强岩爆隧道分区爆破卸压数值模拟

康永全 孟海利 郭云龙 孙崔源 薛里 孙鹏昌

中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道建筑研究所，北京 100081

随着我国铁路建设向西部山区推进，深埋长大隧道越来越多，埋深超千米的高地应力隧道表现出与浅埋隧道迥然不同的力学特性［1］。由于开挖卸荷效应产生不同烈度岩爆，严重影响工程进度和施工安全。工程上常用的岩爆防治措施主要有提高光爆效果、超前钻孔释放应力、洒水软化围岩、爆破卸压、加强支护等。爆破卸压多应用于深部矿山临时性巷道开挖防治冲击地压［2-4］，尚未在长期服役的交通隧道中推广应用，对强岩爆隧道进行爆破卸压的设计方法和安全性有待于进一步研究。

数值模拟方法具有可重复、可预测、可视化优点，成为研究爆破卸压技术的有效工具。熊祖强等［5］通过数值模拟分析了三种卸压爆破方案的应力分布状态，结果表明延伸辅助眼浅孔方案卸压效果明显且简单经济。魏明尧等［6］采用数值模拟方法分析了不同装药量、不同厚度煤层和不同开采深度下爆破卸压效果，并采用电磁辐射法验证了卸压效果。张恒等［7］利用有限元软件模拟了不同炮孔深度下巷道变形和应力变化规律，得到了卸压爆破孔合理深度。目前隧道卸压爆破通常采用的方法有两种：①在隧道开挖成形喷射混凝土后，向四周围岩呈放射状布孔装药爆破［8］。这种方式需要孔深足够长以确保药包的内部爆破作用，会影响正常钻爆工序衔接，且工作量和安全隐患均较大。②在掌子面掘进过程中采用加长辅助孔超前爆破［9］。该方法未形成持久的卸压破裂带，卸压效果有限，且掌子面前方岩体破碎后容易导致钻机卡钻，影响钻孔效率。

本文基于深部岩体的分区破裂化理论和高围压爆破破碎机理，提出对强岩爆隧道施工段进行分区爆破卸压的方法。建立三维精细化有限元模型，对分区爆破卸压前后围岩应力和变形、锚杆轴力、二次衬砌结构变形和压应力等指标进行定量分析，多角度验证爆破效果。

岩爆发生的前提条件是硬脆性完整岩体具备高储能特性。利用炸药爆炸的能量对高赋能岩体进行预裂，释放一部分弹性应变能，在特定位置诱导形成应力集中带，促使持力层向围岩更深部转移，从而改变隧道开挖面岩爆触发的条件。取得良好卸压效果的关键在于卸压爆破孔的合理布置，也就是要确定卸压爆破应力释放的区域。

深部岩体由于开挖效应会间隔出现破裂带和非破裂带，直至应力重分布达到平衡。Курленя М В 和Опарин В Н 通过大量理论和试验研究发现分区破裂后破裂区半径与隧道半径有一定的关系，可表示为

式中：i为分区破裂带编号，自隧道轮廓面向深部依次增大；
ri为第i条破裂带底面距隧道中心的距离；
r0为隧道半径；
Δri为第i条破裂带宽度。

结合深部岩体分区破裂化理论和高围压爆破破碎机理，在深埋隧道开挖后分区破裂前进行诱导爆破卸压，使分区破裂朝有利于隧道稳定的方向发展。为维护隧道的稳定性，卸压区域应选择在分区破裂带范围内，并降低卸压爆破对隧道承载区的破坏作用。把装药区域（卸压范围）确定在第四条或第五条破裂带，见图1。根据破裂带宽度，确定松动爆破孔网参数和装药参数。分区爆破卸压的设计方法参见文献［10］。

图1 分区爆破卸压炮孔布置

与围岩四周辐射状布孔、掌子面正前方布孔两种方式相比，采用斜前方布孔分区爆破卸压具有三个特点：①在深部岩体本应分区破裂位置提前爆破预裂，加速了隧道开挖后分区破裂进程，破裂区作为柔性防冲带阻隔了高应力的传递，使得承载区围岩整体性得以保护，卸压和支护协同作用变被动为主动，化不利为有利；
②卸压影响范围广，卸压效果持续时间长，不仅施工期可有效防治岩爆，而且运营期隧道结构也处于稳定状态；
③卸压爆破与掘进爆破同步进行，不额外增加施工工序，操作简便，适用性强，使开挖循环范围内岩体始终处于低应力状态。

2.1 模型的建立及参数选取

以位于高构造应力区的半径4 m 隧道为工程依托，建立三维数值模型。模型尺寸为200 m × 100 m ×200 m，见图2。施加地应力：水平径向40 MPa，竖直方向20 MPa，隧道轴向25 MPa。隧道拱顶发生岩爆的概率较大，因此在隧道拱顶120°范围第四条破裂带（底面距隧道轮廓面7 m）和第五条破裂带（底面距隧道轮廓面12 m）位置进行破裂等效模拟。

图2 数值计算模型

计算工况：①不考虑隧道拱顶爆破卸压；
②在隧道拱顶120°范围第四条破裂带爆破卸压；
③在隧道拱顶120°范围第五条破裂带爆破卸压。

施工过程模拟：先开挖Ⅰ部，及时施作Ⅰ部的锚杆，待围岩变形释放80%时施作Ⅰ部二次衬砌；
然后，开挖Ⅱ部，及时施作Ⅱ部锚杆，待围岩变形释放80%时施作Ⅱ部二次衬砌。

通过室内试验，花岗岩单轴抗压强度100 MPa，裂隙区岩体物理力学参数通过减小的方式等效模拟，具体参考文献［11］取值，见表1。锚杆和衬砌设计参数为：在隧道围岩拱部180°范围梅花形交错布置ϕ22 砂浆锚杆，长4 m，间距为1.0 m（环向）× 1.5 m（纵向），二次衬砌结构为厚40 cm的C30混凝土。

表1 爆破卸压前后岩体物理力学参数

2.2 模拟结果分析

2.2.1 岩爆概率分析

岩爆烈度等级采用Barton 岩爆判据定量分析［12］，判别系数η为围岩最大主应力σ1和岩石单轴抗压强度σc的比值。η=0.2～0.4时为中等岩爆，η>0.4时为严重岩爆。本工程σc=100 MPa，对应的σ1=40 MPa。

三种工况下最大主应力云图见图3。可知：①由于三向围岩压力设置较高，隧道开挖瞬间卸荷，开挖面最大主应力大于40 MPa 区域主要位于隧道拱部120°范围、隧道拱脚、隧道底部、隧道掌子面等部位，具备严重岩爆发生条件。②第四条破裂带爆破卸压后，隧道开挖导致主应力集中区域主要位于拱顶上部3～5 m 和拱底下部6～8 m，σ1>40 MPa 区域已经向围岩深部转移，隧道开挖后洞壁附近围岩应力主要在5～25 MPa，应力集中现象得到缓解。③第五条破裂带爆破卸压后，隧道开挖导致主应力集中区域主要位于拱顶上部6～9 m，σ1>40 MPa区域向围岩深部转移，隧道开挖后洞壁附近围岩应力主要在5～20 MPa。与爆破卸压前相比，洞周附近岩爆风险显著降低。与第四条破裂带爆破卸压工况相比，洞周附近围岩应力变化不大，这是由于卸压区离洞壁更远，洞周附近围岩完整性更好。④爆破卸压前隧道拱顶η=0.5～0.7，拱脚η=0.6～0.9，掌子面主应力也较大，这些部位发生岩爆的可能性及烈度等级都很大；
第四条、第五条破裂带爆破卸压后，拱顶η降至0.15～0.20，拱脚η降至0.20～0.30，隧道开挖面应力集中程度大幅降低，高应力承载区分别集中在拱顶5 m（靠近第四条破裂带）和拱顶9 m（靠近第五条破裂带）处，说明爆破卸压起到良好的诱导应力转移的作用，验证了爆破卸压的有效性。

图3 三种工况下最大主应力云图（单位：Pa）

2.2.2 应力变形分析

三种工况下应力和位移对比见表2。可知：①爆破卸压前，由于围岩（花岗岩）坚硬且完整，围岩水平和竖向位移均很小，地应力以弹性应变能的形式储存于岩体中，在拱顶爆破卸压后破碎带形成，使岩体中储存的能量以变形方式释放出来，所以产生较大的变形，且竖向位移大于水平位移。②由于卸压后围岩变形增大，所以锚杆受力增加，二次衬砌变形增大。第四破裂带爆破卸压后锚杆轴力由卸压前的11.90 kN增至69.37 kN，增大了4.8倍。由于地应力释放，传递给二次衬砌结构的地应力减小，二次衬砌压应力从卸压前的6.11 MPa降至4.67 MPa，降幅23.6%。这证明了爆破卸压通过有效释放应变能和转移高应力的方式达到防治岩爆的效果，也印证了该爆破卸压方法的可行性。③与第四条破裂带爆破卸压工况相比，第五条破裂带爆破卸压工况围岩竖向位移稍小，锚杆受力略降，衬砌呈现出变形减小、压应力增大的特征。这是由于第五条破裂带离隧道轮廓面更远，洞周附近岩体完整性更好。整体而言，两个工况计算结果差别不大，均能达到预期卸压效果。根据岩爆烈度等级，可选择双区联合爆破卸压方式。

表2 三种工况下位移和应力对比

1）基于深部岩体分区破裂化理论和高围压爆破破碎机理，提出在隧道斜前方第四条或第五条破裂带进行分区爆破卸压的方法。与掘进爆破同步进行，确保隧道结构稳定性的同时，有效缓解了隧道前方应力集中程度，使开挖过程始终处于低应力状态，适用于强（极强）岩爆隧道段应力调整。

2）通过数值模拟，采取爆破卸压后隧道轮廓面处的Barton 岩爆判别系数从0.50～0.90 降至0.15～0.30，岩爆发生的概率和烈度大大降低。卸压后围岩变形和二次衬砌变形增加，锚杆轴力增大了4.8倍，二次衬砌压应力降低了23.6%，证明了爆破卸压通过有效释放应变能和转移高应力的方式达到防治岩爆的效果。

3）与第四条破裂带爆破卸压工况相比，第五条破裂带爆破卸压工况围岩竖向位移稍小，锚杆受力略降，衬砌呈现出变形减小、压应力增大的特征。这是由于第五条破裂带离隧道轮廓面更远，洞周附近岩体完整性更好。