 計算方案

此次研究首先利用構建的有限元模型探索無地應力環境下巖體爆破振動傳播規律，并對比分析有無高地應力環境對保留巖體的實際影響，并研究不同高地應力環境水平和數值方向質點振動水平之間存在的差異。對于高地應力環境再次細分為雙向等值和雙向不等值2種情況，以最大限度模擬工程建設中可能面臨的不同地應力環境。對于高地應力工況，結合工程實際和研究需要，設施不同的應力水平，具體的計算方案見表2。

表2 初始地應力設計工況 單位：MPa

2 計算結果與分析

2.1 無地應力

利用構建的有限元模型對無地應力工況的振速和應力進行模擬計算。提取爆心距分別為3、5、7、9、11m等5個典型點位的振速和應力數據進行分析。其中。振速計算結果見表3所示。從計算結果可以看出，隨著爆心距的不斷增大，振動速度呈現出不斷減小的變化趨勢且減小的幅度也不斷減小。究其原因，主要是在無地應力的環境下，巖體主要受爆炸產生的應力波和爆炸氣體的影響而斷裂。在炸藥藥包引爆的瞬間，爆炸沖擊波首先作用于炮孔壁，之后衰減為應力波并大部分作用為周邊巖體，進而在徑向產生顯著的壓縮應力，而在切向會產生明顯的拉伸應力。另外，部分應力波會以滲透波的形式向保留圍巖區傳遞，從而周邊圍巖區域形成爆破振動區，且隨著爆心距的增大，其振動效應也越小。

表3 無地應力工況水平振速峰值

在計算結果中提取典型點位的最大有效應力，結果見表4。從計算結果可以看出，隨著爆心距的增大，有效應力峰值呈現出不斷減小的變化趨勢，且減小的幅度也不斷減小，究其原因，炸藥在引爆的瞬間，其產生的沖擊波主要縱波和橫波的方式向周邊傳播。巖體內的各點振動方向與縱波方向一致，與橫波方向垂直，隨著時間的增長，縱波逐漸傳遞到遠離爆心的一側，而縱波的應力幅度相對較小，因此有效應力峰值會隨著爆心距的增加而減小。

表4 無地應力工況有效應力峰值

2.2 雙向等值地應力

利用構建的有限元模型對雙向等值地應力計算方案(方案2—4)的振速和有效應力進行計算。從計算結果中提取與爆心距水平距離和豎直距離分別為3、5、7m的6個典型點位(其中水平點位記作X1、X2、X2；豎向點位分別記為Y1、Y2和Y3)的振速和有效應力峰值，結果見表5—6。從計算結果來看，隨著爆炸沖擊波衰減為應力波，巖體各個點位的爆破振動速度存在相似的變化規律。一方面，無論是水平方向還是豎直方向，爆破振速極值隨著爆心距的增加而不斷減小，且減小的幅度也不斷減小。另一方面，隨著地應力值的增大，各個點位的振速極值均呈現出不斷增大的變化趨勢。由此可見，地應力的大小對爆破振動波具有一定的促進作用，也就是在較大的地應力環境下，爆破開挖過程中的保留圍巖巖體將受到更大的振動破壞。從振速的達峰時間來看，隨著爆心距的增加，達峰時間也不斷增大。另一方面，隨著地應力的增大，振速的達峰時間并沒有發生顯著的變化，雖然存在小幅的波動變化，但是并沒有明顯的規律性，且變幅十分有限。由此可見，地應力的大小對質點振動速度的傳播幾乎不存在影響。

表5 雙向等值地應力方案振速極值計算結果

表6 雙向不等值地應力方案振速極值計算結果

表6 雙向等值地應力方案等效應力極值計算結果

從等效應力極值的計算結果來看，也顯示出類似的變化規律。首先，等效應力極值隨著爆心距的增加而不斷減小，且減小的幅度也不斷減小。另一方面，隨著地應力值的增大，各個點位的爆破應力極值均呈現出不斷增大的變化趨勢。地應力的大小對等效應力極值達峰時間幾乎不存在影響。

2.3 雙向不等值地應力

利用構建的有限元模型對雙向不等值地應力計算方案(方案5—7)的振速和有效應力進行計算。從計算結果中提取典型點位(與雙向等值應力計算方案的點位設計方案相同)的振速和有效應力峰值，結果見表7—8。從計算結果來看，隨著爆炸沖擊波衰減為應力波，巖體各個點位的爆破振動速度和等效應力均存在相似的變化規律。一方面，無論是水平方向還是豎直方向，爆破振速和等效應力極值均隨著爆心距的增加而不斷減小，且減小的幅度也不斷減小。另一方面，隨著豎向地應力值的增大，各個點位的振速和等效應力極值均呈現出不斷增大的變化趨勢，同時水平方向振速和等效地應力的增加幅度較大，對豎直方向振速和等效地應力極值的影響相對較小。從振速的達峰時間來看，隨著爆心距的增加，達峰時間也不斷增大。另一方面，隨著豎向地應力的增大，振速的達峰時間并沒有發生顯著的變化。由此可見，在雙向不等值地應力條件下，地應力的大小對質點振動速度的傳播幾乎不存在影響。

表7 雙向不等值地應力方案等效應力極值計算結果

3 結語

此次研究利用數值模擬的方式，探討了高地應力環境下輸水隧洞光面爆破振動傳播規律，獲得了地應力大小對輸水隧洞光面爆破振動傳播特征的影響，對相關理論研究和工程建設具有一定的借鑒和參考價值。當然，此次研究在建模過程中將圍巖巖體假設為各向同性均質材料。但是，天然巖體屬于非連續的各向異性材料，這必然會對計算結果的精準性造成影響?；诖?，在今后的研究中可以利用自定義材料類型反映巖體的非均勻性特點，以便得到更為精準的研究成果。