深埋隧洞开挖围岩爆破损伤的PPV阈值研究.pdf

第35卷第4期 2018年12月 Vo l. 35 No . 4 Dec . 2018 爆破 BLASTING do i10.3963/j.issn. 1001 -487X. 2018.04.006 深埋隧洞开挖围岩爆破损伤的PPV阈值研究* 陈奕阳，杨建华傣济勇，姚池 南昌大学建筑工程学院，南昌330031 摘 要针对深埋圆形隧洞爆破开挖，采用LS-DYNA数值模拟方法，研究了不同地应力水平下爆破荷载作 用产生的围岩损伤分布、PPV衰减规律以及岩体爆破损伤对应的PPV阈值。研究结果表明在地应力水平 较低的情况下，围岩损伤主要由爆破荷载引起,岩体表现为张拉损伤破坏；随着地应力水平的提高，围岩损伤 范围减小，岩体爆破损伤的PPV阈值增大；当地应力水平达到足以引起岩体损伤破坏时，随着地应力水平的 进一步提高，围岩损伤范围增大，岩体爆破损伤的PPV阈值呈减小的趋势。因此，深埋隧洞开挖的爆破振动 安全控制标准须考虑地应力的影响。 关键词深埋隧洞；爆破；地应力；损伤；PPV 中图分类号U455 文献标识码A 文章编号1001 -487X201804 - 0034 - 06 PPV Thresholds for Initiation of Blast-induced Rock Damage during Deep Tunnel Excavation CHEN Yi-yang, YANG Jian-hua, CAI Ji-yong, YAO Chi Sc ho o l o f Civil Engineering and Arc hit ec t ure, Nanc hang Universit y, Nanc hang 330031,China Abstract Fo r blast ing exc avat io n o f a deep c irc ular t unnel, t he dist ribut io n o f t he ro c k damage c aused by blast lo ading under different in-sit u st ress levels was st udied by using a numeric al simulat io n met ho d based o n t he so ft ware LS-DYNA. The peak part ic le velo c it yPPV at t enuat io n asso c iat ed wit h blast ing was subsequent ly invest igat ed t o ac quire t he PPV t hresho lds fo r blast -induc ed ro c k damage under different in-sit u st ress levels. The result s sho w t hat at lo wer in-sit u st ress levels, t he damage in t he surro unding ro c k is mainly c aused by blast lo ading in t ensio n mo de. As t he in-sit u st ress inc reases ,t he blast ing damage ext ent int o t he t unnel pro files is reduc ed and t he PPV t hresho lds are ac c o rdingly inc reased. When t he in-sit u st ress reac hes a value high eno ugh t o c ause ro c k damage due t o st ress redis t ribut io n ,t he damage ext ent t urns t o inc rease and t he PPV t hresho lds begin t o dec rease wit h t he furt her inc rease in in-sit u st ress levels. Therefo re, t he influenc e o f t he in-sit u st ress o n ro c k damage sho uld be c o nsidered in t he blast ing vibrat io n st andards wit h respec t t o deep t unnel exc avat io n. Key words deep t unnel ； blast ing ； in-sit u st ress ； damage ； PPV 随着我国国民经济的持续快速发展，土地资源 收稿日期2018 -07 -14 作者简介陈奕阳1993 -，女，湖北咸宁人，硕士研究生，主要从事 深埋岩体爆破开挖研究,E-mail c yync u 163. c o mo 通讯作者杨建华1986 -,男，湖北荆州人，副教授、工学博士，主 要从事深埋岩体爆破开挖研究，E-mail yangjianhua86 nc u. edu. c n0 基金项目国家自然科学基金项目51509126、U1765207；江西省自 然科学基金项目20161BAB206127；江西省教育厅科学 技术研究重点资助项目GJJ150030 短缺与地表资源枯竭等问题日益突岀，地下空间开 发与利用越来越受到重视。在水电、交通、采矿等行 业,地下工程开挖已进入1000 - 2000 m以深水平, 如锦屏二级水电站引水隧洞最大埋深达 2525 m[12]o钻爆法目前仍然是深埋洞室岩体开挖 的主要手段。赋存于高地应力条件下的深埋洞室岩 体爆破开挖是炸药爆炸产生的动应力和静态地应力 共同作用的结果⑶。地应力的存在改变了爆生裂 第35卷第4期陈奕阳，杨建华,蔡济勇，等 深埋隧洞开挖围岩爆破损伤的PPV阈值研究 35 纹的起裂方向和扩展长度，影响了岩体爆破破碎效 果,进而影响爆炸地震波的产生与传播〔呵。目前国 内外大多以质点峰值振动速度PPV作为地下洞室 爆破振动安全控制的指标。以往多采用一维应力波 理论，根据岩体抗拉强度或极限拉伸应变推算临界 振动速度［9J0］o对于深埋洞室爆破开挖，这种方法 因未考虑岩体的初始应力状态，可能会带来过严的 爆破振动限制问题。针对地应力对岩体爆破振动破 坏的影响，有学者尝试建立地应力影响下的爆破振 动安全判据及控制标准。如朱瑞康和李铮提出以岩 体动力强度和洞室围岩所受动静应力之和相平衡的 条件确定爆破振动破坏的临界振速⑴〕；李新平 等、朱俊等采用FLAC3D数值模拟评价了静态地 应力和爆破动荷载对洞室稳定性的影响，并结合 岩体动态抗拉强度提出了相邻洞室围岩破坏的临界 振速;Xia等采用数值模拟、基于围岩损伤提岀了相 应的爆破振动速度控制标准〔⑷；贾虎和徐颖、徐 轩等将上覆岩体的应力作用计入在内［⑷，推导了爆 炸应力波产生的岩体损伤范围计算公式及相应的临 界振速。 采用动力有限元数值模拟方法,研究在不同地 应力水平下圆形隧洞爆破开挖产生的围岩损伤分布 及相应的PPV衰减规律，探讨深埋隧洞爆破开挖岩 体损伤PPV阈值的变化规律,为深部岩体工程开挖 爆破振动安全控制标准的制定提供参考依。 1计算模型与荷载 11分析模型 考虑在山体中开挖一条半径为5 m的圆形隧 洞，采用全断面毫秒延迟爆破方式进行开挖，如图1 所示。在开挖掌子面上由里向外依次布置1圈掏槽 孔、3圈崩落孔、1圈缓冲孔以及1圈光面爆破孔，分 别采用段别为MS1、MS3、MS5、MS7、MS9和MS11的 毫秒延迟雷管起爆。为避免爆破荷载反复作用产生 的岩体损伤累积对分析结果的影响，仅对周边孔 MS11段爆破进行研究。 深埋隧洞爆破开挖是一个非常复杂的三维动力 学过程,为简化分析,本文将深埋隧洞开挖假定为平 面应变模型，隧洞所在区域的地应力场为静水地应 力场，大小为％。采用动力有限元数值模拟软件 LS-DYNA建立如图2所示的平面应变模型，模型尺 寸为80 mx80 m,通过在模型四周边界施加压应力 来获取地应力场，岩体的物理力学参数如表1 所示。 图1深埋圆形隧洞全断面毫秒延迟爆破开挖示意图 Fig. 1 Sc heme o f a deep-buried c irc ular t unnel exc avat ed 图2动力有限元计算模型图 Fig. 2 Dynamic finit e element mo del used in t he c alc ulat io ns 表1岩体物理力学参数 Table 1 Physical and mechanical parameters of the rock 弹性模量/ GPa 泊松比 密度/ kg m-3 单轴抗压 强度/MPa 单轴抗拉 强度/MPa 56.20.242700708 12损伤模型 深埋洞室爆破开挖过程中，炮孔周围岩体既存 在压应力、也存在拉应力，同时在爆炸冲击荷载作用 下炮孔近区岩体应变率效应明显。因此，所采用的 岩体损伤模型应同时考虑拉压损伤及应变率的影 响。美国交通部针对混凝土材料所建立的CSCM Co nt inuo us Surfac e Cap Mo del模型在考虑拉伸荷 载作用下材料脆性破坏的同时，也考虑了压缩荷载 作用下材料的延性破坏以及应变率效应。Tao等人 的研究表明［,7］.cscm模型对深部硬岩也同样适 用，能够较好地模拟深部岩体爆破开挖的情况。因 36爆破 2018年12月 此，本文采用CSCM损伤模型开展数值计算。 在拉伸条件下，当与应变能相关的物理量7,超 过材料损伤的阈值％时，材料开始出现脆性损伤破 坏。脆性损伤取决于最大主应变 T, J E％“为最大主应变。 材料处于压缩状态时，当与应变能相关的物理 量仇超过损伤阈值仏时，材料开始出现延性损伤。 延性损伤与总应变有关，即 式中巧‘为应力张量;勺为总应变张量。损伤阈 值九和％由材料的剪切塑性表面确定，计算过程 中无需用户指定。 随着损伤累积，损伤变量D的演化方程为 Dt. I* 0. 999 r d L r 16 1 1 以‘讼 _ ]]，” 3 式中D t,和D tJ分别为拉伸和压缩条件下 的损伤变量;Dg*为计算过程中损伤变量所能达到 的最大值,。唤01；”为体积应变，受拉为正、受压 为负；a、b、c和d为应力-应变曲线形状参数，具体确 定过程详见文献［17］。 材料损伤演化过程中的应力为 1 -D 30 s 1 ，怯 P10时，即判定岩体发生了损伤破坏。由此可 得岩体爆破损伤对应的损伤变量阈值为Dcr 0. 19o DDD Fringe Levels 9.990e-01 随着地应力水平的提 高（0-020 MPa以内），围岩损伤深度逐渐减小，且 减小的速率越来越慢。这是由于岩体的抗拉强度较 小,爆破荷载作用下围岩主要表现为张拉损伤破坏; 而地应力场的压缩作用对爆破张拉效应起抑制作 用，因而地应力作用下围岩损伤深度减小。但当地 应力达到较高水平后（20 MPa以上），随着地应力进 一步增大，围岩损伤深度增加，如图5,。。30 MPa 时的围岩损伤深度大于o-o 20 MPa时的围岩损伤 深度。这是由于在爆破荷载产生张拉损伤的基础 上，高地应力重分布在围岩中产生了压剪损伤。 从以上分析可知,低地应力水平下的浅埋隧洞 爆破开挖产生的围岩损伤以爆破荷载作用为主;地 应力对爆破荷载张拉效应起着非常明显的抑制作 用，髙地应力条件下深埋隧洞爆破开挖产生的围岩 损伤主要由地应力重分布引起。 2.2不同地应力水平下的PPV衰减规律 图6给出了不同地应力水平下质点峰值振动速 度随距离的衰减曲线。可以看到,0-（, 0 MPa时，由 于此种工况围岩损伤范围最大、损伤程度最为严重, 爆破荷载在洞壁上产生的振动速度最大，其质点峰 值振动速度随距离衰减也最快;地应力从0 MPa增 大到20 MPa,随着地应力水平的提高，围岩损伤范 围和损伤程度降低，洞壁上的峰值振速也相应减小, 峰值振速衰减速率变慢；当地应力达到20 MPa以上 后，由于地应力重分布在岩体中产生了压剪损伤，围 岩损伤加剧，洞壁上的峰值振速又开始增加,峰值振 速衰减速率加快。 图5不同地应力水平下的围岩损伤深度 Fig. 5 Damage dept hs o f t he surro unding ro c k under different in・sit u st ress levels 爆破质点峰值振动速度的衰减规律一般采用下 式进行描述 11 式中为最大单响药量;R为测点至爆源中心 的距离;K和a为与地质条件、岩性、爆破类型和爆 破参数有关的系数。 38爆破2018年12月 图6不同地应力水平下的PPV衰减曲线 Fig. 6 PPV at t enuat io n c urves under different in・sit u st ress levels 一般来讲，坚硬完整的岩体对应的K值大，软 弱破碎的岩体对应的K值小。系数a表征质点峰 值振动速度随距离的衰减速率,a越大，衰减越快。 从对图6的分析发现，随着地应力水平的提高，系数 K和a呈现先减小后增大的变化规律，如表2所示。 因此，对于深埋洞室爆破开挖,在确定爆源近区质点 峰值振动速度的衰减时应考虑地应力对围岩损伤的 影响。 表2不同地应力水平下的K和a Table 2 Coefficients K and a under different in-situ stress levels 地应力/MPa K a 0 83.4 0.73 278.0 0.69 575.2 0.68 10 20 30 69.9 69.4 0.65 0.63 70.1 0. 69 2.3不同地应力水平下岩体爆破损伤的PPV阈值 在损伤变量D D„ 0. 19处所对应的质点峰 值振动速度即为岩体爆破损伤的PPV阈值。在获 得围岩损伤深度和围岩近区质点峰值振动速度随距 离的衰减曲线后，损伤深度与峰值振速衰减曲线的 交点所对应的速度即为岩体爆破损伤的PPV阈值。 图7给出了不同地应力水平下岩体爆破损伤的 PPV阈值。由于地应力对爆破荷载张拉损伤起抑制 作用，在020 MPa内，随着地应力水平的提高，岩 体爆破损伤的PPV阈值增大。地应力达到20 MPa 以后，由于地应力重分布在岩体中产生了压剪损伤, 爆破荷载产生相对较小的振动速度也可以使围岩损 伤进一步扩展;此时随着地应力水平的提高，岩体爆 破损伤的PPV阈值降低。 _ , s s 、 0 昼 U 图7不同地应力水平下岩体爆破损伤的PPV阈值 Fig. 7 PPV t hresho lds fo r init iat io n o f blast -induc ed ro c k damage under different in-sit u st ress level 整体上看，岩体爆破损伤的PPV阈值随地应力 的提高呈现先增大后减小的变化过程。由此可见, 以PPV作为地下洞室爆破安全控制指标需考虑地 应力对围岩损伤的影响。爆破产生的质点峰值振动 速度与最大单响药量密切相关。由于岩体爆破损伤 的PPV阈值随地应力不同而变化，则最大允许单响 药量也应作相应的调整。由于地应力对爆破张拉损 伤破坏起抑制作用,相比于浅埋隧洞，中等埋深隧洞 爆破开挖所采用的最大允许单响药量可以相应地增 加。而对于深埋隧洞，当地应力重分布足以破坏围 岩时，所采用的最大允许单响药量则应减少，以避免 爆破产生的动应力与地应力重分布共同作用加剧围 岩的损伤破坏。 3结论 通过以上计算分析，可以得到如下主要结论 1 爆破荷载作用下岩体主要表现为张拉损伤 破坏,地应力对爆破张拉效应起抑制作用，较高水平 的地应力重分布可在围岩中产生压剪损伤破坏。 2 对于深埋隧洞爆破开挖，随着地应力水平 的提高，围岩损伤范围先减小后增加,岩体爆破损伤 的PPV阈值呈先增大后减小的变化规律。 3 深埋隧洞开挖爆破安全控制标准的确定须 考虑地应力对围岩损伤的影响，爆破所采用的最大 允许单响药量也应根据地应力水平作相应的调整。 深埋隧洞爆破开挖产生的围岩损伤是一个非常 复杂的研究课题，本文的数值模拟研究作了相应的 简化和假定，对于深埋隧洞开挖岩体爆破损伤PPV 阈值的定量确定，还需开展大量的现场试验研究。 参考文献References [1]谢和平，高峰，鞠杨.深部岩体力学研究与探索 [J].岩石力学与工程学报,2015,3411 2161-2178, 第35卷第4期陈奕阳，杨建华,蔡济勇，等 深埋隧洞开挖围岩爆破损伤的PPV阈值研究39 [1 ] XIE He-ping,GAO Feng,JU Yang. 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