软弱围岩隧道爆破开挖围岩应力分布及变形控制研究

王轶++熊山铭��

摘要：为了研究软弱围岩隧道爆破施工过程中掌子面周边围岩应力和位移的变化情况，依托寻全高速松虎坑3号隧道爆破施工实例，利用有限元软件MIDAS/NX对软弱围岩隧道爆破过程中掌子面周边围岩的位移时间变化及其应力分布情况进行了分析，并且总结了软弱围岩隧道开挖过程中围岩的变形机理及相应的控制变形工程对策。结果表明：爆破过程中爆破荷载的主应力对已开挖洞室周边围岩的影响范围较小，掌子面周边围岩的位移沿开挖轮廓线向四周扩散，其位移量也逐渐减小。

关键词：软弱围岩隧道；爆破施工；爆破荷载；应力和变形

中图分类号：U455.6文献标志码：B

0引言

近年来，许多学者对爆破开挖后围岩的稳定性做了大量的研究。宋波等[12]通过现场监测和数值模拟相结合的方法，对爆破作用下围岩的稳定性进行了分析；阳生权等[34]基于地下结构及对围岩的爆破震动监测，通过分析峰值质点振动速度及其主振动频率，阐述了围岩介质体中爆破地震波的传播规律以及地下结构与围岩爆破的地震效应；肖明等[57]根据数值计算提出了在地下洞室开挖爆破中，确定围岩松动圈、预估岩体开裂深度及爆破损伤影响范围的方法；傅洪贤[8]采用超声波方法测试并分析围岩爆破松动圈的大小、形状及主要影响因素。虽然众多学者做了大量的研究，但在软弱围岩隧道爆破过程中掌子面周边围岩的受力和变形的时程分析方面还缺乏广泛认识和深入研究。

鉴于此，本文采用时程分析的方法对爆破施工过程中各阶段围岩的位移变化情况和所占比例进行整理和统计，并以此分析围岩的变化趋势。另外，对掌子面周边的主应力进行分析，对最大主应力的分布情况及其对已开挖洞室轮廓线的影响进行探讨，以期提高隧道爆破开挖效率，并为类似工程提供借鉴。

3.5应力分析

从图7可以看出，掌子面围岩应力以压应力为主，而其周边围岩应力以拉应力为主，最大主应力P1=-4.42×10-3 kN·m-2，出现在掌子面前方10 m范围。根据模拟结果，在实际爆破施工过程中可以确定爆破荷载对掌子面影响的纵向深度范围在10 m之内，说明在掌子面爆破开挖时，后方10 m的围岩应及时施作初期支护。

图7最大主应力P1的分布

由以上分析可知，爆破荷载的主应力对于掌子面及前方作用力最大，故在爆破过程中可充分利用爆破荷载对掌子面前方围岩做功而使其破碎。利用爆破荷载的主应力分析可以计算出爆破功能利用率。采用调整装药位置和爆破时间的方法，可以提高爆破过程中的掌子面出渣效率。另一方面，如果药量适当，爆破荷载对于隧道已开挖轮廓线周围围岩的做功几乎为零，不会破坏已开挖轮廓线的尺寸。

4软弱围岩隧道变形控制

4.1软弱围岩的变形机理

一般围岩爆破施工引起的变形机理可以概括为：连续介质的弹塑性变形、结构面的张开闭合及颗粒的分离与扩容。变形反应有时间、空间上的过程，应力的重分布导致围岩的物理力学性质变化，从原始应力状态转化为二次应力状态，至支护稳定后的三次应力状态[11]。爆破开挖将会导致围岩的二次应力状态，如果超前支护措施能够最大限度控制围岩变形接近原始应力状态，就可以令应力重分布对围岩的物理力学性质的负面影响降到最低，从而降低施工风险[1213]。

4.2围岩变形的工程对策

为了控制围岩变形，首先，要采用分布开挖及柔性支护来增加掌子面的自稳能力，释放围岩内部荷载，以此增加洞室的稳定性；其次，采用超前预约束及超前加固控制措施防止挤出变形；最后，以合理的支护措施约束围岩变形，由于刚性支护不允许掌子面通过后围岩发生较大的变形，在软弱围岩持续变形的情况下，刚性支护的初期变形无法控制，极易导致围岩变形而引起支护体系彻底崩溃，因此软弱围岩隧道支护措施一般应采用柔性支护，并预留变形量，充分释放围岩应力，从而取得较好的围岩变形控制效果。

5结语

以寻全高速公路松虎坑3号隧道为研究对象，利用有限元软件MIDAS/NX详细模拟分析了软弱围岩隧道掌子面爆破开挖过程中围岩应力和位移的分布情况，由数值模拟结果可以得到以下结论。

（1）在软弱围岩掌子面爆破过程中，围岩的位移范围由隧道轮廓线逐渐扩大至周边围岩，且围岩的位移逐渐变小并趋于稳定状态。爆破完成后，已开挖轮廓线周边位移较为明显，应注意及时施作初次衬砌，对围岩进行加固，以免已开挖轮廓线上部围岩松动坍塌。

（2）爆破荷载的主应力对于掌子面及前方作用力最大，故在爆破过程中可充分利用爆破荷载对掌子面前方的围岩进行破碎。利用爆破荷载的主应力分析可以计算出爆破功的利用率。采用调整装药位置和爆破时间的方法，可以提高爆破过程中的掌子面出渣效率。爆破荷载的主应力分析还证明，如果装药正确，爆破荷载对于隧道已开挖轮廓线范围围岩的做功几乎为零，不会破坏已开挖轮廓线的尺寸。

（3）软弱围岩隧道爆破开挖控制变形的方法包括及时支护、超前预约束柔性支撑，要根据实际情况具体安排，避免出现支护过早或者过刚而引起围岩破坏的现象。

参考文献：

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[责任编辑：杜卫华]