硐室爆破对边坡坡面震动的数值分析

张亚明

(武汉理工大学土木工程与建筑学院，武汉 430070)

隧道硐室爆破在提高隧道挖掘效率的同时，爆破震动很可能使山坡体变得不稳定，甚至诱发滑坡等地质灾害给附近居民的生命财产带来潜在的安全隐患。硐室爆破具有单次炸药量较多，爆破震动较剧烈，并且对山体和房屋等建筑物破坏较大等特点，故研究硐室爆破对临近边坡的坡面震动影响很有必要。目前对于爆破震动的研究更多的是以露天爆破为主，而硐室爆破的研究方向主要在于对地表振动、地面沉降以及巷道支护变形方面，对于硐室爆破对临近边坡震动影响的研究较少[1,2]。随着计算机的发展应用,采用有限元法、有限差分等数值模拟软件研究爆破震动效应越来越广泛[2]。目前有关爆破震动与边坡方面的数值计算大多是模拟露天爆破对边坡的动力响应，对于硐室爆破在临近边坡处的质点震动问题研究较少[3]。

此工程以湖北巴东某铁矿隧道硐室爆破施工为依托，建立硐室爆破震动模型，采用有限差分软件FLAC3D对硐室爆破引起的临近边坡震动进行计算，通过将数值模拟结果与现场监测数据进行比较分析，研究硐室爆破地震波传播规律，得到硐室爆破下边坡上最大质点震速以及对边坡稳定性的影响。

1 工程概况及爆破方案

所研究的矿区位于鄂西南高中三峡谷区，属构造侵蚀高中山地貌，地形切割较强烈，多发育“V”型沟谷，溪沟水系较发育。区内地势总体为西南高北东低，山体海拔标高一般为1 700～1 850 m。矿床内按目前所揭露的岩(土)体岩性及其坚硬程度分为四类，从上至下依次为:松散土(岩)类、软弱岩类，半坚硬岩类及坚硬岩类。隧道断面呈马蹄形，开挖净高3.2 m，最宽3.2 m，围岩为坚硬岩类，岩石等级为Ⅱ级。

此工程爆破方案为:爆破作业为平硐掘进，采用分段爆破。根据工程实情和类似工程经验该矿山巷道掘进面爆破采用全断面施工，一次成形。井巷掘进为钻眼爆破，掏槽方式为楔形掏槽，炮眼直径为φ=40 mm，断面炮眼深为1.8～2 m；现场使用的是2号岩石乳化炸药，装药系数为0.45～0.6，根据该矿石特性、断面情况和类似矿山开采经验，此工程炸药单耗确定为:1.31 kg/m3。

2 计算模型和参数

2.1 模型的建立

为方便爆破荷载模型的建立，将巷道断面简化成半径为2 m圆形，由于边坡模型较复杂，使用FLAC3D内置的建模命令建模较困难，故先通过ansys进行边坡模型的建立，岩层分组完成后再将模型导入FLAC3D中。简化模型如图1所示，岩体力学参数见表1。

表1 岩体参数

岩层密度/(kg·m-3)动弹性模量/GPa泊松比粘聚力/kPa内摩擦角/°松散土(岩)190020．232535软弱岩类2300100．253540半坚硬岩类2500380．286050坚硬岩类2700500．297060

2.2 边界条件及阻尼设置

在处理动力问题时，往往需要通过设置阻尼使模型在动力荷载作用下的运动规律符合现实情况。这是因为如果模型尺寸较小，在动力荷载作用下模型边界会产生波的反射，这种反射波将影响计算结果的可靠性。考虑到计算模型仅选取了隧道掘进方向的一段边坡，故在模型的前后侧，右侧和底部均设置了静态边界。

目前FLAC3D动力计算提供的阻尼形式主要有三种，分别是瑞利阻尼、局部阻尼和滞后阻尼；其中以瑞利阻尼应用较多，此工程模拟也是采用瑞利阻尼。在数值计算中确定瑞利阻尼的参数，一般是通过试算结果并和现场实测资料比较得到的。根据试算，对于岩土材料而言，临界阻尼比的范围一般是2%～5%，此次数值模拟临界阻尼比取0.02，最小中心频率取2.0。

2.3 爆破荷载的确定

炸药的爆炸反应是一个瞬态过程并产生大量高温高压气体迅速膨胀并以极高的压力作用于爆孔壁，确定爆破动力荷载也一直是研究的一大难点。目前爆破荷载的确定往往都是带有经验性的公式，主要有将爆破荷载简化成三角形荷载和级数形式[4]。简化的三角形荷载适用于集中爆破，而用于分段爆破会造成很大的误差，并且峰值压力和爆破时间的确定也比较困难。

为了准确反映硐室爆破下边坡和巷道的震动情况，采用硐室爆破中掌子面附近巷道内的实测震速时程作为数值计算的输入时程[1]，峰值震速138 cm/s，再将震速按式(1)转化成震动荷载加载于隧道四周，数值模拟时硐室爆破荷载的峰值荷载为σmax=13.41 MPa。

σ=ρcpv

(1)

式中,σ为爆破荷载，Pa；ρ为岩土体密度，kg/m3；cp为纵坡(p波)波速，m/s，此工程硐室岩体取3 600 m/s；v为震动速度，m/s。

2.4 本构模型的确定

FLAC3D5.0中共提供了15种力学本构模型，包括1个空模型组、3个弹性模型组和11个塑性模型组，此外，在动力分析模式下，还提供了两种可考虑材料孔压的本构模型。此工程选用摩尔-库伦模型，这种模型适用于土体、岩石和混凝土等材料。

2.5 测点的布置

为了研究硐室爆破下邻近边坡坡面的振动情况，分别在顺着边坡向上和沿着边坡走向进行布点，其中沿着边坡走向的05号测点距离边坡底部39.4 m，其余测点分布于05号测点两侧，间距为5 m，如图2(a)所示；顺着边坡向上测点位于爆破点的剖面上，如图2(b)所示。

3 计算结果和数据分析

3.1 边坡质点振动速度数据分析

由表2可知，在沿着边坡走向的测点中，最大震速出现在05号测点，为0.855 cm/s，05号测点两侧的测点震速相应减小，反映了质点振速峰值随爆心距的增大不断衰减的规律且X方向震速均大于Z方向震速。

在沿着边坡向上的测点中，最大振速出现在坡面最上端的#5测点，Z方向振速0.969 cm/s，Z方向震速大于X方向震速；质点峰值震速明显大于坡面其他测点振速，出现高程放大效应[5,6]。

表2 测点震速数据统计

3.2 边坡稳定性定性分析

边坡坡面质点最大振速出现在坡面最上端的#5测点，为Z方向振速0.969 cm/s。现行的爆破安全规程(GB6722—2014)[7]采用峰值震速和频率双参数作为安全判据。对于永久性岩石边坡，当f≤10 Hz，V为5～9；10 Hz50 Hz，V为10～15。其中f为频率，Hz，V为规范允许的质点震速，cm/s。根据现场实测，硐室爆破边坡震动主频主要集中在30～90 Hz，安全允许震速V为大于8 cm/s，远大于0.969 cm/s，故硐室爆破下边坡是处于安全稳定状态。

3.3 边坡稳定性定量分析

采用拟静力法和简化Bishop对硐室爆破下边坡稳定性影响进行定量分析。采用FLAC3D中内置的强度折减法确定边坡危险滑移面，滑块面经条分后采用简化Bishop法计算，得到未进行硐室爆破时边坡的初始安全系数为1.528。

拟静力法是将爆破振动荷载转化为水平向外(指向边坡临空面)和竖直向下的静荷载来计算。

Q=keW

(2)

ke=BK

(3)

其中,Q为硐室爆破作用于滑块体的拟静力荷载，kN；ke为拟静力系数；W为滑块重量，kN；B为爆破动力折减系数；K为振动系数。

爆破动力折减系数B通常在0.1～0.2范围内取值，具体分析时综合考虑岩体强度、质点振动速度及工程重要性级别等，考虑到该硐室爆破采用的微差爆破，爆破规模较小，总药量较小，故此工程硐室爆破的动力折减系数取0.1。振动系数K是爆破荷载下岩土体质点振动加速度与重力加速度g的比值。由于边坡坡面质点最大振速出现在坡面最上端的#5测点，故通过#5测点的加速度时程来确定质点加速度。水平向加速度取a=1.95 m/s，垂直向加速度取a=2.66 m/s，故水平向和垂直向拟静力系数分别为0.020和0.027。通过式(3)得到各条块的惯性力后，即可使用简化Bishop法得到硐室爆破荷载下边坡的安全系数为1.475，相比未进行硐室爆破时，边坡安全系数减小约3.47%。安全系数减小不大，边坡整体呈稳定状态。

4 结 论

a.边坡坡面峰值震速随爆心距的增大不断衰减，但坡顶峰值震速较坡面质点峰值明显增大；坡面震动峰值以X方向为主，而坡顶水平面质点震动峰值以Z方向为主。由于高程效应的影响，坡顶峰值较大，因此硐室爆破对边坡稳定性的影响要以垂直向为控制方向。

b.通过计算得到边坡的质点峰值震速，结合现行的爆破安全规范对边坡稳定性进行定性评价；利用FLAC3D计算质点振动加速度时程，采用拟静力法和简化Bishop法得到硐室爆破后边坡安全系数为1.475，相比未进行硐室爆破时，边坡安全系数减小约3.47%。安全系数减小不大，边坡呈整体稳定状态。因此对硐室爆破下的边坡稳定性进行定性和定量评价是有效的，对于评价与优化硐室爆破施工方案能够提供有效参考。

[1] 曹孝君.浅埋隧道掘进爆破地表震动效应数值模拟[J].西南交通大学学报，2006，41(6):680-684.

[2] 王 举.隧道洞中爆破振动对地表影响的数值分析[J].土工基础，2017，31(4):443-448.

[3] 陈振中.岩质高边坡爆破动力反应规律及稳定性研究[D].武汉:武汉理工大学，2009.

[4] 陈占军.爆破荷载作用下岩石边坡动态响应的 FLAC3D模拟研究[J].爆破，2005，22(4):8-13.

[5] 郭学彬.爆破振动作用的坡面效应[J].岩石力学与工程学报，2001，20(1):83-87.

[6] 徐 颖，孟益平，吴德义.爆破工程[M].武汉:武汉大学出版社，2014.

[7] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB6722—2014 爆破安全规程[S].北京:中国标准出版社，2014.