穿越煤層段隧道爆破振動對圍巖穩定性影響研究*

張 平 ，袁 梅,2,3 ，王元智 ，許石青 ，隆能增 ，李鑫靈

(1.貴州大學 礦業學院，貴州 貴陽 550025；2.貴州省非金屬礦產資源綜合利用重點實驗室，貴州 貴陽 550025；3.貴州省優勢礦產資源高效利用工程實驗室，貴州 貴陽 550025；4.貴州高速公路集團有限公司，貴州 貴陽 550025)

0 引言

隨著國家對交通基礎設施投資的增加，公路、鐵路的建設進入全面高速發展階段，隧道工程也得到前所未有的迅速發展[1-2]。隧道工程在向縱深發展中多為山地、丘陵的西南地區，在隧道開挖時經常會遇到穿越軟弱巖層的煤系地層或賦存高壓力瓦斯煤層的情況，這類隧道開挖時爆破振動對圍巖的影響與一般均質圍巖隧道相比存在明顯振動差異，具有一定的特殊性，對其研究具有較為重要的現實意義。

近年來，學者們就不同地質條件下的隧道爆破施工進行了相關研究，王少輝等[3-4]從應力、位移及速度3個方面分析特大型巖溶地段爆破施工對隧道溶洞結構穩定性影響，提高隧道爆破施工的安全性；鄧鍔等[5]研究不同薄基巖頂板厚度，運用數值模擬方法得出隧道爆破施工引起的圍巖振動特性及圍巖影響域；凌同華等[6]以六月田分岔隧道過渡段為工程背景，通過監測分析得出先行隧道不同圍巖級別、監測位置的振動波傳播規律；邵生俊等[7]針對隧道穿越自重濕陷性黃土地層，提出地基土的附加應力和壓縮應力計算方法；徐前衛等[8-9]基于軟弱圍巖隧道應力重分布的復雜性，對比分析了巖體內部的應力及圍巖壓力變化規律。由上述研究可知，目前對穿越煤層段隧道爆破振動對圍巖穩定性影響的研究成果相對較少。因此，探究穿越煤層地段隧道爆破振動對圍巖穩定性影響，對此類隧道的爆破施工具有較大的科研價值和工程意義。

本文結合滇黔省界畢鎮高速公路某隧道，通過數值模擬的方法，研究不同煤層厚度、砂巖頂板不同厚度條件下隧道爆破振動的分布規律，同時將現場實測與巖石動力學理論相結合，確定當前條件下的安全振速，為穿越煤層段隧道安全施工提供參考。

1 工程概況

1.1 概述

某穿越煤層段隧道位于宜賓至畢節高速公路二龍關至鎮雄段，為雙向分離式隧道，左、右幅起訖樁號分別為ZK40+072～ZK43+411、YK40+080～YK43+435，左線長3 339 m，右線長3 355 m。隧道中段埋深較大，最大埋深約487 m，左右幅隧道軸線通過地段的海拔為1 490.8～2 054.8 m，相對高差為564.0 m。

隧道橫穿高大山體，穿越地層主要為碎石土及煤系地層強至中風化砂巖、泥質粉砂巖、泥巖、炭質泥巖及煤層，圍巖級別主要為Ⅳ和Ⅴ級。其中YK41+270～YK41+865段長為595 m，埋深為291～425 m，圍巖級別為Ⅳ～Ⅴ級，隧道圍巖為煤系地層中風化泥質粉砂巖、泥巖夾炭質泥巖及煤層(煤層厚0.4～2.5 m)，洞身穿越煤層，圍巖巖體較破碎，抗風化能力差。隧道與煤層位置關系如圖1所示。

圖1 隧道與煤層位置關系Fig.1 The position relationship between tunnel and seam

1.2 施工及爆破參數

該隧道施工設計為上下臺階法，上臺階高約 7 m，每循環進尺1 m，左右掏槽眼采用四孔眼直眼掏槽形式。炮孔直徑為42 mm，裝填φ20×200 mm的小直徑藥卷，同時采用空氣間隔裝藥，以提高爆破效果，上臺階炮孔布置見圖2。

圖2 上臺階炮孔布置(單位：m)Fig.2 The diagram of layout of blasting holes(unit：m)

2 數值模擬分析

2.1 模型的建立

本文以YK41+270～YK41+865段圍巖結構斷面為原型，采用ANSYS/LS-DYNA動力有限元方法建立穿越煤層段隧道的三維數值計算模型。根據圣維南原理[10]計算出隧道開挖的影響范圍約為硐徑方向的3～5倍，為了減小邊界效應的影響，本模型選取隧道的3倍硐徑為有限元模型的計算范圍。結合本隧道的硐徑，采用1∶1的比例建模，確定隧道模型的幾何尺寸為70 m×65 m×40 m。建模過程中，圍巖均按連續介質考慮，采用單元精度高、質量好的六面體(solid164)單元來模擬。模型網格劃分為27 712個單元和16 480個節點，采用us-g-cm單位制，其三維計算模型如圖3所示。同時，依據單一變量原則，減少對數值模擬結果的影響，模擬時模型尺寸、開挖位置及爆破參數均保持不變。模擬工況中建立了5種不同煤層厚度、5種砂巖頂板厚度條件下的隧道模型，煤層厚度分別為0.5，1.0，1.5，2.0及2.5 m；砂巖頂板厚度分別為0.5，1.0，2.0，3.0及4.0 m。隧道輪廓測點及軸向測點如圖4～5所示。

圖3 三維計算模型Fig.3 Three-dimensional Numerical calculation model

圖4 隧道輪廓測點Fig.4 The measuring points of tunnel outline

圖5 隧道軸向測點Fig.5 The measuring points of tunnel axial

2.2 材料參數與邊界條件

隧道圍巖主要由泥巖、中風化砂巖、泥質粉砂巖、炭質泥巖及煤層組成，為了簡化網格劃分，把泥巖、中風化砂巖、泥質粉砂巖及炭質泥巖統一視為中風化砂巖，圍巖劃分為中風化砂巖和煤層2種材料。根據現場實測，數值模擬計算中的圍巖材料參數取值如表1所示。

表1 圍巖材料參數Table 1 The material parameters of surrounding rock

在隧道爆破數值模擬過程中，借助LS-DYNA中的JWL狀態方程計算炸藥內部單元壓力，選擇MAT_PLASTIC_KINEMATIC材料、EOS_JWL狀乳化炸藥參數和EOS_JWL狀態方程參數，如表2所示，其中A，B，R1，R2，ω為試驗確定的常數。根據工程背景，在建立模型時，模型頂部設置自由邊界，其余各面采用無反射邊界[11]，對模型底部施加固定約束，側面施加單向位移約束。

2.3 計算方法

考慮穿越煤層段隧道爆破模型涉及的物質較多，爆破振動會導致巖土體產生較大的變形，加之炸藥炮孔多且相比巖土體網格劃分難度大，因此，圍巖單元采用拉格朗日算法，空氣和炸藥單元采用ALE多物質算法[11]。

3 隧道爆破圍巖影響分析

3.1 模型可靠性驗證

為驗證所建模型的正確性及可靠性，對比分析圖5中軸向測點5，7，9及11的數值模擬計算值與對應位置的現場實測值，如表3所示。

由于數值模擬計算過程未考慮現場巖體內含有多個節理與軟弱夾層、開挖區隧道支護及炸藥爆炸在空氣傳播中減弱等原因，上述4個測點振速峰值的數值模擬

表2 炸藥材料參數Table 2 The material parameters of explosives

表3 4個測點的數值模擬計算值與現場值對比Table 3 The comparison of vibration velocity

計算結果均略大于對應實測值，其中兩者最大相對誤差值為9.97%。根據《爆破安全規程》(GB 6722-2014)[12]，本次數值模擬計算誤差在工程允許范圍內。圖6為軸向測點7的數值模擬波形與現場監測波形，可以看出，數值模擬波形與現場監測的爆破振動波形基本一致，進一步驗證了本次數值模擬計算模擬的正確性。

圖6 測點振動波形對比Fig.6 The comparison of vibration waveform of the measuring points of tunnel outline

3.2 不同煤層厚度數值模擬分析

為了研究不同煤層厚度對圍巖振動的影響，模型設定砂巖頂板厚度為1 m、煤層厚度分別為0.5，1.0，1.5，2.0及2.5 m 5種工況進行模擬計算。設定工作面所在位置為零點，工作面后方為正方向，每個測點間隔為1 m，共計12個測點，模擬計算所得軸向振速隨測點間距變化規律如圖7所示。模擬計算距工作面2 m處隧道輪廓測點的振速峰值，如圖8所示。

圖7 不同煤層厚度軸向測點振速峰值分布Fig.7 Distribution curve of vibration velocity among measuring points of tunnel axial

圖8 不同煤層厚度輪廓測點振速峰值分布Fig.8 Distribution curve of vibration velocity among measuring

1)由圖7可知，當煤層厚度為0.5 m時，振速峰值最大值為0.570 1m/s，最小值為0.102 1 m/s；當煤層厚度為2.5 m時，振速峰值最大值為0.392 3 m/s，最小值為0.078 5m/s。對隧道同一部位而言，隨著煤層厚度增加，隧道各個軸向測點振速峰值呈加速減小趨勢，當煤層厚度從0.5 m增大至2.5 m時，軸向1號測點振速峰值依次降低了12.4%，10.1%，8.7%和6.6%。

2)以工作面為起點，依次往后，發現工作面后方軸向測點的振速變化為先急劇減小，而后呈逐漸平穩的趨勢，這是由于隧道開挖后，支護改變了原來的完整結構，振速在開挖區傳播過程中存在均勻性特點。

3.3 不同砂巖頂板厚度數值模擬分析

為了研究不同砂巖頂板厚度對圍巖振動的影響，模型把隧道頂板煤層厚度設定為1 m，砂巖頂板厚度分別為0.5，1.0，2.0，3.0及4.0 m5種工況進行模擬計算。模擬計算所得的軸向振速隨測點間距變化規律如圖9所示，模擬計算距工作面2 m處隧道輪廓測點的振速峰值，如圖10所示。

圖9 不同頂板厚度軸向測點振速峰值分布曲線Fig.9 Distribution curve of vibration velocity among measuring points of tunnel axial

圖10 不同頂板厚度輪廓測點振速峰值分布曲線Fig.10 Distribution curve of vibration velocity among measuring points of tunnel outline

1)由圖9分析可知，當砂巖頂板厚度為0.5 m時，振速峰值最大值為0. 596 7 m/s，最小值為0. 101 3 m/s；當砂巖頂板厚度為4 m時，振速峰值最大值為0.374 6 m/s，最小值為0.077 5m/s。當砂巖頂板厚度依次從0.5m增加到4m時，隧道1號測點的振速峰值依次減少了0.085 3，0.052 7， 0.041 1及0.030 3 m/s。

2)工作面的近區曲線變化較快，表明工作面附近易受爆破振動影響，距離工作面大于6 m時振速變化趨于穩定。

3)從圖 8與10可以看出，各模擬工況中，隧道輪廓各點振速場分布狀況基本一致。拱頂部位受到爆破振動影響最顯著，振速明顯高于其他部位，拱肩部位振速次之，拱腰部位的振動速度受爆破振動影響最小。

4 現場監測與安全振速控制

目前，我國《爆破安全規程》中采用薩道夫斯基公式[13]計算爆破振動速度：

(1)

式中：R為爆心距，m；Q為單段最大裝藥量，kg；V為振動速度， m/s；α為衰減指數；K為衰減系數。將式(1)取對數得：

(2)

選取現場監測數據，由式(2)得到擬合曲線，如圖11所示。由擬合曲線得到的衰減參數為K=e4.585=98.003，α=1.518 5，故隧道現場圍巖振速修正公式為：

(3)

圖11 擬合曲線Fig.11 The fitting curves

該隧道單段最大藥量為14 kg，爆心距為12 m，由式(3)得出振速為0.085 6 m/s。根據巖石動力學理論[14-15]，穿越煤層隧道圍巖損傷斷裂條件公式為：

(4)

式中：α為裂紋半徑；σc為正應力，Pa；KIC為強度因子，Pa。根據巖石波速傳遞原理可得：

σ=ρCV

(5)

式中：ρ為密度，kg/m3；C為波速，m/s。結合該隧道圍巖參數，取α為0.014，KIC為104Pa，ρ為2 500 kg/m3，C為3 600 m/s，由式(4)～(5)得出理論安全振速為0.08 89 m/s。由巖石動力學理論與爆破振動衰減規律對比分析，得出穿越煤層地段隧道爆破振速為0.08 m/s，結果與數值模擬振速峰值相吻合。

5 結論

1)隧道內同一部位的隧道振速場分布狀況基本相似。當煤層厚度減小時，振速峰值呈加速增加趨勢；當砂巖頂板厚度增加時，振速峰值呈加速減小趨勢。

2)各模擬工況中，工作面位置處振速峰值最大，工作面后方的振速峰值隨距離變化呈先急劇減小，然后振速峰值衰減趨于平緩。

3)隧道爆破振動時，隧道不同位置受爆破振動影響各異，其中拱頂部位受到爆破振動影響最顯著，振速明顯高于其他部位，而在拱肩部位振速次之，拱腰部位的振動速度受到的影響最小。

4)采用數值模擬、理論研究及現場監測3種方法，得出數值模擬計算振速峰值、理論分析振速峰值與現場監測振速峰值相吻合，建議穿越煤層段隧道爆破安全振速設定為0.008 m/s。同時，對此類隧道的爆破施工過程中，可根據以上分析，結合隧道具體煤層厚度及砂巖頂板厚度調整現場爆破藥量，降低振速，確保施工安全。