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邻近开挖爆破条件下地下隧道围岩破坏预测与控制方法研究
关键词:隧道爆破开挖；围岩损伤；衬砌体系；阈值PPV。
摘要：
以大帽山公路隧道工程为例，综合研究了隧道爆破开挖对隧道围岩及邻近既有隧道衬砌系统的影响。通过现场试验和数值模拟，分析了不同爆破荷载作用下围岩和衬砌系统的破坏情况。研究发现，随着既有隧道的峰值粒子速度(PPV)的增大，隧道周围的岩石破坏程度呈线性增大。在此基础上，提出了一种可行的基于ppv的隧道不同部位损伤控制方法。对于大帽山隧道工程，规定了相邻现有隧道的PPV阈值为0.22 m/s，以限制隧道出口和进口部分的破坏范围在1.6m左右。此外，其他部分的PPV标准也相应确定。研究还表明，PPV小于0.30 m/s时，衬砌或岩石衬砌界面不会发生破坏。本文所提出的控制方法和阈值PPV已成功地应用于大帽山隧道新隧道开挖过程中，有效地限制了爆破破坏。
一 简介
地下隧道的安全常常受到邻近隧道和/或露天开挖的爆炸振动的影响。爆破必然会对既有隧道的围岩和支护系统(如衬砌)产生地震扰动。扰动有时会显著影响地下隧道的整体性能(Li等人， 2012;Zhao等人，2011)。因此，研究围岩及支护系统的动力响应，提出一种控制爆破开挖的方法，对于保证邻近爆破开挖下的地下隧道安全具有重要意义(Zhao等人，1999)。
不同学者对某隧道在爆破开挖过程中围岩的动力响应和损伤特性进行了研究。例如，Adhikari等人(1994)研究了两个矿井隧道中峰值颗粒速度(peak particle velocity, PPV)及其对围岩的破坏，发现岩体的破坏与PPV的值高度相关。Singh(2002)对印度的几个煤矿进行了现场调查，研究了爆破对邻近的地下煤矿巷道的影响。研究发现，爆炸引起的裂隙、煤体坠落、煤岩剥落等岩石破坏主要发生在地下隧道顶板和立柱处。围岩的破坏程度取决于爆破振动特性和岩体的力学性质。
为了研究喷射混凝土衬砌在爆破作用下的反应，Ansell(2004)在瑞典的一个铁矿进行了现场试验。结果表明，喷射混凝土能承受较强的爆破振动，且损伤不严重。中野等人(1993)也报告了类似的观察结果。结果表明，相邻隧道爆破引起的湿喷混凝土开裂仅发生在PPV超过0.7 m/s时。Tannant and McDowell(1993)和Wood and Tannant(1994)通过分析加筋全固化湿喷混凝土的阻力，发现即使PPV达到1.5-2.0 m/s，加筋湿喷混凝土仍能保持其功能。McCreath等人(1994)和Sakurazawa等人(2003)也提出了类似的结果。在他们的测试中，材料主要是坚硬的岩石，即优质的花岗岩。
根据现场试验结果和工程经验，提出了保证爆破作用下围岩及隧道衬砌安全的控制方法和控制准则。例如，在美国国防部标准(Department of defense, USA, 1999)中，为了防止相邻隧道发生危险的剥落效应，建议两个隧道之间的最小间隔距离应大于1.0m (Q为装药重量，kg)。对于较弱的岩石，如石灰岩和砂岩，最小分离距离应分别增加到1.7 和1.4m。Dowding(1996)在岩石隧道爆炸试验的基础上，提出了无衬砌隧道和有衬砌隧道在不同ppv下的破坏特征。Zhou 等人.(2002)、Zhou and Zhao(2004)、Zhou and Jenssen(2009)等通过综合评述和大规模测试，也提出了在坚硬岩石中防止相邻腔室内容物破坏的分离距离。根据推荐的阈值速度和标定的地震动方程，可以估计出防止波传播、隧道坍塌和岩石破坏的各种分离距离。
在本文中,支持地下爆破开挖大帽山公路隧道位于厦门,福建,中国南部,一个案例研究在爆炸振动,岩石损伤特性和衬里的反应提出了现有隧道现场试验和数值模拟。建立了既有隧道墙体的PPV与隧道周围岩体破坏程度的关系。通过考虑阈值PPV，提出了相邻新隧道爆破开挖时既有隧道的安全预测损伤控制方法。
二 大帽山公路隧道工程
大帽山公路隧道工程由两条既有隧道和一条新隧道组成。它是一个长度为600米的直而平行的隧道群。新隧道的尺寸是22米13.1米(跨距高)，现有隧道的尺寸是12.1米9米。现有两条隧道与新建隧道之间的间距分别为5.89 m和8.83 m，如图1所示。隧道周围岩石主要由粘土和风化花岗岩组成，基本完好，沿隧道走向无明显节理和裂隙。现有的隧道墙由钢网加筋喷射混凝土支撑。直径6毫米的钢筋以0.25米的间距铺设。衬砌厚度0.7 m。
新隧道在隧道工作面分六步开挖，分别用罗马数字I-VI表示，如图2所示。由于两个隧道之间的间距较小，新隧道的爆破可能会对现有隧道的围岩和衬砌系统造成破坏。因此，需要研究开挖爆破条件下的岩体和喷射衬砌的破坏特性，建立控制爆破震动的准则，以保证相邻隧道爆破条件下现有隧道的安全。
图1 隧道的剖面图和出口、入口的地质信息
图2 新隧道工作面开挖方案及现场监测仪器
三 现场试验和测量
施工现场进行了五组爆破试验。每次试验都进行声波试验和振动监测，以此来研究岩石的损伤和振动特性。
3.1振动监测
为了研究邻近新隧道爆破条件下既有隧道的爆破振动特性，进行了爆破振动监测。利用数字测井分析系统记录振动监测目标的速度-时间历程。该系统能采集主频在2-250 Hz范围内的振动信号，峰值速度在 - 2 m / s。振动监测系统原理图如图3所示。
在爆破前，在离新隧道工作面最近的现有隧道壁面上安装振动传感器(见图2)，记录爆破振动。传感器也被安装在距离炸药足够近的新隧道墙上。来自这些传感器的记录将用作数值模拟的输入负载。振动传感器记录的典型速度历程如图4所示。
3.2 声波测试
在爆破试验中，声波试验与振动监测同时进行。参考中国《基础开挖工程规范》(NDRC, 2007)和Li等人(2011)的研究工作，速度变化定义为:
（1）
式中，和分别为爆炸前后声波在岩体中的传播速度。认为当大于10%时，岩石受到严重破坏，完整性遭到破坏。
在新隧道和现有隧道之间钻孔，如图5所示。每个孔在爆炸前后都进行了声波测试。由式(1)计算出速度变化如图6所示，纵坐标为声波速度变化，横坐标表示测试孔与新隧道壁之间的距离。从图6中可以看出，沿着试孔1.6 m左右处的岩石被爆破破坏。声波测试是在装药附近的一系列孔中进行的，从孔中可以画出相应的损伤区域。试验结果将在下面详细讨论，并与数值模拟结果进行比较。
图3 现场爆破振动监测系统示意图
图4 振动传感器记录的典型速度历史
图5 声波试验示意图
图6 沿测试孔的速度变化
四 数值模拟
4.1材料损伤模型
在岩石爆破中，一般认为岩石损伤是拉应变和冲击波持续时间所表示的函数。损伤变量定义为给定裂纹密度下的断裂概率，可以通过对裂纹密度函数随时间的积分得到(Liu and Katsabanis, 1997;Hao等人，2002;Li等人， 2009;Qian等人，2009;Ma等人， 2011)。本研究采用连续均匀损伤模型。岩石损伤变量为：
（2）
式中:为裂纹密度;是岩体的破裂概率;是自然对数的底数。计算公式为:
（3）
其中和是材料常数，主应变是在均匀介质中等效的拉伸应变，计算公式为：
（4）
为第个方向的主应变,只有当括号中的变量大于0和时，才能成立。为相应的临界拉伸应变，计算公式为:
（5）
其中和分别为岩石的泊松比和杨氏模量，表示岩石材料的静态抗拉强度。
由式(4)可知，拉伸应变和断裂应力对应的裂纹密度分别为和，则有：
（6）
其中为达到岩石断裂应力的总时间，为拉伸应变等于临界时的持续时间。和表示为:
（7）
其中为单轴拉伸状态下的应变速率。由式(8)可将式(7)改写为:
（8）
临界损伤和断裂发生的时间间隔为：
（9）
（10）
当出现破裂时，是损伤变量。
将方程式(5)、(11)带入式(7)中，裂缝密度表示为：
（11）
由式(12)，对于给定的应变速率和单轴拉伸状态，得到的断裂应力为：
（12）
Liu和Katsabanis(1997)的研究表明，岩石的断裂应力取决于应变率的立方根。因此，参数取2，常数由式(13)简化为：
（13）
正如Grady和Kipp(1980)所提出的，如果损伤值等于0.2，那么计算结果与试验结果之间存在“合理的匹配”。本研究采用临界损伤值。因此，由式(2)计算得到的为0.47，但岩石材料的动态断裂数据很少。材料常数通常由试错法确定(Liu and Katsabanis, 1997;Li等人， 2011)。当为时，发现模拟结果与现场试验结果相当接近。
损伤岩体的衰减杨氏模量和剪切模量的数学表达式为:
(14)
(15)
其中为完整岩石的剪切模量。
将损伤模型编码为商业软件UDEC (Chen等人， 2000a,b)中用户定义的子程序，其中采用塑性流动规则下的莫尔-库仑本构模型(ITASCA, 1999)分析岩体在爆破荷载作用下的动力响应。
4.2 计算和结果
考虑到沿纵向隧道的结构和岩土特征几乎相似，岩石的损伤主要沿钻孔半径方向，而不是沿钻孔/隧道掘进方向(Zhang, 2001;Zhang等人，2003;Li等人.， 2011)，围岩的应力状态可以看作是一个简化的平面应变问题。针对这种情况，本研究建立了二维离散元模型。模型的尺寸是170 times;80米(宽times;高度)。除了自由边界，其他三个边界被视为粘性边界(ITASCA, 1999)，并远离隧道周边。利用结构单元(ITASCA, 1999)，将既有隧道的加筋湿喷混凝土衬砌视为强度等效复合材料，其密度为2300 ，弹性模量为30 ，泊松比为0.2，抗压强度为22.5 ，抗拉强度为3.78 。不同岩土层的材料特性如表1所示。
表1 大帽山公路隧道工程岩土物理力学性质
首先分析了重力作用下的静力平衡。将计算结果作为开挖爆破下的初始应力和位移状态进行研究。在模拟过程中，将振动试验记录的振动速度，如图4所示的速度历程，作为爆破荷载，在数值模型中施加到开挖边界处。针对不同的加载条件，选取了一系列不同ppv和波形的振动速度。同时，速度也要乘以一个放大系数，必要时取从1到20，以研究不同PPV下的岩石损伤。
以隧道出口和入口段开挖第I步的数值模拟结果为例。数值模拟模型的输入速度历(PPV为20 m/s)基于图4的振动试验结果，放大系数为14.3。图7i-iii给出了相应的仿真结果。可以看出，在爆炸荷载作用下，围岩破坏区扩展到4.99 m左右，新隧洞墙体出现破片剥落。因此，邻近现有隧道衬砌系统出现局部屈服(图7ii，“|”)，几乎在整个衬砌界面发生破坏(红色“”)。在此条件下，对现有隧道墙体的PPV取值为0.695 m/s，如图
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