含水和不含水岩体隧洞群爆破开挖的震动比较.pdf

第 32 卷 第 1 期 2015 年 3 月 爆 破 BLASTING Vol. 32 No. 1  Mar. 2015 doi 10. 3963/ j. issn. 1001 -487X. 2015. 01. 014 含水和不含水岩体隧洞群爆破开挖的震动比较 逄焕东 1， 高文乐1， 郭得福2， 师传志2， 魏 征2 （1. 山东科技大学 山东省土木工程防灾减灾重点实验室， 青岛 266590； 2. 中铁隧道集团烟台 LPG 地下储气洞库项目部， 烟台 264000） 摘 要 一般地下岩体中都含有孔隙水， 孔隙水的存在对于隧洞爆破工程有着重要影响。多条隧洞爆破开 挖时， 含水隧洞围岩在爆破激励作用下， 巷道之间也会互相影响。采用现场爆破监测和数值计算相结合的方 法， 对含水、 不含水 2 种不同的工况进行了计算研究 对隧洞群的爆破开挖进行了监测， 提取其中较强的震动 信号， 根据最不利工况的选择， 把它加载到根据实际情形建立的地下隧洞群模型上， 模拟某次实际的爆破过 程。提取计算时程中不同巷道部位较危险位置围岩点的震动数据加以分析， 得到饱和水围岩在爆破震动下 的变化规律， 对含水围岩的安全趋势做出研判， 对同类工程的安全施工作业具有参考价值。 关键词 含水围岩；巷道稳定；爆破震动；围岩位移 中图分类号 TD235. 3 文献标识码 A 文章编号 1001 -487X （2015） 01 -0064 -05 Comparison of Vibration in Excavation Blasting of Tunnels in Saturated and Drained Rock Mass PANG Huan-dong1， GAO Wen-le1， GUO De-fu2， SHI Chuan-zhi2， WEI Zheng2 （1. Shandong Provincial Key Laboratory of Depositional Mineralization Sedimentary Minerals， Shandong University of Science and Technology， Qingdao 266590， China； 2. Yantai LPG Storage Cavern Project Management Department， China Railway Tunnel Group Co Ltd， Yantai 264000， China） Abstract Pore water in underground rock mass plays an important role in tunnel blasting engineering. When several tunnels are excavated together， the tunnels may interact with each other due to the surrounding rock blasting process. Combined with in-situ monitoring and numerical computation， the cases in the saturated and drained rock mass were pered respectively. The excavation blasting of tunnels was monitored and a tunnel excavation simula- tion model was established according to the actual conditions under the worst circumstances by loading strong blasting vibrating. The vibrating characteristic of saturated rock mass blasting was obtained by extracting and analyzing the vi- brating data of surrounding rock at different parts of tunnels. The study helps to identify the security of saturated rock as a reference to safe blasting operation in similar blasting project. Key words saturated rock；stability of tunnel；blasting vibration；displacement of confining rock 收稿日期 2014 -12 -26 作者简介 逄焕东 （1969 - ） ， 男， 山东黄岛人， 副教授、 博士， 主要从 事岩土力学和爆破安全技术的教学与科研工作，（E-mail） phd2050163. com。 基金项目 国家自然科学基金资助项目 （51379116） ； 山东土木工程 防灾减灾重点实验室开放课题 （CDPM2014ZR02） 地下工程开挖过程中， 孔隙水一般都是存在的，而且对工程的开挖起到重要作用， 有时甚至是能否 顺利开挖、 保障安全的关键 ［1， 2］。可以说， 地下工程 的爆破开挖， 就是应对含水条件下， 如何保持生产过 程中围岩稳定的问题。 烟台 LPG 地下水封洞库工程设计储存100 万 m3， 主要由水幕巷道、 交通巷道、 竖井、 泵坑及丁烷、 LPG 和丙烷 3 个主洞库等部分组成组成。其中丁烷及 LPG 主洞库均位于 -90 m 以下， 库容均为25 万 m3， 均由 3 条平行的长度约 270 m 的单洞组成， 单洞截 面成蛋形平底状 （圆形拱顶、 圆形边墙、 水平底板） ， 丁烷及 LPG 主洞库上方 19 m 均布设 3 条水幕 巷道。 目前， 考虑水的渗透作用对洞库群爆破的影响 的研究较少， 所见文献并不多。 1 岩体的动态响应 1. 1 含水岩石的动载特点 孔隙水存在， 将对巷道的安全作业产生重要的 影响 ［3］。一方面， 水会沿着岩体的裂隙流动［4］， 甚 至在局部造成涌水量过大， 给生产过程的安全操作 带来困难 ［5， 6］， 加大了生产管理难度； 另一方面， 水 作为一种惰性介质， 对爆破的动态加载作用产生改 变 ［7， 8］。例如， 它可以作为介质传递爆炸能量， 使得 局部的爆破块度均匀， 同时起到除尘、 降尘的作用， 它在局部加大了爆破能量的分布密度， 因而使得爆 破能量的传递范围减小， 有利于减小爆破震动的影 响范围 ［9］。因此水的存在， 对于巷道群的施工， 有 利有弊， 定量的利弊分析与判断， 直接关系到安全生 产， 是一项极具应用价值的工作。 1. 2 模拟爆破加载 为简化计算， 计算模型取整体工程中， 较为有代 表性特点的一部分。上部为注水巷道， 直径 6 m； 中 部为贮气巷道， 尺寸约为 20 m X26 m （宽 X 高） ， 下 部为运输巷道， 直径 7 m。为建模方便， 将贮气巷道 简化为圆形 （图 1） ， 但并不影响问题的力学本质。 结合实际情况， 模型材料为细粒花岗岩， 不考虑热交 换； 考虑水的作用时候， 假定为孔隙饱和水。 图 1 洞库和计算点的分布 Fig. 1 Distribution of computation points and tunnels 计算分 2 种工况进行讨论和比较 不含水； 含 水。计算参数见表 1。为尽量接近真实受力工况， 在上边界加载1 MPa 的压强， 设底部、 右侧为约束边 界， 左侧为上下可滑动 （滚轮） 边界。 表 1 计算参数表 Table 1 Computation parameters 参数花岗岩 密度/ （kgm -3） 2750 杨氏模量/ MPa3. 5 X109 无水 围岩 泊松比/ ε 0. 25 质量阻尼0. 05 刚度阻尼0. 07 密度/ （kgm -3） 2750 泊松比/ ε 0. 25 孔隙比/ λ 0. 01 压缩系数/ m -1 4 X10 -10 含水 围岩 渗透系数/ （ms -1） 1 X10 -12 动力黏度/ （Pas）1. 308 X10 -3 毕 - 奥系数/ Pa -1 1 体积模量/ MPa2. 5 X1010 剪切模量/ MPa1. 3 X1010 图 2 是一次代表性的爆破曲线， 将其加载到运 输巷 1 边界上， 加载时程为 3 s。该爆破曲线是模拟 最不利工况， 在主洞开挖之后， 通过在周边运输巷道 1 进行爆破作业时候， 提取某一周内临近巷道的最 近距离观测点数据的特征值得到的， 具有较好的代 表性。把该震动数据施加于运输巷道岩壁， 来考察 爆破震动对运输巷道围岩、 主洞库围岩岩壁、 注水巷 道上顶板和下底板的影响， 能够反映出周边巷道对某 一条已开挖巷道的爆破作用强度。可以看出， 爆破的 发生， 相当于对围岩进行一次短暂时间的瞬间加载， 其峰值的影响的时间很短， 一般在200 ms 以内。 图 2 爆破震动的简化曲线 Fig. 2 Simplified curve of blasting vibration 2 不同围岩的爆破响应 2. 1 不含水围岩 不考虑水的作用， 地下爆破开挖的过程相对简 单， 不考虑爆破近区的岩石破碎， 针对临近爆破巷道 56第 32 卷 第 1 期 逄焕东， 高文乐， 郭得福， 等 含水和不含水岩体隧洞群爆破开挖的震动比较 的围岩， 就是结构的动态响应问题。围岩内部岩体 各点的震动位移 （总位移， 下同） ， 可以通过计算得 到。这里对图 1 所示 4 组探测点 1 11 的位移情况 进行了计算。其精确坐标分别是 1 （45， 40） ， 2 （55， 40） ， 3 （65， 40） ； 4 （40， 58） ， 5 （55， 58） ， 6 （70， 58） ； 7 （40， 82） ； 8 （55， 82） ； 9 （70， 82） ； 10 （75， 94） ； 11 （75， 105） 为更加清楚地显示不同位置上爆破作用的差 别， 图 3 （a） （d） 分别给出了上述 4 组点在爆破动 荷载作用下的围岩位移情形， 截面上其他部分的位 移变化见图 4。 图 3 围岩不同点在爆破作用下的位移 Fig. 3 Displacement of surrounding rock points under blasting vibration 图 4 围岩在爆破作用下的位移 Fig. 4 Displacement of surrounding rock under blasting 从图 3 可以看出， 距离爆破巷道最近的 1 3 点， 其爆破作用位移随距离而衰减； 4 点位于爆破巷 道的正上方， 其位移明显比较位于一侧的 5、 6 点大 得多； 7、 8、 9 三点位于贮气巷道正上方， 由于下方空 间的作用， 3 点的位移被放大， 位移数值比较大， 最 终趋向于 20 25 cm 左右。 这说明， 空穴的存在， 对震动位移有着关键的影 响。10、 11 两点距离爆破作业位置比较远， 2 条震动 曲线几乎重合。这说明在远处， 爆破震动位移趋向 于稳定， 巷道孔洞的存在， 影响已经不是那么显著 了， 当然这与该处洞库尺寸较小也有关系。 分析图 4， 可以发现， 当开挖断面较大时， 顶板 的围岩会发生很大的位移。这意味着， 要对顶板的 稳定进行处理， 防止冒落事件。 2. 2 含水围岩 含水围岩情况下， 洞库群爆破开挖导致的位移 变化由图 5 （a） （d） 以及图 6 表示。从计算结果 看， 与不含水的计算结果对比， 含水岩体的爆破震动 位移要小得多， 两者相差几十倍， 分析认为主要是水 66爆 破 2015 年 3 月 的阻尼作用所引起的。 图 5 临近巷道围岩的位移变化 Fig. 5 Displacement change of surrounding rock close to tunnel 比较各点， 其震动都很小， 7、 8、 9 点较大， 同样 显示出贮气巷道的孔洞放大效应。1 6 点由于水 的衰减作用， 位移很小。一种新的情况是， 7 11 点 的位移变化趋势是逐渐上升的， 图 5 （c） 、（d） ； 而其 他各点是趋向于一个稳定值， 曲线趋向水 平， 图 5 （a） 、（b） ； 图 3 （a） （d） ， 我们认为这可能是由 于水的作用， 位移超出了某一门槛值， 导致变形不能 恢复， 形成永久的塑性位移。而图 3 中的位移， 应当 是因为没有水的作用， 岩体仍然处于弹性阶段， 尽管 变形较大， 仍然能够部分恢复原状， 因为其最终位移 也没有完全归零。 图6 与图4 比较， 可以看出含水、 不含水时岩石 整体的位移变化情况。各个部分的位移趋势类似， 但 是含水工况下位移的数值大为减小。主要的原因就 是， 水的存在极大地消耗掉了爆破震动能量， 使之在 比较小的范围内就消耗殆尽， 从而降低了远处的爆破 震动位移， 当然其他爆破效应也会大大降低。可见， 水的存在， 对于爆破震动位移的降低， 极为有利。 图 6 围岩在爆破作用下的位移 Fig. 6 Displacement of surrounding rock under blasting 为了判断计算结果的准确性和有效性， 图 7 给 出了丙烷库顶 2 层爆破开挖时， 围岩的收敛变化情 况。其变化一般在 5 mm 左右， 如果近似认为该收 敛为巷道围岩的位移， 与我们的计算差距不大。该 观测是在断面分部开挖时所测得， 我们的计算是经 过模型与加载简化， 把整个巷道断面周长作为加载， 76第 32 卷 第 1 期 逄焕东， 高文乐， 郭得福， 等 含水和不含水岩体隧洞群爆破开挖的震动比较 考虑到实际施工是分断面、 多次爆破， 所以计算结果 是可以接受的。 图 7 围岩在爆破作用下的收敛 Fig. 7 Convergence of surrounding rock under blasting 3 结论 通过上述计算结果分析， 对含水围岩洞库群的 爆破震动位移规律总结如下 （1） 大型地下水封洞库工程， 水的存在能够大 大降低震动位移， 可以把注水作为减震的方法。 （2） 大型地下水封洞库的爆破施工， 下方爆破 会对上方的巷道围岩产生较大的不利影响， 特别是 上方巷道断面积很大的时候。如果存在这样情形， 应当调整施工顺序， 先开挖小断面巷道， 后开挖大断 面巷道。 （3） 水可能会加剧围岩的爆破震动永久位移， 使得岩体的弹性下降， 所以含饱和水岩体的处理方 法， 应当改变， 不宜作为纯粹弹性体对待。 （4） 水的作用有利有弊， 如果作为减振措施， 所 应用的岩体应当是较为均匀的， 裂隙、 节理发育的岩 体不适合该方法。 参考文献 （References） ［1］ 杨太华. 水电工程中岩体渗流耦合问题及安全风险研 究 ［M］ . 上海 华东理工大学出版社， 2009. ［2］ 汪亦显. 含水及初始损伤岩体损伤断裂机理与实验研 究 ［D］ . 长沙 中南大学， 2012. ［2］ WANG Yi-xian. Damage weakening and fracture failure mechanism for rock mass concerning influence of water and initial defects ［D］ . Changsha Zhongnan University， 2012. （in Chinese） ［3］ 杨立中， 黄 涛， 贺玉龙. 裂隙岩体渗流-应力-温度耦 合作用的理论与应用 ［M］ . 重庆 西南交通大学出版 社， 2008. ［4］ 赵延林， 曹 平， 王卫军. 裂隙岩体渗流-损伤-断裂耦 合理论及工程应用 ［M］ . 徐州 中国矿业大学出版社， 2012. ［5］ 梁 鑫， 程谦恭， 杨晓云. 含水率对采空区顶板稳定影 响研究 ［J］ . 铁道标准设计， 2012 （9） 15-18. ［5］ LIANG Xin， CHENG Qian-gong， YANG Xiao-yun. Influ- ence research on goaf roof stability of different water con- tent ［J］ . Railway Standard Design， 2012 （9） 15-18.（in Chinese） ［6］ 杨玉银， 廖成林， 温定煜， 等. 南水北调穿黄河隧洞爆破 振动控制技术研究 ［J］ . 工程爆破， 2013， 19 （5） 17-21. ［6］ YANG Yu-yin， LIAO Cheng-lin， WEN Ding-yu，et al. Blasting vibration control technology study of tunnel across the yellow river of south-to-north water transfer project ［J］ . Engineering Blasting， 2013， 19 （5） 17-21.（in Chi- nese） ［7］ 张 勤. 脆性岩石热-力-损伤耦合机理及数值模拟研 究 ［D］ . 武汉 武汉大学， 2013. ［7］ ZHANG Qin. Numerical modeling of coupled thermo-me- chanical-damage behaviors for brittle rocks ［D］ . Wuhan Wuhan University， 2013. （in Chinese） ［8］ 张智超， 陈育民， 刘汉龙， 等. 孔隙水压力及炸药埋深 对堤坝爆炸效应的影响分析 ［J］ . 岩土力学， 2012， 33 （7） 2214-2230. ［8］ ZHANG Zhi-chao， CHEN Yu-min， LIU Han-long， et al. A- nalysis of influences of pore water pressure and buried depth of explosive on blasting effect of embankments ［J］ . Rock and Soil Mechanics， 2012， 33 （7） 2214-2230.（in Chinese） ［9］ 陈 明， 卢文波， 严 鹏， 等. 爆破开挖对岩体含水裂 纹扩展的扰动机制 ［J］ . 岩土力学， 2014， 35 （6） 1555- 1560. ［9］ CHEN Ming， LU Wen-bo， YAN Peng， et al. Disturbance mechanism of blasting excavation to aquiferous rock crack propagation ［J］ . Rock and Soil Mechanics， 2014， 35 （6） 1555-1560. （in Chinese） 86爆 破 2015 年 3 月