英语原文共 28 页
脆性岩石浅埋隧道爆破破坏岩体影响的数值分析
David Saiang·Erling Nordlund
收稿日期：2007年6月18日/接受日期：2008年5月20日/在线发布日期：2008年7月5日 copy; 2008施普林格出版社
摘要：瑞典的大多数铁路隧道都是浅层的（小于20米的岩石覆盖层）位于坚硬的脆性岩体中。这些隧道中的大多数是通过钻孔和爆破挖掘的，因此导致在隧道边界周围形成爆炸引起的破坏区域。从理论上讲，该区域的存在，其强度和刚度降低，将影响隧道的整体性能，以及其构造和维护。因此，瑞典铁路管理局使用一套基于峰值的指南粒子速度模型和周界爆破，以调节爆破造成的损坏程度。然而，浅埋隧道周围爆破造成的破坏的实际影响及其对隧道整体性能的关键性尚未量化，因此仍然是研究和调查的主题。本文提出了岩石爆炸损伤的数值参数研究。通过改变爆炸引起的破坏区域的强度和刚度以及其他相关参数，根据对诱导边界应力和地面变形的影响来评估近场岩体响应。使用连续数值分析方法。输入参数，特别是与强度和刚度有关的参数，使用系统方法估算，该方法涉及这样的事实：在浅深处，应力和地质条件可能是高度各向异性的。由于缺乏岩体破坏后特征的数据，假设并使用了传统的Mohr-Coulomb屈服准则。结果清楚地表明，正如预期的那样，爆炸引起的破坏区的存在确实会影响边界应力和地面变形的行为,还发现了隧道边界周围发生的潜在破坏类型及其机制。
关键词：爆破破坏性岩体，超挖，岩石固有属性，脆性岩石，岩体强度和刚度，浅隧道，数值分析
符号列表:
对于未破坏的岩体
sigma;ii 完整抗压强度（MPa）
sigma;m 未受损岩体的抗压强度（MPa）
Em 未受损岩体的变形模量（GPa）
Cm 未受损岩体的内聚强度（MPa）
sigma;tm 未受损岩体的抗拉强度（MPa）
对于破坏的岩体
D 干扰因素
sigma;d 受损岩体的抗压强度（MPa）
Ed 隧道边界受损岩体的变形模量（GPa）
Ed(ij) 受损岩体在i，j（GPa）处的变形模量
phi;d 受损岩体的摩擦强度（°）
Cd 受损岩体的内聚强度（MPa）rtd 受损岩体的抗拉强度（MPa）
Ld 受损岩石区总厚度（m）
Ld（ij） 点i，j（m）处受损岩石区的厚度（m）
sigma;dU B 受损岩体的上限抗压强度
sigma;dBC 受损岩体的基础抗压强度
sigma;dLB 受损岩体的下限抗压强度
CdUB 受损岩体的上限粘结强度
CdBC 受损岩体的基础粘结强度
CdLB 受损岩体的下限粘结强度
其他符号:
sigma;theta; - sigma;r 诱导差异或偏应力
sigma;theta; 切向应力（诱导）
sigma;r 径向应力（诱导）
sigma;3max 最大限制压力
sigma;3min 最小限制压力
sigma;nmax 从正应力剪切应力包络得到的最大正应力
sigma;nmin 从正应力剪切应力包络得到的最小正应力
tau;max 从正应力剪切应力包络得到的最大剪应力
tau;min 从正应力剪切应力包络得到的最小剪应力
1 介绍
由于对空间的需求不断增加，现在很常见的是人口稠密地区的交通被转移到地下。这需要挖掘各种性质和特征的岩石。在瑞典，这主要在脆性岩石中完成，其完整的抗压强度通常超过200MPa。由于钻孔和爆破通常用于这种坚硬的岩体中，它会在隧道边界周围留下受损岩石区域，这被称为爆破引起的破坏区域或BIDZ，如本文所述。通常，该区域的特征在于其强度和刚度的降低，并且感知的含义是明确的，因为它们主要涉及建筑和维护成本，安全性和隧道的长期性能。
长期以来，爆破对隧道周围岩石的破坏已经过度评估，而不是考虑到损坏的实际特征（例如Raina等人2000）。Forsyth和Moss（1991）将超挖定义为超出挖掘设计周长的岩体质量的破坏或减少。顺便提一下，许多用于评估爆炸损伤的经验方法，包括Holmberg和Persson的峰值粒子速度（PPV）方法（1980），与评估过度爆发有关。Saiang（2004）指出爆炸损伤量化的大部分工作主要集中在确定损伤的深度或程度，而不是评估其固有特性，如强度和刚度。尽管强度和刚度是最难测量的参数，但它们也是评估岩石能力的最相关和可靠的参数，因此也是隧道的稳定性和性能。
许多作者，例如Oriad（1982）MacKown（1986），Ricketts（1988），Plis等。（1991），Forsyth和Moss（1991），Persson（1996）和Raina等人（2000）已经审议了爆炸损伤评估的重要性。瑞典岩石工程研究小组（SveBeFo）在1993年至1996年的4年间对硬岩中的爆炸引起的受损岩石进行了广泛的调查（Olsson和Bergqvist） 1993; (Olsson and Bergqvist1995;Fjellborg和Olsson1996; Ouchterlony1997; Olsson和Bergqvist1997和Olsson和Ouchterlony2003)。这项调查的结果之一是制定了将爆炸引起的损伤区深度与爆炸性电荷浓度相关联的指南（例如Ouchterlony等,2001）。在其他地方也进行了对隧道周围爆炸引起的破坏的调查，例如， Pusch 和 Stanfors (1992）Hustrulid （1994） da Gama（1998） ， Nyberg 和Fjellborg（2002）和Malmgren等人(2007）。放射性废物隔离组，如瑞典的SKB和加拿大的URL，也在硬岩块中调查并模拟了BIDZ（例如Martino和Martin1996;马蒂诺2003）。Holmberg（1982）概述了影响爆炸损伤发展和程度的重要因素。
评估隧道周围爆炸引起的受损岩石的一个重要原因是稳定性。在这方面，该区域的强度和刚度是最重要的参数。到目前为止，这些参数的量化一直很困难。因此，将该区域纳入隧道的早期设计阶段通常涉及计算机模型，并不容易，因此，通常要么被忽视，要么如果尝试，则使用针对未受损岩体的程序建模。隧道周围受损岩体的数值模拟已经使用连续和非连续方法完成。但是，Barla等人。（1999）指出，任何数值模拟过程成功的关键是在描述岩体条件时所达到的理解水平。如果在分析中需要考虑爆炸引起的损坏区域，尤其是需要对该区域的机械特性进行定量理解，则这可能变得更加困难。如果没有这种定量理解，连续分析方法通常优先于不连续方法，因为后者需要对岩体进行明确描述。因此，许多研究人员，尤其是杨等人。（1993），冯（2000），盛（2002）和佐藤（2000）等人使用连续体方法研究靠近开挖边界的受损岩体的行为。
本文介绍了脆性岩体中浅层隧道围岩爆破损伤岩石力学特性的弹塑性数值研究。假设数值分析的连续方法和有限差分代码FLAC（Itasca2002）被利用了。岩体和地应力的输入参数是瑞典浅隧道工程中常见的参数。使用的隧道剖面是瑞典铁路管理局通常使用的隧道剖面。爆炸引起的损坏的程度是事先确定的，并且基于瑞典岩石工程研究和瑞典铁路管理局指南的工作。该研究主要以参数研究的形式呈现，以观察BIDZ对近场主岩的总体响应的影响。研究了受损岩石固有特性变化引起的边界应力和地面变形特征，即强度和刚度等相关参数。模型的开发涉及使用瑞典铁路隧道工程中遇到的典型情景。对于输入参数的值，使用了通用实践方法，但是为了获得BIDZ的输入值，更系统地使用了这种方法。
2 背景
2.1研究目的和方法
一个重要的问题是，浅埋隧道周围爆炸引起的受损岩石的存在对于稳定性和性能是否重要。通过直觉和考虑挖掘的性质，它通常被认为是重要的，因此是设计和施工指南的一个因素。然而，正如其他地方所述，这种考虑主要基于与过度爆发有关的方法。这些方法不能测量受损岩石的能力。它是受损岩石的固有特性，特别是其强度和刚度，它提供了能力的度量，因此直接与隧道的稳定性和性能相关。不可否认，这些在实践中很难测量参数。然而，当BIDZ的固有特性变化时，数值方法可用于测试不同的情况。因此，本文就是朝这个方向发展的。
BIDZ的数值模拟也很困难，主要是因为缺乏对爆炸引起的受损岩石固有特征的定量理解。在实际设计案例中对该区域进行建模的尝试主要基于未损坏或未受干扰的岩体和简单本构模型的程序，同时也忽略了各向异性。
该数值研究旨在研究爆炸引起的受损岩石对近场主岩的总体响应的影响，当受损岩石固有的或外部应力（如地应力）的各种参数变化时。在这样做时，可以识别爆炸引起的受损岩石的重要参数，以及可以直接影响BIDZ响应的那些参数。由于BIDZ的复杂性，所使用的建模方法遵循常用的方法，特别是那些通常由顾问和设计工程师应用的方法。因此，目标之一是证明这些常用的做法是否足以模拟爆炸引起的受损岩石。
2.2 爆破损伤岩石的物理力学特性
图1.显示了通过花岗岩块的锯切，显示了周边爆破后的特征断裂模式。如果这些模式叠加到隧道边界上，结果将如图4所示。图2.BIDZ岩石的这种复杂的物理状态可以显着影响受损岩体的机械响应，并因此影响破裂区域周围的整体岩体。失败机制也将受到影响。从理论上讲，就重要的机械和水力参数而言，近场主岩的力学特性如图3.所示。
受损岩石的特征是各种尺寸的裂缝（微观到宏观裂缝，宽度和长度不同），不规则的裂缝图案和众多的岩石桥梁。微观裂缝可以显着破坏完整的岩石织物，
图1花岗岩中Oslash;64mm爆破孔周围的特征断裂模式（来自Olsson和Bergqvist1995）。使用的炸药类型是Kumulux 22.这些碎片具有不同的长度，形状和大小，并且损伤区域的估计厚度为25厘米
图2钻孔和爆破开挖隧道边界周围的岩体条件。受损区域包括微观到宏观尺寸的不连续裂缝，由于径向裂缝而具有复杂的断裂模式（参见Whittaker等人采用的嵌入式图）。1992）来自邻近的炮眼sigma;
扰动岩石 非扰动岩石
刚度（E）
资料编号：[4318]
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