爆破對高地應力軟巖損傷研究綜述

爆破對高地應力軟巖損傷研究綜述

Summary：介紹了國內外一些學者通過數(shù)值建模、理論研究和實驗驗證在高地應力作用下對爆破開挖卸載圍巖損傷機制，總結出了以下幾點：主要是由爆生氣體和爆炸應力波的作用，對圍巖內波的擾動，使其裂縫節(jié)理持續(xù)發(fā)展，導致圍巖破壞損傷;地應力與爆破荷載產(chǎn)生耦合作用，從而出現(xiàn)拉伸破壞和壓剪破壞.并指出現(xiàn)階段研究不足：國內外對高地應力軟巖爆破有過參數(shù)化，但未分析爆破震動對高地應力軟巖的損傷效應安全等級的評估。Keys：數(shù)值建模；高地應力軟巖；爆生氣體；爆炸應力

0引言在深部巷道爆破掘進過程中，巖體受到爆炸沖擊波和高地應力共同擾動作用，且兩種荷載作用相互影響，導致巖體內部作用過程十分復雜，兩者作用差異性明顯，采用淺部巖體破壞理論難以解釋深部巖體爆破，增加了深部爆破施工的不可控性。高地應力軟巖的自支護能力較弱，甚至沒有自支護能力，開挖難度高、爆破影響大、變形量大、變形時間長等顯著特點，是世界隧道工程建設面臨的重大難題，同時也為我國隧道及地下工程領域技術發(fā)展帶來了前所未有的契機與挑戰(zhàn)[1]。1圍巖爆破損傷研究意義目前，國內外有關高地應力軟巖隧道施工的記錄有不少，例如我國寶中線的大寨嶺隧道、老爺嶺、老頭溝隧道以及穿越煤系地層的家竹等隧道；國外隧道如日本的惠那山公路隧道、新宇津隧道、奧地利的陶恩隧道。縱觀各國高地應力軟巖隧道施工面臨的最大難題就是圍巖大變形與圍巖損傷，圍巖損傷導致更易產(chǎn)生大變形，從而出現(xiàn)初期支護開裂破壞并嚴重侵入襯砌凈空，甚至發(fā)生塌方，更為嚴重的是可能造成永久性支護的破壞。高地應力軟巖的自支護能力較弱，甚至沒有自支護能力，開挖難度高、爆破影響大、變形量大、變形時間長等顯著特點，是世界隧道工程建設面臨的重大難題，同時也為我國隧道及地下工程領域技術發(fā)展帶來了前所未有的契機與挑戰(zhàn)[2]。尤其是高地應力條件下，在軟巖圍巖中開挖極易導致掌子面擠壓變形并發(fā)生塌方,嚴重威脅施工人員安全并且延誤工期，據(jù)有關部門對軟巖隧道施工的不完全統(tǒng)計，軟弱圍巖隧道的安全事故中，掌子面變形塌方占達33%。主要有2個方面的原因[3]，一是客觀上地質環(huán)境的復雜性，二是主觀上技術措施、施工方法及工藝、現(xiàn)場管理等原因。就主觀因素而言，掌子面多次爆破控制不當，對附近圍巖有較強的損傷作用，導致圍巖自護能力再次減弱。針對這一點，提出在高地應力軟巖地下施工過程中爆破對圍巖的損傷程度分析以及損傷程度等級劃分理論，通過該等級劃分得知掌子面前方圍巖自護強度，從而決定是否增加或減少超支，從而提高施工安全性和經(jīng)濟性。2圍巖爆破損傷研究現(xiàn)狀2.1爆破損傷理論研究分析基于軟巖大變形分級理論，在高地應力軟巖隧道開挖時，爆破對軟巖的損傷特征進行分級討論。高地應力水平下巖體爆破開挖瞬間，圍巖體內應力、應變場強烈震蕩，儲存的初始應變能瞬間釋放、轉移，高地應力水平加劇了整塊或含節(jié)理巖體的能量釋放，開挖的“瞬態(tài)效應”突出，卸荷現(xiàn)象明顯，開挖卸荷對圍巖損傷的影響甚至大于爆破本身，此時開挖卸荷按照準靜態(tài)方法進行處理可能會帶來較大誤差[4]。隧洞開挖過程中，因開挖而導致的圍巖應力重分布以及開挖爆破的爆炸荷載，不可避免地會對隧洞圍巖造成損傷。針對巖體爆破開挖損傷研究,Cai等[5]提出了地下洞室開挖完成后脆性巖體裂紋起裂和裂紋損傷的應力門檻值，根據(jù)隧洞開挖后圍巖的應力重分布判斷開挖損傷區(qū)的大??；肖明[6]等國研究了地下洞室開挖爆破下圍巖松動圈的數(shù)值分析方法；汪洋等[7]切基于巖體開挖卸荷效應進行了巖爆機理研究。2.2爆破損傷的數(shù)值模擬量化研究分析鐘權等[8]基于三維動力有限元（LS-DYNA）軟件，對隧洞圍巖在爆破開挖過程中的損傷演化過程進行了模擬分析，研究了圍巖節(jié)理面和開挖程序對爆破損傷演化特性的影響。結果表明:節(jié)理面的存在抑制了垂直于節(jié)理面方向上的爆破損傷而促進了平行于節(jié)理面方向上的損傷演化;爆破開挖程序、循環(huán)進尺和單響藥量均對圍巖損傷有顯著影響，施工中采用分層開挖、減小開挖循環(huán)進尺、控制單響藥量等措施，能夠有效地抑制爆破損傷。龍翼等[9]采用FLAC3D軟件，考慮不同側壓力系數(shù)開展高地應力爆破擾動條件下巷道圍巖損傷規(guī)律研究，并表示應力環(huán)境明顯影響巷道圍巖損傷特征。蔣楠等[10]利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件研究了道巖體在自然應力狀態(tài)和爆破振動作用下塑性區(qū)、應力場和變形場的變化規(guī)律，分析了爆破振動效應對巷道圍巖的作用機制。朱俊等[11]運用LS-DYNA軟件進行了動態(tài)響應計算，并提出最大峰值質點振速和最大拉應力均出現(xiàn)在洞室邊墻中部，因此，爆破損傷在洞室邊墻部位最嚴重。就損傷程度與勘探而言，李術才等[12]提出了四階段全過程的隧道綜合超前預報體系，對隧道定量化超前預報方面進行了有益探索。騰俊洋等[13]甲使用地質雷達對開挖損傷區(qū)(ExcavationDamageZone，EDZ)進行了現(xiàn)場監(jiān)測并與三維離散單元法（3DEC）的模擬結果進行對比分析,其吻合度較好。郭亮等[14]利通過理論計算與現(xiàn)場監(jiān)測相結合的方式驗證了地質雷達探測圍巖松動圈的可行性,為隧道的開挖、支護與施工提供了支持與借鑒。3目前研究中存在的問題綜合以上研究成果可以看出，國內外學者對于相關的研究主要通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)進行對比分析，進得到了豐碩的成果。但高地應力軟巖隧道控制爆破技術及其在千米深井復雜地質環(huán)境下的破巖機理作為一個新近出現(xiàn)的課題尚缺乏足夠的理論研究，主要體現(xiàn)在以下幾個方面:1）高地應力軟巖隧道主要存在于西部地區(qū)，更多學者主要討論了高地應力大變形，但變形過于廣泛，導致很多考慮欠缺，比如施工過程中隧道結構和施工的復雜性，以及隧道地質的多變性，使得目前對于此類隧道的研究還存在一些不足。就施工開挖階段，爆破技術應用于高地應力軟巖中生疏，爆破響應難以控制。2）對圍巖內部裂縫和節(jié)理的勘測，存在一定的難度，使用相關的地質雷達探測儀勘測結果與實際有較大差異，聲波紅外線勘測的可靠性。3）國內外對高地應力軟巖爆破有過參數(shù)化，但未分析爆破震動對高地應力軟巖的影響與安全效應的評估，以及未對爆破破壞作出安全預警。Reference[1]關寶樹.隧道工程設計要點集[M].北京:人民交通出版社，2003:61-63.[2]李國良,李寧,丁彥杰．高地應力軟巖大變形隧道防控關鍵技術研究[門].中國鐵路,2020(12):69-73.[3]職承杰,李建賀,張傳健.高地應力軟巖隧洞開挖擾動特征與規(guī)律研究[J].水利水電快報.2021,42(03)[4]BarlaGFull-faceexcavationoflargetunnelsindifficultconditions[J].JournalofRockMechanicsandGeotechnicalEngineering,2016,8(3):294-303.[5]CAIM，TASAKAPK，MAEJIMAY,etal.GeneralizedCrackInitiationandCrackDamageStressThresholdsofBrittleRockMassesnearUndergroundExcavations[J].InternationalJournalofRockMechanicsandMiningSciences,2004,41(5):833-847.[6]肖明，張雨霆，陳俊濤,等.地下洞室開挖爆破圍巖松動圈的數(shù)值分析計算[J].巖土力學，2010,31(8):2613-2618.[7]汪洋，尹健民，李永松，等.基于巖體開挖卸荷效應的巖爆機理研究[D].長江科學院院報，2014，31(11):120-124.[8]鐘權，冷振東，彭崢，劉放.節(jié)理巖體隧道開挖爆破損傷特性及爆破方案研究[D].長江科學院院報，2018，35(2):89-94.[9]龍翼，雷剛，徐世達，等.爆破擾動對巷道圍巖損傷的數(shù)值模擬[J].中國礦業(yè)，2020.[10]蔣楠，鄭曉碩，張磊。等。采礦爆破振動對巷道圍巖影響的數(shù)值模擬研究[J].工程爆破,2010,16(3):21-24.[11]朱俊,楊建華,盧文波,陳明,嚴鵬.地應力影響下隧洞邊墻的爆破振動安全[J].爆炸與沖擊,2014,v.34;No.154(02):153-160.[12]李術才，劉斌，孫懷鳳，等.隧道施工超前地質預報