爆破对隧道围岩与衬砌结构影响效应研究

中国矿业大学力学与建筑工程学院2014~2015学年度第1学期科研训练学号15115686班级越崎11-2姓名陈升力学与建筑工程学院教学管理办公室成绩评阅人日期中国矿业大学力学与建筑工程学院科研训练第2页爆破对隧道围岩与衬砌结构的影响效应研究（中国矿业大学孙越崎学院11-2班陈升）摘要：在钻爆法施工的隧道中，炸药的爆破效应或多或少会对保留的岩体和衬砌结构产生不利影响。国内外学者对于判断围岩与衬砌结构在爆破作用下是否发生破坏的研究成果较多，而用以描述不同因素下影响效应的变化情况相对较少，对于影响效应一般规律的探索恰是在工程实践中尤为重要的。本文以大型有限元程序ANSYS数值计算为基础，根据工程和地质资料建立隧道开挖模型，选用位移和加速度值作为表征量，探索不同支护情况下爆破对围岩与衬砌结构的影响沿着不同方向上的变化规律。关键词：围岩；衬砌结构；影响效应；ANSYS；支护情况1选题背景及研究意义我国社会经济在不断发展，对交通运输的要求越来越高，尤其是对于关系国民经济命脉的铁路。方便快捷并且运量大，是最主要的原因之一。另外，它的安全性并且廉价，则是货物运输最主要的选择因素。最后，对于国防建设，铁路也是不可替代的。就以青藏铁路为例，除了它对经济建设有着巨大推力之外，还非常重要的军事战略意义。铁路要修建在远离城市的地方并且尽量选择最近路线，这样在山岭地带的修建则是在所难免的了。所以，隧道工程在山岭地区的应用可以克服掉地形的障碍，还可以改善铁路线形，提高行进速度，缩短行驶路程，节省燃料和时间，并且能有效地保护生态环境。除此之外，还能避免因落石、坍方、雪崩、雪堆等自然因素对铁路的伤害，从而保证行车安全性、提高驾驶和乘坐的舒适性，提高对铁路的防护能力。我国内地地区山区起伏很多，当铁路穿越山区时，经常面临高程带来的障碍。而铁路的修建限制在平缓的坡形，因为就铁路本身的性质而言，它无法拔起或下降需要的高程。并且，难以用绕避的方式消除高程障碍，此时选择直接穿山开挖隧道是最为合理的方式。这种方式修建的铁路顺直，线路为最优线路，还能减小坡度，改良运输条件。所以，在修建山区铁路时，广泛选用隧道开挖的方案。目前，在我国岩石地下工程的建设中，钻爆法是最主要的施工方法，其在各类岩体掘进施工中的应用十分广泛。爆破施工时，利用炸药的爆炸将开挖范围内的岩石爆破，同时必会对保留的岩体与结构造成损伤和破坏，导致隧道围岩与衬砌的力学性能劣化。在持续的外界作用下，这种损伤会继续发展和演化，使围岩与结构的承载力和稳定性降低。虽然现阶段的爆破技术对围岩的扰动已越来越小，但在许多工程中难以严格遵循科学的钻爆施工方法，以追求掘进速度为主，难以将科学有效的施工方法落实。这样，爆破震动对围岩和结构衬砌造成的松动和损害不容忽视。尤其在地下工程改扩建中，往往中国矿业大学力学与建筑工程学院科研训练第3页由于洞室布局、结构设计以及爆破施工方法的不当，爆炸的强烈作用使既有工程的结构衬砌产生了破损甚至破坏，直接给工程的安全带来了隐患甚至危害。值得指出的是，在人防国防等地下工程中由于建筑功能的需要，地下洞室的布局有时很紧凑，在此类工程的改扩建中更应该充分考虑施工时爆炸的能量释放及其对周围既有结构的影响，正确选择安全可靠的掘进施工方法。由于岩石工程的复杂性，爆破振动对既有隧道影响的研究主要采用数值模拟方法，对具体的工程进行安全性评价，或者是在不同围岩、不同隧道间距等情况下，研究新建隧道爆破施工对既有隧道的影响。这些研究取得了一些有价值的成果，但在大多数情况下，围岩和隧道间距是不能随意变动的，工程中更加关心的是采用何种进尺进行爆破施工才能确保既有隧道的安全。2国内外研究现状2.1围岩稳定性研究现状围岩的稳定问题是地下工程的重要问题。目前地下工程围岩稳定性评价方法很多。隧洞设计规范对围岩分类、分级一般以定性的描述为主，这是一种粗略的围岩稳定性评价方法。随着现代科学技术的发展和科研水平的提高，围岩稳定评价理论日趋成熟，出现了以定性描述为主和定量描述为辅的围岩综合评价方法，即在岩体物理力学性质指标的基础上，采用解析分析法、图解分析法和数值模拟法来评价围岩稳定性的具体程度。在围岩稳定性分析中，解析分析法是通过对地质原型的高度抽象获得简单的计算模型，借助数学力学工具计算围岩中的应力分布状态，从而进行隧洞围岩稳定性评价，但解析法只适用于那些边界条件较为简单及介质特性不甚复杂的情况。图解分析法是通过作图来分析各结垢面之间、结构面和开挖临空面之间的空间组合关系，确定出在不同工程部位可能形成块体的边界，进而分析其稳定性。20世纪70年代以来，随着数学、力学理论以及计算机技术的发展，数值分析方法在岩土工程领域得到应用，并作为解决复杂介质、复杂边界条件下这类工程问题的重要工具而逐渐得以推广。Cundall与1971年首次提出离散单元DEM（DistinctElementMethod）模型，离散单元法在岩土工程问题中得到越来越多的应用，是模拟不连续介质性态的有效方法。Cundall根据有限差分法的原理提出了FLAC（FastLagrangianAnalysisofContinuum）数值分析方法。该方法与有限元法相比，能更好地考虑岩土体的不连续和大变形特性，求解速度较快，是目前岩土工程领域用的较多的数值计算方法。中国矿业大学力学与建筑工程学院科研训练第4页关键块理论（KeyBlockTheory）是在1985年首先由Goodman教授和石根华博士提出并用于工程稳定性分析。关键块理论假定岩体结构面为平面、结构面切割而成的块体为刚体，利用几何拓扑方法分析岩体不同的开挖面上可能失稳的块体类型，并结合刚体力学平衡分析，研究块体的稳定性及支护措施。DDA（DiscontinuousDeformationAnalysis，不连续变形分析）是石根华博士于1988年提出来的用以模拟岩体非连续变形行为的全新数值方法，由于抓住了岩体变形的非连续和大变形这两个物理本质，发展成为当前岩土力学主流数值算法之一。同DEM（DistinctElementMethod）一样，DDA也以离散的块体集合作为模拟对象，引入刚体力学分析和时步积分技术。但不同的是，DDA基于最小势能原理建立总体平衡方程，将刚体位移和块体变形放在一起，全部块体同步进行求解。因此，DDA具有更加严密的数学依据和更加完备的理论基础。任青文等提出的块体单元法，是以块体单元的刚体位移为基本未知量，根据它们在外力作用下的平衡条件、变形协调条件及块体之间夹层材料的本构关系，建立起块体单元法的支配方程，用于确定块体位移及夹层材料的应力状态，该法特别适用于具有地质结构面岩石的稳定分析。近年来，在围岩稳定分析方面又出现了许多新理论和新方法，如人工神经网络、突变理论、模糊聚类分析、分形理论、分叉理论、混沌理论等等。尤其是人工神经网络应用的尤为普遍。1999年杨朝晖等根据国内外围岩分类经验用插值法构造学习样本，建立了地下工程围岩稳定性分类的神经网络模型。灰色系统理论是研究解决灰色系统分析、建模、预测、决策和控制的理论，是由我国学者邓聚龙教授在20世纪80年代初创建的一个关于系统工程的理论。至今灰色理论已渗透到众多领域，取得了许多重要的研究成果，受到国内外学术界的瞩目。2000年乔兰等采用灰色优化理论模型函数进行围岩稳定性分类。自从1965年Zadeh提出模糊集合（fuzzyset）概念以来，模糊数学已经广泛地应用于社会科学与自然科学的各个领域。模糊数学以隶属函数形式表现了事物具有某种属性的程度，从而使一些内涵不是很分明的概念得以表示。2004年许传华等采用模糊数学综合评判方法，对围岩稳定用模糊语言进行不同程度的评价，从而取得了较好的效果。2004年王国军等针对引水隧洞围岩变形监测数据的特点，建立了非等步长灰色模型，用所建模型对围岩变形的位移进行预测，结果表明预测值与实测值误差较小，说明了该模型具有较高的精度，可以为隧洞设计提供理论依据。围岩失稳是一个相当复杂的过程，通常伴随着变形的非均匀性、非连续性和大位移中国矿业大学力学与建筑工程学院科研训练第5页等特点，是一个高度非线性科学问题，围岩稳定性评价不能依赖于单一方法，因此，依托于计算机技术，进行多种方法综合评价分析，是未来发展的一种趋势。2.2爆破理论模型研究现状岩石爆破计算模型包括两类模型，即经验模型和理论模型。前者是建立在经验公式基础上，适用于处理一定范围内的具体工程设计和参数优化问题；后者是建立在爆破机理基础上的普遍适用于各种爆破计算和分析的模型。回顾岩石爆破理论模型及数值计算研究的发展历程，可将其分为弹性阶段、断裂阶段和损伤阶段三部分。①弹性理论阶段关于岩石爆破理论的研究可以追溯到60年代。具有代表性的Harries模型和Favreau模型都是将岩石视为均质弹性体处理的，这两个模型至今还在澳大利亚和加拿大等国广泛地使用。Harries模型（1973）是建立在弹性应变波基础上的高度简化的准静态模型。该模型认为作用于孔壁的爆生气体压力产生的切向拉应变是形成裂缝的主要原因，并以应变值大小决定径向裂纹个数，用MonteCario法确定爆破裂缝分割的破碎块度。Harries模型首次解决了以往爆破物理模型的使用局限性及难以定量的问题，开辟了计算机应用于爆破理论研究的新方向。Favreau模型已有20余年的发展历史，以此为基础的BLASPA数值模拟程序在加拿大国内外50余个矿山得到了广泛应用。Favreau模型是建立在爆炸应力波理论基础上的三维弹性模型。该模型充分考虑了压缩应力波及其在各个自由面的反射拉伸波和爆生气体膨胀压力的联合作用效果，最终以岩石动态抗拉强度作为破坏判据。该模型具有模拟炸药参数、孔网参数及岩石炸药匹配关系等爆破因素的综合能力，并可预报爆破块度。1983年我国马鞍山矿山研究院推出的BMMC（露天矿台阶爆破三维数学模型），就是在此基础上开发的利用单位表面能理论作为破坏判据的改进模型，它是我国第一个完整的爆破数值计算模型。②断裂理论阶段随着断裂力学的发展和岩石断裂理论研究的深入，岩石中裂纹扩展及断裂破坏问题也渗入了爆破理论研究领域。在这方面有代表性的爆破模型主要有BCM模型和NAG-FRAG模型。NAG-FRAG模型以应力波使岩石中原有裂纹激活而形成裂缝为主，同时也考虑了爆生气体压力引起的裂缝进一步扩展。该模型认为爆炸作用下岩石破坏范围及破坏程度取决于受应力波作用激活的裂纹数量和裂纹的扩展速度。该模型还涉及到裂纹相互作用引起的应力降低和层裂作用形成的破碎块度估算等内容。该模型使用一维爆炸波传播程序PUFF实现爆破过程模拟。BCM模型也称层状裂缝岩石爆破模型，是美国能源部组织研究的用于二维有限差分应力波计算程序SHALE中的岩石爆破模型。该模型中国矿业大学力学与建筑工程学院科研训练第6页是在Griffith裂缝传播理论基础上建立的，认为岩石中存在的微缺陷可看作是均匀分布的扁平状裂隙。这些裂隙的稳定性可用能量平衡理论判断：当受法向拉应力作用时，如果释放的应变能超过建立新表面所需的能量，则裂纹扩展；当为压应力时，裂缝闭合但两裂缝面的摩擦也需要消耗能量，并开始用有效弹性模量表示岩石中大量存在的裂缝对应力波传播的影响。澳大利亚的R.Danell等人对BCM模型进行了如下修改：把断裂韧性KIC引入冲击波拉剪作用下的裂纹尺寸公式，采用Gradv的研究成果近似地预报块度。该模型在DYNA2D有限元程序上实现了爆破参数优化和块度预报功能，但爆破漏斗轮廓与实际出入较大。NAG-FRAG模型用一维载荷作用下的裂缝发展情况来解决三维应力场作用下的爆破过程过于简单，而BCM模型中裂纹均呈水平状发育仅适用于有层理或沉积类岩石，具有局限性，这是用断裂力学理论构造爆破模型存在的弱点。要全面顾及岩石中存在的大量的随机分布的微裂纹及其对爆破作用的影响，损伤力学理论显示出更大的优越性。③损伤理论阶段按照损伤力学的观点，在爆炸载荷作用下岩石的动态断裂是一个连续损伤演化累积过程，其损伤断裂机制可归结为岩石内部微裂纹动态演化，Ahrens和Rubin(1993)、He和Ahren