深埋跨断层隧道爆破开挖动力响应规律研究.pdf

第37卷第3期 2020年9月 Vol. 37 No. 3 Sep. 2020 bMg do i 10. 3963/j. issn . 1001 -487X. 2020.03.009 深埋跨断层隧道爆破开挖动力响应规律研究* 骆正娇,李新聲环吉主“,夏新兵二刘痔膚，郑青青“，袁霄雷“ 1.武汉理工大学a. 土木工程与建筑学院;b.道路桥梁与结构工程湖北省重点实验室，武汉430070； ； 2.中国建筑第二工程局有限公司，北京100160 摘要断层带围岩稳定性较差，往往是隧道建设的控制性区域。针对深埋隧道跨断层区域的爆破开挖围 岩动力响应问题，运用有限元软件ANSYS/LS-DYNA，在高地应力和爆破荷载作用下对跨断层隧道进行三维 数值模拟，研究断层的存在对隧道爆破开挖动力响应的影响规律，分析了断层带围岩的振速峰值及最大主应 力附加值峰值的纵向分布特征，总结了隧道开挖后拱顶沉降规律。计算结果表明断层对围岩的动力响应具 有明显的放大作用，主要集中在断层带及其前后区域，且越靠近断层带，放大效应越明显;爆破应力波在断层 与完整围岩的接触面上产生透、反射，靠近接触面左侧的围岩，其动力响应程度大于对称条件下围岩；深埋隧 道开挖推进后，断层内围岩拱顶沉降大于相邻完整围岩。 关键词跨断层隧道；爆破开挖；动力响应 中图分类号U45 文献标识码A 文章编号1001 -487X202003 - 0056 - 07 Study on Dynamic Response Law of Blasting Excavation in Deep Cross-Fault Tunnel L UO Zheng-kun ,L I Xin-ping“ ,SUN J i-zhu“ ,XIA Xin-bingla,2, L IU Ting-ting13, ZHENG Qing-qing”, YUAN Xiao-lei” 1. a . Sch o o l o f Civil En gin eer in g a n d Ar ch it ect u r e ； b. Hu bei Key La bo r a t o r y o f Ro a dwa y Br idge 国家自然科学基金青 年项目No . 51609183 问题研究较少3J0J1]o针对高地应力和爆破荷载作 用下跨断层隧道开挖的动力响应规律,论文采用有 限元软件建立三维数值模型进行深入的研究,来准 确获得跨断层隧道爆破开挖过程中围岩的动力响应 异常区域，以便于采取针对性的措施保障隧道工程 建设的顺利进行，帮助优化炮孔设计、减少药量及调 整开挖方案,并且对开挖后的隧道及时进行支护，避 免围岩失稳坍塌等灾情的发生，同时也为类似隧道 工程的设计及安全施工提供参考。 1数值模型 1.1工程背景工程背景 以摩岗岭某标段隧道为依托,隧址区受磨西断 裂、二郎山断裂、大渡河断裂的交汇部位大断裂带影 响,岩体较破碎,完整性差,构造裂隙等较为发育，最 大埋深为578 mo岩体被挤压破坏，有扭曲现象，有 擦痕,并伴随有层间小错动、小揉皱等现象。在施工 至某段时掌子面揭露一条断层，断层宽度约12 m, 倾角75。,施工中采用了全断面爆破穿越断层的方 法。该段是施工中的重点监测部位,对断层带的动 力响应研究很有必要，针对该段的炮孔设计如图1 所示。 图1全断面开挖炮孔布置图单位m Fig . 1 Full section excavation blast hole layoutunit m 12建立数值模型建立数值模型 ANSYS/LS-DYNA作为最灵活的有限元分析软 件之一，广泛用于非线性动力学计算,非常适合于模 拟由大变形和非线性动态载荷引起的岩石材料破 坏[叫 文章借助ANSYS/LS-DYNA软件，建立模拟 深埋隧道跨断层区域爆破开挖的三维计算模型。结 合实际工程条件,模型尺寸取为60 mx60 mx50 m L xHxW,隧道横截面采用直壁■顶拱型，隧道宽 58爆破2020年9月 5 m,直墙高3. 5叫顶拱半径2. 5 m,断层宽12 m, 倾角75。,最大埋深578叫地应力为20 MPa。模型 采用三维SOLID164单元,并服从D-P屈服准则。 该模型为对称模型,作取半分析。边界条件为1 模型除对称边界外所有外边界面都被定义为非反射 边界，以排除可能在模型边界处生成的反射应力波 的影响；2模型前部施加法向约束,右面施加对称 约束边界，底部施加固定约束；3上面、背面和左 面施加等值法向应力以模拟地应力。隧道计算模型 如图2所示。 图2模型示意图 Fig . 2 Model schematic 13模型计算参数选取模型计算参数选取 研究深埋隧道爆破开挖的动态响应涉及两个载 荷,即静态的地应力和动态的爆破荷载，这是静态・ 动态载荷的耦合问题。考虑到ANSYS/LS-DYNA的 显式动力方法更适用于短时间的瞬态动力计算，如 爆炸、高速冲击等问题,而在处理初始地应力的静态 问题时，则会出现计算效率低、耗时长、精度差等缺 陷。隐式时间积分法更适合计算静态问题,可采用 较大时间步长以节省计算时间，同时滤掉高阶不精 确特征解对系统的影响问，对于这个问题，首先调 用隐式模块来计算爆破开挖的初始静态地应力状 态,从隐式求解阶段获得的应变、应力和位移，然后 在此基础上切换到显示求解[⑷。其中静态的地应 力以压力形式法向施加在模型边界上，爆破等效荷 载以曲面方式加载在隧道围岩周边及其掌子面上。 文章以摩岗岭某标段隧道为依托，采用了全断 面光面爆破穿越断层的施工方法。隧道岩体分段爆 破时,最大爆破荷载峰值产生于掏槽孔段W ,设计 采用40 mm的炮孔直径,2 m的循环进尺，掏槽段装 药量为9.0 kgo相邻段爆孔起爆时差为100 ms,各 段炮孔起爆产生的爆炸冲击波不会相互干扰，因此 仅考虑掏槽孔爆破作用下隧道围岩动力响应的分布 特征。根据爆破指数衰减型荷载 Pt X [ e“- nwt/ 72 - / - mwt/ Q] 1 结合实践并代入相关参数m 0. 035, n 0. 055, w 6. 22 x 10,得 P t 109. 7 x [Q -2417. It - e“ - 1538. 6/]，爆破荷载峰值为 心 18.0 MPa ,其中简化后的等效荷载曲线上升段 tr 2.3 ms,持续作用时间tm 17 ms,爆破荷载采用 三角形荷载以模拟实际中产生的爆炸荷载[⑹，荷载 曲线如图3所示。 图3爆破荷载作用曲线 Fig . 3 Blasting load curve 通过面与面接触选项控制断层带与完整围岩单 元连接的接触界面，完整围岩与断层带的物理力学 参数见表1。隧道由左向右以2 m为一个进尺分 30个开挖步进行，逐层开挖。为研究断层对围岩动 力响应的最不利影响,选取振动破坏最危险区拱顶 作为分析重点，分别于不同断面隧道拱顶上方 1.2m处设置9个关键监测点，如图4所示。 Table 1 Physico-mechanical parameters of surrounding rock 表1围岩物理力学参数 材料 弹模7泊松容重y/粘聚力内摩擦 GPa）比口（kN・ ・ m3） C/MPa角e/。 围岩24.700.2724.31.3246 断层1.420.3219.20.4325 24 I 12 1 24 图4隧道开挖与关键点布置示意图（单位m） Fig . 4 The layout of tunnel excavation5始终保持着S型的增长,7 沉降位移呈直线型变化,8依然沉降值依然变化较 缓。在第三阶段5沉降的增长势头减弱并迅速趋 于稳定;7、8在第三阶段初期都为S型增长，并同 时在开挖到42 m时开始收敛。 2 3 5 7 8 2 3 5 7 8 三二 * * 4 3 2 4 3 2 o 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 50 52 爆破位置/m 图7各监测点开挖沉降位移曲线 Fig . 7 Settlement displacement curve of each monitoring point 断层围岩与周边完整围岩的拱顶沉降有着明显 的差异，断层外2和8的沉降值为1.1 1.3 mm, 断层内3和7沉降值约为1.6 mm,断层中心5的 沉降值为4.1 mmo断层中心5沉降远大于断层边 缘3和7,断层内围岩拱顶沉降比周边完整围岩 大,越靠近断层中心区域沉降范围越大，沉降位移值 也越大。围岩沉降曲线的变化趋势在断层与完整围 岩接触处发生突变，各监测点处沉降位移的变化主 要受到开挖后自由面延伸和岩体性质的影响。整个 开挖期间断层带降值远大于完整围岩，因此，在实际 断层隧道爆破施工中,应重视与爆破掌子面相交的 断层区域,密切关注其动力扰动响应监测结果，并预 先调整开挖方案。 3.3最大主应力附加值分析最大主应力附加值分析 不考虑模型地应力初始化后隧道围岩各处的最 大主应力初始值，仅考虑爆破开挖在原有应力基础 上产生的最大主应力附加值。如图8所示随着爆 破开挖面逐渐接近断层，血和3处最大主应力附加 值迅速达到峰值,此阶段5、7和8的最大主应力 第37卷第3期骆正坤,李新平，孙吉主，等 深埋跨断层隧道爆破开挖动力响应规律研究61 附加值增长幅度较小。在爆破开挖进入断层阶段, 被开挖面逐渐远离的2和3处最大主应力附加值 快速减小，在5迎来了最大主应力附加值峰值后, 2、3和5的最大主应力附加值峰值加速衰减，此 时7和8处的最大主应力附加值增长速度加快。 在开挖远离断层的过程中,7和8先后达到最大主 应力附加值峰值,随后各点的最大主应力附加值加 速减小并趋于稳定。与振速峰值分布规律不同的 是,最大主应力附加值出现在完整围岩3处为 5.01 MPa ,最小值出现在断层中心带的4为 2.5 MPa ,这种现象在凌同华的研究中也有所体 现⑶。 M M M M M o 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 爆破位置/m 图8围岩最大主应力附加值峰值曲线 Fig . 8 Peak value curve of maximum principal stress added value of surrounding rock 由于物理力学性质的差异，完整围岩与断层带 在爆破开挖荷载作用下的动态与静态的动力响应值 有着不同的表现规律。与竖向最大振速相同的是, 最大主应力附加值峰值曲线的变化受到断层两端接 触面的影响同样分为三个主要变化阶段，各曲线的 最大值均处于其所代表区域下方遭受开挖期间；不 同的是，最大主应力附加值峰值的最大值位于完整 围岩，最小值位于断层中心,且接触面附近2、3与 7、8两组值的最大主应力附加值峰值的最大值与 前者的大小分布相反。虽然各点不同的监测值之间 存在异同,其物理规律却是相对应的。隧道中的断 层改变了围岩最大主应力的分布，断层内出现更低 的最大主应力附加值，由于断层处的岩性较弱，相对 其较差力学特性来说，断层处围岩存在着更大的损 伤破坏。 4结论 利用动力有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA对 不同开挖工况下隧道围岩及断层的动力响应规律进 行分析，结论如下 1 断层的存在对爆破扰动下的隧道围岩动力 响应有着明确的放大效应,且越靠近断层■中心位 置，放大效应越明显。综合速度和应力响应来看，断 层对隧道围岩动力响应的影响主要集中在断层带及 其前后区域内。 2 断层会对爆破应力波传播产生干扰，应力 波在接触面上产生透、反射,接触面左侧的围岩的动 力响应程度都大于对称区域对应条件下围岩。动力 响应在接触面两侧都发生突变,曲线弯曲更为明显, 说明在爆破开挖过程中，断层与围岩产生了相对滑 移，应予以重点关注。 3 深埋隧道开挖推进后，围岩会发生变形产 生应力重分布,断层内围岩拱顶沉降大于周边完整 围岩。完整围岩与断层带在爆破开挖荷载作用下的 动态与静态的动力响应值有着不同的表现规律，即 断层中心区域有着整个开挖期间的最大的震速峰值 和沉降位移，也存在着最小的主应力附加值峰值。 4 隧道跨越断层施工时，应优化炮孔设计、减 少药量及调整开挖方案,并且对开挖后的隧道及时 进行支护,避免引发围岩失稳坍塌等灾情发生。 参考文献参考文献References [1] 黄成光，于敦荣公路隧道施工[M ].北京人民交通 出版社,2001. 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