爆破扰动诱发地下洞室围岩变形突变机制研究(1).pdf

第 35 卷 第 1 期 2018 年 3 月 爆 破 BLASTING Vol. 35 No. 1 ▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂ Mar. 2018 doi 10. 3963/ j. issn. 1001 -487X. 2018. 01. 002 爆破扰动诱发地下洞室围岩变形突变机制研究* 李新平 1， 樊 伟2， 罗 忆1， 黄俊红2， 何承东2， 徐鹏程3， 李友华4 （1. 道路桥梁与结构工程湖北省重点实验室， 武汉 430070; 2. 武汉理工大学 土木工程与建筑学院， 武汉 430070; 3. 中国水利水电第九工程局有限公司， 贵阳 550081; 4. 中国葛洲坝集团 三峡建设工程有限公司， 宜昌 443002 摘 要 为了研究地下洞室边墙围岩变形突变的产生机制， 建立了边墙围岩嵌入块体的模型， 从理论上分析 了块体受到爆破扰动时产生滑移的机理， 并采用 LS-DYNA 数值软件， 计算了不同地应力下爆破开挖引起的块 体的水平位移， 认为爆破扰动诱发超低摩擦效应导致块体产生残余位移是引发变形突变的原因之一。研究结 果表明 当侧压力系数相同时， 随着水平地应力的增加， 近区和远区爆破扰动所诱发的块体相对位移均呈现抛 物线状增加， 远区的爆破扰动诱发的块体位移平均可达到近区的 60左右。此外， 研究了嵌入在边墙围岩内 的两个块体在爆破扰动下的动力响应， 发现爆破产生的能量主要被靠近临空面一侧的块体吸收消耗。 关键词 块体；地应力；爆破开挖；超低摩擦效应；变形突变 中图分类号 TD235. 3 文献标识码 A 文章编号 1001 -487X 2018 01 -0009 -06 Mechanism Study of Abrupt Deation of Surrounding Rock Induced by Blasting Disturbance LI Xin-Ping1， FAN Wei2， LUO Yi1， HUANG Jun-hong2， HE Cheng-dong2， XU Peng-cheng3， LI You-hua4 （1. Hubei Key Laboratory of Road-bridge and Structure Engineering， Wuhan 430070， China; 2. School of Civil Engineering and Architecture， Wuhan University of Technology， Wuhan 430070， China; 3. Sinohydro Bureau 9 Co Ltd，Guiyang 550081， China; 4. China Gezhouba Group Three Gorges Construction Engineering Co Ltd， Yichang 443002， China Abstract In order to study the mechanism of abrupt deation of surrounding rock， a model of embedding block in the wall is established， and the mechanism of slippage caused by blasting is analyzed theoretically. The horizontal displacement of the block in the inner wall caused by blasting excavation is calculated by using numerical software LS- DYNA. And it is found that the ultra-low friction induced by blasting disturbance leads to the residual displacement of the block which is one of the causes of abrupt deation mutation. The study shows that under the same lateral pres- sure coefficient， the relative displacement of the block induced by near and far area blasting disturbance exhibits a par- abolic increase with the horizontal in-situ stress. The average value of the block displacement induced by the far area blasting disturbance is about 60. In addition， the dynamic response of two blocks under blasting disturbance is stud- ied， and it is found that the blasting energy is mainly consumed by the block near the free surface. Key words block rock mass;in-situ stress;blasting excavation;ultra-low friction effect;abrupt deation 收稿日期 2017 -12 -21 作者简介 李新平 （1963 - ， 男， 1990 于中国科学院武汉岩土力学研 究所获博士学位， 现任教授， 主要从事裂隙岩体力学特性、 爆破控制技术与爆破效应方面的教学与研究工作，（E- mail xinpingli whut. edu. cn。 通讯作者 樊 伟 （1991 - ， 男， 硕士研究生， 主要从事爆破效应方 面的研究，（E-mail 1391941536 qq. com。 基金项目 湖北省自然科学基金 （No. 2015CFA136 ; 国家自然科学基 金青年基金 （No.51309183 近年来， 大规模的水电工程陆续修建， 其中主要 分布在西南地区的高山峡谷地带。受地形地质条件 的限制， 许多水电站采用了地下厂房的设计。这些处 于较高地应力条件下的洞室在开挖过程中往往会诱 发一系列的变形稳定问题， 如突发大变形、 岩爆等。 万方数据 大量地下厂房的施工期安全监测数据显示， 高 地应力条件下， 在爆破开挖的过程中， 多点位移计的 监测数据往往会呈现出一种阶梯式的突变， 如表 1 所示。不难发现， 地下厂房所在区域的地下岩体在 结构面的影响下多以块状、 层状等结构体的形式存 在。在爆破开挖过程中， 应力波在结构面上进行能 量的累积和传递。在循环加卸载循环中， 一部分不 可逆的变形能会积聚在岩体内。 微小的扰动会使岩体产生变形， 这种变形可能 是引发位移变形突变的动力性质 [1]。同时， 如果这 种扰动的能量达到一定的水平， 块系岩体的界面性 状和应力状态将发生改变， 导致块体接触面间的动 摩擦系数大大降低， 引起块体产生滑移， 即超低摩擦 效应。 近年来， 深部岩体的超低摩擦现象引起了国内 外岩石力学领域专家学者的关注。Kurlenya 在对深 部块系岩体动力传播研究中发现了超低摩擦现 象 [2]， 钱七虎和王明洋等研制出可进行动力和静力 研究的多功能实验装置 [3， 4]， 并进行了冲击荷载下 超低摩擦效应实验。吴昊研究了超低摩擦现象产生 的内在机理 [5]。潘一山等等研究了块系岩体的超 低摩擦效应发生的规律， 分析了岩块尺度、 岩体特性 和外界扰动等对超低摩擦的影响 [6， 7]。王来贵采用 数值模拟研究了地震作用下含有结构面的边坡的超 低摩擦效应和启滑机制 [8]。根据深部地下洞室所 处的岩体结构特征， 从超低摩擦效应的角度入手， 结 合理论分析与数值模拟， 对不同地应力条件下洞室 围岩的变形突变机制进行了探讨。 表 1 国内高地应力条件下水电站地下厂房变形实例 [9, 10] Table 1 Deation characteristics of several domestic underground powerhouse under high in-situ stress condition [9, 10] 项目名称 围岩 等级 主要岩体 结构 初始地应力 水平/ MPa 变形情况 瀑布沟ⅢⅡ块状结构21 27高强度开挖期， 变形呈 “台阶状” 上升趋势 [11] 官地Ⅱ块状结构25 35洞周岩体随下部开挖变形增长明显 [12] 拉西瓦ⅢⅡ块状结构29边墙位移都表现为随向下开挖而逐渐增大 [13] 大岗山ⅢⅡ块状结构11 22大部分围岩变形趋势表现为 “台阶状” ， 监测断面附近开挖的影响显著 [14] 二滩ⅢⅡ块状结构32 52施工期间， 围岩变形不断增加， 以阶梯状突变为主 [15] 1 理论分析 变形突变现象大多伴随洞室爆破开挖产生， 在 分部开挖中的各个阶段都有可能出现， 受施工的影 响程度较大。如锦屏水电站地下厂房在分层开挖过 程中， 通过多点位移计的监测发现洞室围岩出现了 位移突变的现象， 尤其是在第四层的开挖初始阶段， 出现了明显的突变现象 [16]， 给工程安全施工带来了 极大的隐患， 因此在地下洞室爆破开挖过程中需要 对围岩变形的产生机理进行深入研究。 地下工程中的岩体， 可以看作是具有不同尺寸 等级块系岩体的组合。李杰在研究微扰动诱发的滑 移型岩爆时， 假定地下坑道围岩中存在一锥形关键 块体， 提出了图 1 所示的简化模型， 分析了岩块在微 扰动下状态的改变， 并给出了岩块失稳所应当满足 的条件 [17] M ∂2Г ∂t 2 ≥ Fs （1 式中 M 为构造岩块的质量; Г 为岩块产生的位 移; M ∂2Г ∂t 2为块体运动所产生的惯性力; Fs 为块体运 动所需要克服的阻力， 即当块体运动时的惯性力可 以克服界面对运动的阻力时， 岩块将失稳。 图 1 岩块的剪切稳定性简化计算图 [17] Fig. 1 Simplified calculation of shearing stability of rockblock 图 2 地下洞室围岩内的块体示意图 Fig. 2 The block diagram of underground caverns 假设在爆破开挖的过程中， 在地下洞室侧壁中 围岩微裂隙形成了如图 2 所示的块体。在地应力的 作用下， 块体在未受到爆破扰动下处于稳定的平衡 状态。块体与围岩接触的界面上受到法向正应力 σn和剪切应力 σs作用 01爆 破 2018 年 3 月 万方数据 σs 1 2 Eε （2 式中 E 为岩体弹性模量; ε 为应变， 是定值， 也 即 σs为定值。 块体与围岩间结构面处的最大摩擦力 Fmax（不 考虑岩块与结构面间的粘聚力 为 Fmax μ sσsA （3 式中 μs为结构面间的静摩擦系数; A 为块体与 围岩的接触面积。 在爆破扰动作用下， 结构面上的受力状态发生 变化， 在块体与围岩相对疏松的时刻， 接触面间的最 大摩擦力大大降低， 甚至降低达数倍， 块体的临界平 衡条件被打破并产生运动 [7]。此时， 界面上受到的 法向应力变为 σn（t ， 剪切应力变为 σs（t 。在块体 产生滑移的临界状态， 块体与围岩间的最大摩擦力 Fmax（t 和剪切应力 Fs（t 变为 Fmax（t μs[σn（t σn] A（4 Fs（t[σs（t σs] A（5 设 φ （t Fmax（t- Fs（t ， 当 φ （t ≤0 时， 即结 构面上的剪切应力可以克服摩擦阻力产生滑移运 动。在此过程中， 结构面处的实际摩擦力由静态力 跌落至动摩擦力 Fd（t Fd（t μD[σn（t σn] A（6 式中 μD为结构面间的动摩擦系数。 由于超低摩擦效应的影响， 当 μD变小， Fs（t- Fd（t＞0 时， 块体产生的加速度大于 0， 其速度和位 移均增大。随着超低摩擦效应减弱直至消失， μD恢 复至原始数值， 块体的加速度小于 0， 运动速度逐渐 减小， 最终恢复稳定， 块体向着临空面一侧产生了残 余位移 [6]。由于这一系列的变化都是在很短时间 内发生的， 因此在多点位移计的监测数据曲线图中 会表现为阶梯式的突变。 随着附近区域开挖工作的不断进行， 在爆破扰 动下， 超低摩擦效应依旧可能出现并导致变形突变。 同时， 恢复稳定之后的块体在摩擦力的约束下， 可能 处于一种被锁紧的稳定状态， 在扰动时还有可能会 诱发块体积聚的弹性应变能释放， 导致塌方甚至岩 爆灾害。 在实际工程中， 岩体的内部可能含有多个块体， 块体与围岩间的界面对爆炸应力波的传播也会有影 响。对于这样复杂的力学问题， 需要借助有限元方 法来分析其产生的机理。 2 数值模型的建立 2. 1 洞室的数值模拟 为了简化分析过程， 重点研究围岩块体的变形 突变机制， 假定在爆破开挖过程中， 由于裂隙的不断 扩展延伸， 在围岩内形成了方形块体。为了研究块 体在多次爆破扰动下的动力响应， 建立了如图 3 所 示的假三维计算模型， 模型尺寸为 120 m 120 m， 洞室的跨度为 20 m， 高为 24 m， 其中直墙部分高度 为 18 m。根据实际工程中通常采用分部爆破开挖 的方法， 对洞室上部分的保护层爆破开挖和中间部 分的掏槽爆破开挖进行模拟。分别建立单块体模型 和两块体模型进行研究， 对于两块体模型， 定义靠近 临空面一侧的块体为左块体， 处于内侧的块体定义 为右块体。块体的尺寸均为 1 m 1 m， 其底边距洞 室设计底板高度 16 m。所建模型采用实体结构单 元 solid164。其中单块体模型单元共计 105 400 个， 两块体模型单元 228 800 个。 图 3 模型示意图 （单位 m Fig. 3 Model diagram （unit m 在围岩材料的选取上， 采用塑性随动强化材料， 围岩具体的力学参数见表 2。 2. 2 块体与围岩接触的处理 在涉及到岩体结构面的问题中， 以往的研究一 般不考虑结构面间的相互滑动和摩擦， 而采用完全 粘接的边界条件 [18]。但实际中， 岩体中存在的一些 构造结构面， 其粘结力很小， 甚至可以忽略。当爆破 产生的压应力波， 斜入射到这些结构面时， 应力波在 11第 35 卷 第 1 期 李新平， 樊 伟， 罗 忆， 等 爆破扰动诱发地下洞室围岩变形突变机制研究 万方数据 结构面上的切向分量可能会导致岩层间的相互滑 动。因此， 在研究应力波与结构面之间的相互作用 时， 考虑结构面间的摩擦更加贴合实际。为此， 在模 型中定义了块体与围岩间的面-面接触， 并设定了动 静摩擦系数。 表 2 深部岩体模型力学参数表 Table 2 Mechanical parameters of deep rock mass model 密度/ （kgm -3 弹性模量/ GPa 泊松比 抗压强度/ MPa 切线模量/ GPa 2700500. 251008 2. 3 爆炸荷载参数设定 为了更准确的模拟工程实际， 反应块体在爆破 扰动下的动力响应， 分两次施加爆炸荷载。第一次 的爆炸荷载等效施加在块体表面， 模拟保护层的爆 破开挖， 这里定义为近区爆炸荷载。第二次的爆炸 荷载等效施加在下一层级的保护层上， 模拟中部掏 槽开挖， 这里定义为远区爆炸荷载。 爆炸荷载采用三角形曲线施加， 如图 4 所示， 随 时间的变化关系参照文献 [19] 确定， 取爆炸荷载上 升的时间为 t1 2. 3 ms， 持续的总时间 t2 17 ms。 计算中炸药密度取 1000 kg/ m3， 等效峰值荷载取为 50 MPa。 3 数值模拟计算结果及分析 工程中的块体受到地应力和爆破扰动的共同作 用。通过改变水平向和垂直向地应力， 研究不同的 侧压力系数条件下， 块体在爆破扰动下的动力响应。 图 4 爆炸荷载曲线 Fig. 4 Curve of blasting load 3. 1 近区和远区爆破扰动对块体位移的影响 在受到爆破扰动前， 块体在地应力的作用下处 于稳定的状态， 受到扰动后， 块体与围岩接触面上受 力状态发生改变， 导致摩擦力减弱， 产生超低摩擦效 应， 并在达到稳定状态时产生了残余位移。在不同 地应力下， 近区和远区爆破扰动引起块体在水平方 向上产生了一定的相对位移， 如图 5 所示。从图中 可以看出， 在近区的爆破扰动作用下， 块体沿着临空 面一侧所产生的水平位移较大， 且随着水平向地应 力的增加呈抛物线状增加， 这与块系块体超低摩擦 效应的实验现象较吻合 [20]。爆破动力扰动作用诱 发块体产生了超低摩擦效应， 并导致了块体向着临 空面一侧产生了较大的位移， 该现象的出现在多点 位移计的监测数据中便会表现为阶梯式的突变。 图 5 不同地应力下爆破扰动引起的块体水平位移 Fig. 5 Horizontal displacement of rockblock induced by blasting disturbance 同时， 从图中可以看出， 当地应力相同时， 近区 爆破扰动诱发块体产生的水平位移均比远区大， 但 远区的爆破扰动诱发的块体位移一般平均能达到近 区的 60左右。这与实际工程中， 多点位移计监测 部位以下层级的爆破开挖也会产生变形突变的现象 一致。 如图 5 （a 所示， 对于单块体， 当侧压力系数为 0. 5 时， 爆破扰动对块体产生水平位移的影响程度 最大。同时， 近区和远区爆破诱发的水平位移的差 异大小与侧压力系数大小水平相关， 其影响的程度 大小为 λ 0. 5 ＞ λ 1 ＞ λ 2。对比分析图 5 （b 和 （c 中块体产生的位移大小可知， 对于边墙内嵌 入的两个块体， 在相同量级的爆破扰动和地应力的 情况下， 靠近临空面侧的左块体产生的位移均比右 21爆 破 2018 年 3 月 万方数据 块体大， 说明爆破产生的能量更多的被外侧块体的 运动所消耗。 3. 2 近区和远区爆破扰动下块体的自身变形 爆破扰动诱发块体产生超低摩擦效应， 使得块 体产生运动， 引发变形突变。当运动结束， 块体重新 达到稳定状态时， 在摩擦力的约束作用下， 块体自身 会产生变形， 可能处于被压缩的状态， 也可能处于受 拉的状态。选取块体上的角节点， 通过研究两节点 之间的相对位移 （变形量大于 0 表示块体产生拉伸 变形， 小于 0 表示块体受到压缩变形 来判别块体 的变形情况及产生的变形量大小， 如图 6 所示。从 图中可以看出， 在不同的地应力条件下， 稳定状态时 块体主要产生了拉伸变形。在同一地应力条件下， 近区和远区爆破扰动后的稳定状态， 块体产生的变 形量差别不大， 表明爆破扰动的主要作用是解除块 体受到的约束作用， 变形量的大小主要是依靠摩擦 力的作用而产生的。远区爆破扰动引起的块体变形 也能达到近区相近的程度。在扰动量级相同而地应 力不同的条件下， 块体的变形差异相对较大。爆破 扰动诱发超低摩擦效应并导致块体产生运动， 最终 达到新的稳定状态， 由于这是一种随机的状态， 过程 较为复杂， 难以准确确定， 有待进一步的研究。 图 6 爆破扰动引起的块体自身变形 Fig. 6 Self-deation of rockblock induced by blasting disturbance 块体自身变形量的大小反映了块体所积聚的应 变能的大小以及约束作用的程度。在之后的爆破开 挖中， 动力扰动可能会将块体受到的约束作用解除， 产生超低摩擦效应， 造成块体内积聚的应变能释放， 产生变形突变的现象。 4 结论 地下洞室在施工期的变形突变问题严重影响了 整个工程的质量和安全。基于超低摩擦效应理论， 通过理论分析和数值模拟手段探讨了变形突变机 制， 得出以下结论 （1 不同地应力条件下， 爆破开挖扰动会在块 体与围岩相接触结构面上产生超低摩擦效应， 导致 块体产生残余位移， 进而引发块状结构岩体产生变 形突变。 （2 数值计算表明， 爆破扰动作用下， 块体沿着 临空面一侧产生的水平位移随地应力的增加呈抛物 线状增加， 与已有实验现象吻合。同时， 远区爆破开 挖时的扰动诱发的块体位移平均能达到近区的 60。 （3 当围岩内存在两个块体时， 爆破产生的能 量主要由靠近临空面的外侧块体吸收， 并且外侧块 体产生的相对位移比内侧块体大。 （4 不同地应力条件下块状岩体结构的地下洞 室的稳定性分析问题， 应考虑到超低摩擦效应。在 施工期的安全监测中， 需要对关键部位， 尤其是因裂 隙贯通在边墙内形成嵌入式的稳定型块体的部位进 行更加频繁的监测。 参考文献 References [1] 王洪亮， 葛 涛， 王德荣， 等. 块系岩体动力特性理论 与实验对比分析 [J] . 岩石力学与工程学报， 2007， 26 （5 951-958. 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