爆破荷载作用下隧道围岩稳定性分析.pdf

收稿日期 ２００４ － ０６ － １３ 作者简介 郑际汪（１９７１ － ） ，福建大田县人 ，研究方向为公路工程 。 文章编号 １００３ － ５９２３（２００４）０４ － ００５３ － ０３ 爆破荷载作用下隧道围岩稳定性分析 郑际汪 １ ， 陈理真 ２ （１ ．武警交通第一总队 ，四川 成都 ６１００４１ ； ２ ．重庆市交通规划勘察设计院 ，重庆 ４０００６７） 摘 要 本文采用国际上常用的爆破荷载的计算模式 ， 计算了某隧道爆破时的爆炸荷载 ， 采用 Ansys 大 型有限元程序模拟了有支护隧道围岩在爆破荷载应力波传播情况 ， 分析结果认为 有支护隧道围岩在爆破荷 载作用下振速随距离变化具有明显的衰减特性 ， 锚杆应力分布并不是对称的 ， 故选用支护参数时 ， 不一定选用 对称布置 。 关键词 爆破荷载 ； 应力波 ； 隧道围岩 中图分类号 U４５１ ． ２ 文献标识码 A 1 前言 钻孔爆破开挖施工法在隧道工程中被广泛应 用 ， 但这种施工法存在着爆破引起的波传播和由此 引起的振动对围岩危害 。 随着高速公路建设的发 展 ， 在山岭地区修建公路隧道越来越多 ，特别是在 西部山区高速公路 、铁路建设中 ，本文通过计算某 隧道爆破时爆炸荷载 ，采用 Ansys 大型有限元程 序分析在爆炸荷载作用下有支护隧道围岩中应力 波传播规律 ， 为隧道支护参数的选取起重要作用 。 2 爆破荷载的计算 2 ． 1 爆破荷载模型 目前国际上大多采用的爆破荷载模型为 ［１］ P（t） ＝ Pbf（t）（１） 式中 Pb为脉冲峰值 ；f（t）通常取为指数型 的时间滞后函数 ， 表示成 f（t） ＝ p０（e － nwt ２ － e － nw ２ ）（２） 其中 n 和 m 是无量纲的与距离有关的阻尼参 数 ； 它们的值决定爆炸脉冲的起始位置和脉冲波 形 ；w 是介质的纵波波速 cp和爆孔直径 a 的函数 ， 即 w ＝ ２２cp ３a （３） P０是当 t ＝ tR时 ， 使 f（tR）成为列量纲的最大 值 １ ． ０ 的常数 ，tR通常称作爆炸脉冲的起始时间 ， 它是 n、m 和 w 的函数 tR＝ ２ln（n／m） （n － m） w （４） 对于每个具体工程 ， 先给出 m 、n 一个初值 ，应 用现场量测结果与理论计算对比 ，逐步修正参数 n、m ， 使由上面的模型计算得到的脉冲波形和实测 结果足够接近 。 2 ． 2 某隧道爆破时爆炸荷载计算 图 １ 为 Ⅳ 类围岩半断面开挖的炮眼布置 。 由 于爆破采用的是微差爆破 ，计算时分别计算 ２ 、４ 、 ６ 、 １０ 、 １２ 、 １４ 号 、底板的爆破荷载情况 。 本文只计 算 １４ 号段爆破荷载 。 图 １ Ⅳ 类围岩全断面开挖的炮眼布置 １４ 号段 使用 ２ 号炸药 ，其爆速为 ３０００ m／s ， 密度为 １ g／cm ３ ， 根据式（１） ～ （４）可得爆破荷载的 时间历程为 P（t） ＝ P″maxP０（e － nwt／ ２ － e － mwt／ ２ ） ＝ １１ ． ９ １０ ３ （e － ３６７７ ．２２ t － e － ２３３３ ．６８６ t） MPa １４ 号段的爆破荷载的时间历程如图 ２ 。 ３５矿山压力与顶板管理 ２００４ ．№ ４ 图 ２ １４ 号段的爆破荷载的时间历程 3 爆炸荷载作用下有支护隧道围岩中应力波传播 分析 3 ． 1 隧道围岩计算模型及计算参数 数值分析中可采用简单的概化模型 ， 二维分析 模型按照隧道的实际尺寸取值 ， 分析中围岩岩体材 料采用 Drucker － Prager 模型 ， 利用 Ansys 软件中 动力分析来模拟爆炸荷载 。 图 ３ 数值模拟的计算模型及分析点位图 数值分析采用的力学参数以某隧道为背景 ， 根 据某隧道地质勘察报告提出的 Ⅳ 类围岩岩石力学 实验指标及裂隙 、地下水 、地应力等因数分别采用 RMR 分类 、 岩体质量分级 、超声波分类等方法对 隧道围岩进行分类 ，并结合 Hoek － Brown 准则求 得围岩岩体力学参数根据各种方法求得的力学参 数的平均值 ， 由勘查报告知有限元分析计算的力学 参数 ， 如表 ２ 所示 。 表 ２ 有限元计算力学参数 容重／kN m－ ３抗拉强度／MPa 抗压强度／MPa 变形模量／GPa ２４１ ． ０３１３ ． ５１４ ． ８ 泊松比内聚力／MPa内摩擦角／（） ０ ． ２０ ． ２５３６ ． ５ 3 ． 2 爆破荷载作用下隧道围岩应力波传播 3 ． 2 ． 1 应力波传播的速度衰减分析 图 ４ ～ ６ 是 Ⅲ 、Ⅳ 类围岩有支护情况下在爆破 荷载作用下的位移波形图 。 图 ４ 点（ － ８ ． ４ ，－ ４ ． ８）处波形图 （a） x 方向 ； （b） y 方向 图 ５ 点（ － １９ ． ３ ，－ １８ ． ７）处波形图 （a） x 方向 ； （b） y 方向 图 ７ 为有支护模型在爆破荷载作用下振速随 距离变化关系图（点为左下角点） ， 具有明显的衰减 特性 ， 其关系可用指数函数来拟合 y ＝ ae － bx ，本图 中 a＝ ２２４ ． ５９ ，b＝ ０ ． １１０６ 。 3 ． 2 ． 2 锚杆应力变化分析 图 ８ 是锚杆 A１，A１２的轴向应力随时间变化图 （拉力为正 ， 压力为负） 。 ４５ ２００４ ．№ ４ 矿山压力与顶板管理 图 ６ 点（ － ３１ ． ８ ，－ ３１ ． ７）处波形图 （a） x 方向 ； （b） y 方向 通过分析可得出 （１） 锚杆轴向应力开始阶段上下波动 ， 各锚杆 的图 形 类 似 。 当 A１锚 杆 到 ０ ．００７５ s ， A１２到 ０ ． ０１２ s ，A２３到 ０ ．０１ s 左右时 ，压力增大均将近 ７０００ kN ， 此时应力远远超过了锚杆强度 ，锚杆发 生变形 ，当 A１到了 ０ ．０１２５ s ，A１２到０ ． ０２２５ s ，A２３ 到 ０ ． ０２５ s 左右时 ，压应力慢慢减小 ，随着时间的 推移会进一步的减小 。 图 ７ Ⅲ 、Ⅳ 类围岩在爆破荷载作用下 振速随距离变化关系图 图 ８ 锚杆 A１２轴向应力随时间变化关系图 （a） A１； （b） A１２ （２） 应力集中主要发生在锚杆区 ，在 SX 应力 图中最大应力发生在 A１锚杆附近 ，最小应力具有 不确定性 ， 在 SY 应力图中最大应力发生在 A１２锚 杆附近 ， 最小应力具有不确定性 。 （３） 计算模型的边界条件 、加载条件以及模型 本身都是对称的 ，但是锚杆应力分布并不是对称 的 。 3 结论 （１） 有支护隧道围岩在爆破荷载作用下振速 随距离变化具有明显的衰减特性 ， 其关系可用指数 函数 来 拟合 y ＝ ae － bx ，本图 中为 ２２４ ．５９ ，b ＝ ０ ． １１０６ ， 其中 a 、b和爆破荷载 、 围岩类型等有关 。 （２） 应力集中主要发生在锚杆区 ，在 SX 应力 图中最大应力发生在 A１锚杆附近 ， 最小应力具有 不确定性 ， 在 SY 应力图中最大应力发生在 A１２锚 杆附近 ， 最小应力具有不确定性 。 （３） 计算模型的边界条件 、加载条件以及模型 本身都是对称的 ，但是锚杆应力分布并不是对称 的 。 故选用支护参数时 ，不一定选用对称布置 ，对 于本例来说 ， 在 A１及 A１２附近可加密 ， 其它部位可 以适当减小支护强度 。 参考文献 ［１］ Dowding C ．H ， Aimone C ．T ．Multiple blast － hole stresses and measured fragmentation ［J］ ． Rock Mechanic and Rock Engineering ， １９８５ ， （１８） １７ － ３６ ． ［２］ 李彪 ．高速公路隧道施工中的岩溶研究［J］ ．工程力学 ，２０００ ， （增刊） ７６４ － ７６８ ． ５５矿山压力与顶板管理 ２００４ ．№ ４