第4期 刘洋等：土石交界隧道爆破开挖数值分析 ·485· 式中Pm为冲击波的初始波峰压力；p,为岩体的密 Block State 度P。为炸药的密度；C为岩体中的纵波传播速度； Non ar-n shear-p D。为炸药的爆轰速度；P。为炸药的爆轰压力，P。= shear-n she ear-p tension-p ear-n tensionnshear-p tension-p PD/4,摸拟中取p.=2.325GPa ear-p tension-p enon-terop 图例说明： Nane表示没有发生屈服 shear表示剪切屈服 tension表示拉伸屈服 p表示在计算中曾经发生过屈服 n表示当前计算步下发生屈服 图7塑性区分布 Fig.7 Distribution of plastic zones 力对整个隧道断面的围岩都产生了作用，隧道外围 时间s 岩也产生了部分应力波动，但应力变化主要还是在 图5爆破荷载曲线 爆破岩体部位，图中虽然显示黄土中部是响应最大 Fig.5 Blasting load curve 的地方，但结合图7可知此区域是由爆破冲击和上 3.3隧道前部开挖分析 步开挖共同作用的结果，且此区域属开挖部分，而拱 图6和图7为隧道开挖后最大主应力和塑性区 腰及拱顶的黄土区域应力并未发生较大发展，因此 分布图.从图中可以看出，开挖后隧道附近区域发 对其稳定性影响较小 生了应力重分布，边界和拐角处应力发展较快，在隧 Contour of SMax 道两侧拱腰底部和拱顶应力变化显著，形成明显的 Plane:on Magfac-0 应力释放区，因此现场开挖中拱顶设置超前锚杆是 Gradient Calculation ☐-7.6745×109-7.0000x10 必要的.隧道掌子面区域由于临空，应力明显降低， -7.0000x10F--6.0000×105 -6.0000x10-5.0000x10 尤其是掌子面中间区域. -5.0000x109 -4.0000x10 -4.0000x10-3.0000x10 -3.0000x10-2.0000x109 Contour of SMax -2.0000x105 Magfac=0 -4.00x1P-3.000×1P -1.0000x10 -3.0000x10-2.0000x10 -1.0000x105 -2.0000x10°-1.0000x10 0x10-9.7841×10 -7.0000x10°--6.0000x105 -1.0000x100 6.0000x10、-5.0000x109 0-6.2236×10 图8最大主应力剖面图 -5.0000×104.0000x105 nterval=1 x105 Fig.8 Profile of the maximum principal stress 图9(a)是隧道内部爆破后的塑性区分布情况. 从图中可以看出开挖岩体区域已基本进入塑性状 态.由于爆破扰动，拱顶黄土有部分区域进入塑性 状态，因此施工时，需设置超前锚杆，以加固拱顶围 岩.同时爆破冲击对炮眼后方区域的影响较小，这 图6最大主应力分布.(a)局部图：(b)整体图 与爆破破岩机理一致. Fig.6 Distribution of the maximum principal stress:(a)partial 图9(b)是爆破后掌子面超深1m处剖切面的 map:(b）whole map 塑性区分布情况.由图可知，塑性区域并未向外扩 在掌子面土石交界处，黄土区域的拉应力比较 展，爆破时并未破坏拱顶及右侧拱腰围岩，爆破后围 明显.从塑性区分布图中可以看出，隧道两侧拱腰 岩稳定，但左侧拱腰存在明显的爆破过量现象，从而 底部及拱顶处均发生了部分屈服，但在初衬的支护 造成超挖，在实际爆破时左侧拱腰底部装药量应适 下并未向深部发展，而只是在表层部位产生屈服. 当减少 同时掌子面黄土中心区域也产生了部分塑性区域， 4隧道爆破振动控制的数值摸拟分析 但此区域并未深入土层内部，围岩情况基本稳定. 3.4爆破开挖分析 在数值分析中，可以根据隧道开挖区域内塑性 图8为岩体爆破后距隧道内掌子面1m深处剖 区发展情况，调整炮孔内爆破冲击力大小，从而达到 切面最大主应力分布图.从图中可以看出爆破冲击 理想的爆破效果，然后采用爆破冲击波的衰减来计第 4 期 刘 洋等: 土石交界隧道爆破开挖数值分析 式中: pm 为冲击波的初始波峰压力; ρr 为岩体的密 度; ρe 为炸药的密度; Cpr为岩体中的纵波传播速度; De 为炸药的爆轰速度; pe 为炸药的爆轰压力，pe = ρeD2 e /4，摸拟中取 pe = 2. 325 GPa． 图 5 爆破荷载曲线 Fig． 5 Blasting load curve 3. 3 隧道前部开挖分析 图 6 和图 7 为隧道开挖后最大主应力和塑性区 分布图． 从图中可以看出，开挖后隧道附近区域发 生了应力重分布，边界和拐角处应力发展较快，在隧 道两侧拱腰底部和拱顶应力变化显著，形成明显的 应力释放区，因此现场开挖中拱顶设置超前锚杆是 必要的． 隧道掌子面区域由于临空，应力明显降低， 尤其是掌子面中间区域． 图 6 最大主应力分布． ( a) 局部图; ( b) 整体图 Fig． 6 Distribution of the maximum principal stress: ( a) partial map; ( b) whole map 在掌子面土石交界处，黄土区域的拉应力比较 明显． 从塑性区分布图中可以看出，隧道两侧拱腰 底部及拱顶处均发生了部分屈服，但在初衬的支护 下并未向深部发展，而只是在表层部位产生屈服． 同时掌子面黄土中心区域也产生了部分塑性区域， 但此区域并未深入土层内部，围岩情况基本稳定． 3. 4 爆破开挖分析 图 8 为岩体爆破后距隧道内掌子面 1 m 深处剖 切面最大主应力分布图． 从图中可以看出爆破冲击 图 7 塑性区分布 Fig． 7 Distribution of plastic zones 力对整个隧道断面的围岩都产生了作用，隧道外围 岩也产生了部分应力波动，但应力变化主要还是在 爆破岩体部位，图中虽然显示黄土中部是响应最大 的地方，但结合图 7 可知此区域是由爆破冲击和上 步开挖共同作用的结果，且此区域属开挖部分，而拱 腰及拱顶的黄土区域应力并未发生较大发展，因此 对其稳定性影响较小． 图 8 最大主应力剖面图 Fig． 8 Profile of the maximum principal stress 图 9( a) 是隧道内部爆破后的塑性区分布情况． 从图中可以看出开挖岩体区域已基本进入塑性状 态． 由于爆破扰动，拱顶黄土有部分区域进入塑性 状态，因此施工时，需设置超前锚杆，以加固拱顶围 岩． 同时爆破冲击对炮眼后方区域的影响较小，这 与爆破破岩机理一致． 图 9( b) 是爆破后掌子面超深 1 m 处剖切面的 塑性区分布情况． 由图可知，塑性区域并未向外扩 展，爆破时并未破坏拱顶及右侧拱腰围岩，爆破后围 岩稳定，但左侧拱腰存在明显的爆破过量现象，从而 造成超挖，在实际爆破时左侧拱腰底部装药量应适 当减少． 4 隧道爆破振动控制的数值摸拟分析 在数值分析中，可以根据隧道开挖区域内塑性 区发展情况，调整炮孔内爆破冲击力大小，从而达到 理想的爆破效果，然后采用爆破冲击波的衰减来计 ·485·