隧道进洞爆破施工对边仰坡稳定性影响研究

(重庆交通大学 土木工程学院 重庆 400074)

一、引言

隧道爆破开挖对洞口边仰坡稳定性的影响也十分显著。洞口边仰坡在受到隧道爆破施工后很可能会发生滑塌、泥石流和坡体失稳等严重事故，不仅会对边仰坡稳定性造成影响，严重时还可能对在建隧道、附近居民以及交通线等造成重大危害。而且更会拖延施工工期，给工程带来不可估量的损失。

二、爆破地震波及震动效应

炸药引爆炸时生成的应力波在逐渐减弱后会形成振动波。尽管由于地震波的衰减只有一小部分能量传播，但是若不适当控制会对周边环境带来不可想象的危险和给人们造成很大的损失。

(一)爆破地震波的产生

炸药发生爆炸时，会在周围空间瞬间生成大量的高温、高压气体，对周围介质形成瞬间巨大压力。依据被爆破岩土体的受力特性、破碎程度等将爆破近处的区域分成粉碎区域、破毁区域以及振动区域。

(二)爆破地震波的类型

纵波：在纵波扩展中，质点震荡的方向与传播一个方向，使介质也跟随震动。它的特性是周期时间短、振幅小。

横波：节质的震荡方向与扩展方向成90度角，是横向震荡的，从而造成了质点的垂直性震荡。横波的特性大部分为周期时间有点长、振动幅度非常大、结果岩土体输出剪切性振动。

瑞利波：是一个极为普通表面弹性波。这种波是顺着芈无垠性岩体外表面扩展的震荡波。

勒夫波：只在于波动方向成直角的平面内的剪切波动，没有竖直波动，且只在覆盖有至少一层低速地表层的半无线空间内才会发生。

(三)岩石爆破破坏机理

在均匀岩土体中，埋置在岩土体表面附近一个圆球形炸药包。炸药体与岩土体表面的间距叫作抵抗线。在炸药包点燃后，爆破振动波从中心向外传播。当传播到装药的石壁上时生成初始冲击波。这种初始冲击波使药包附近岩石造成破坏而形成粉碎区，从而使药室扩大。爆炸震动波的波能跟着它在岩石中传播且迅速降低而变成压缩波。

由爆炸产生的裂缝到达表面后，内部的剩下气压继续挤压石头，最终使石块挤出岩面，产生表面的锥性破坏，这个损坏就是爆炸生成地漏斗。

三、工程实例

五峰山隧道工程隧道采用双洞方案，左线全长1009.076m，右线全长1010.089m。隧道设计时速40km/h。

地表的水大部分为直接降水，分为区域内产水、区域外客水两项，他们的空间排列和降雨规律差不多。区域内的河流丰富，他受植物、季节和农田灌溉的影响，能利用的比较有限。除此之外，还有大量的区域外的水资源。

位于恩施盆地南东侧边缘的五峰山隧道工程，在地貌上属于丘陵地区。

(一)模型及材料参数选取

为了减少计算量并尽量计算精确，在MIDAS/GTS NX中模型的边界应应选择大小合适。根据前人的相关研究表明，当所取模型尺寸的边界在2～5倍的隧道开挖范围内时，几乎可以忽略模型边界对爆炸振动的影响。

模型尺寸是以爆炸钻进的真实尺寸数值来取选材料的。建模的大小凭借实例大小建立，该模型主体由边坡体构成，模型宽80米、长100米、高100米；边坡地下宽24米、上面宽32米、高43.7米，边坡为2级台阶结构，台阶高度在20米左右、坡面斜率是1：1。隧道尺寸采用三心圆+仰拱，R1=6.0m， R2=5.5m，R3=15m，宽度11.70m，高度8.25m，断面面积S=81.78m2。隧道采取分层法爆破的方法，然后及时进行喷锚支护作为初期支护。

岩土体材料为四级围岩+土体，初支为混凝土材料。建模过程中运用不一样的本构关系来模拟属性各不相同的物质。岩土体采用莫尔-库伦(M-C)模型，而衬砌结构选用线弹性模型。模型中各材料的力学参数及本构模型如下表3.1所示。

表3.1 材料的物理力学参数

运用有限元方法研究不同爆破水平方向振动强度对边坡稳定性的影响。通过炮震智能监测仪器现场采集到的炮震数据，最大速度为4.65cm/s，借助Matlab软件将速.度曲线转换为加速度响应时程曲线最大为5.82m/s2，最后把计算出的加速度响应时程.曲线加到边坡岩体上进行数值分析。以边坡岩体强度参数为常量，输入水平方向加速度时程曲线数据。

当重力场为13.9m/s2时，边坡水平方向位移发生突变，此时边坡安全系数为1.42。

当振速V<17.93cm/s时，边坡的安全系数大于安全储备系数1.15，说明该位置比较稳定；当振速V=22.84cm/s时，边坡安全系数急剧减小接近临界安全系数1，说明此时边坡随时可能发生滑坡的危险。

边坡坡体破坏形式为圆弧状，伴随振动强度的加大，破坏面逐步扩大，剪应力也相应变大。

四、结论

当安全系数为1.15时，边坡能够承载的最大.爆破.水平振速17.93cm/s，此时的可认为是边.坡的安全振速；当安全系数.为1时，边坡能够承载.的极限爆破水平振速22.84cm/s，此时的振动速.度为临界破坏振速。当.爆破产生的振动速度达到22.84cm/s时，边坡有破坏的可能性。为保证边坡稳定性，爆破产生的振动速度应小于安全振速，禁止超过临界破坏振速。

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