王 硕，张志强

(西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川成都 610031)

随国民经济的快速发展，交通基础设施延伸到丘陵地貌区和山区，在修建过程中必然会面临复杂地质条件，其中层状节理地层是最常遇到的，因节理存在，岩体的强度会发生变化，其动态力学特性也会受到明显的影响[1]。爆破作为现如今隧道开挖的主要方法之一，当遇见层状节理地层的存在时，由于经验不足造成隧道断面大量超挖与欠挖的现象屡见不鲜。

针对层状节理地层中爆破时岩体损伤与爆破效果等问题，国内外学者采用理论分析、数值模拟及现场监测等手段进行了研究。WU.C.Q等[2]利用数值方法对节理岩体在爆炸荷载作用下的破坏规律进行了研究, 得出了节理对岩体破坏模式的影响规律。张力民[3]等人采用数值流形方法得出了节理岩体的爆破破坏规律。王明洋,钱七虎[4]结合实际的地质特点，根据断层与节理裂隙带的几何关系，运用应力波通过裂隙传播理论，分析了应力波通过节理裂隙带的衰减规律。尽管国内外研究人员对层状节理地层条件下爆破技术做的大量的研究工作，极大的促进了隧道建设事业的发展，但仍然还存在一些不足之出。

都府隧道所穿越区域工程地质、水文地质条件复杂，穿越层状节理地层，富水性好，节理裂隙大，在对其进行周边眼光面爆破过程中，容易造成超挖现象，因此层状节理地层隧道光面爆破技术是急待研究的。

1 工程概况

都府隧道为三穗至施秉高速公路是贵州省“678网”规划中“四联”天柱—三穗—镇远—施秉—黄平的重要组成部分。都府隧道起讫桩号为K11+380～K13+750，长2 370 m，属于全线控制性工程。隧址区雨季地下水丰富，围岩为厚层状变余凝灰岩与凝灰质板岩互层，岩体破碎，围岩呈松散碎裂状，自稳能力差，属于富水软弱破碎围岩。同时隧道节理裂隙发育，节理裂隙大，为陡倾层软弱围岩地层。

都府隧道宽度为8.12 m，高度为9.69 m，开挖进尺为3 m，炮孔直径为42 mm。都府隧道所经过的区域其发育节理见表1，现场节理存在产状之一如图1所示。

图1 现场节理

表1 都府隧道节理统计

2 数值计算

以30°节理倾角，间距0.45 m情况为例，分析节理裂隙导致光面爆破产生超欠挖原因，忽略断面内与光爆层不相交的其他节理裂隙存在，研究与周边眼光爆层相交的节理裂隙。

2.1 计算参数

岩体单元为弹塑性动力学模型，关键字段为*MAT_PLASTIC_KINEMATIC，计算考虑失效[5]。根据都府隧道地勘资料，计算参数见表2所示。

表2 围岩参数

乳化炸药采用炸药单元(*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN)模拟，定义其相关状态方程(*EOS_JWL)，材料参数见表3。

表3 炸药参数

单孔爆破中存在径向不耦合系数，因而在炸药单元与炮孔壁之间存在空隙，需要引入空气单元(*MAT_NULL)，并定义其相关的状态方程(*EOS_LINEAR_POLYNOMIAL)，空气单元材料参数见下表4。

表4 空气参数

对于节理材料，假定节理为弹塑性体，选取弱化的围岩参数作为其材料参数，如下表5所示。

表5 节理参数

2.2 计算工况方案设置

隧道爆破过程采用全断面开挖，即同时起爆所有周边眼。为实现层状节理地层光面爆破效果，建立不同周边眼布局工况下，隧道光面爆破模型，其计算工况如表6所介绍。

表6 计算工况

结合以上两种工况建立的数值计算模型[6]如图2(a)、图2(b)所示。网格单元采用的六面体单元，且均为高质量网格单元，并未出现畸形网格。

(a)工况1隧道断面模型

2.3 计算结果分析

为了弄清楚节理对光面爆破效果的影响，对工况1情况下的断面每隔一段时间提前其有效应力云图，结果如图3所示。

从各时刻有效应力云图可知：在33 us之前，炸药爆炸产生的能量主要以柱面波的形式进行传播，炸药彼此之间并未发生波的叠加效应，但此时层状节理软弱带处炮孔周围产生应力集中。之后在33～233 us之间，位于软弱带附近的炸药产生的应力波开始叠加，节理附近炮孔周围产生应力集中，软弱层处应力值要低于其他部位，之后应力波叠加在一起，节理附近的岩体被大面积破坏，并延伸至隧道设计轮廓线以外的位置。233 us之后周边眼炮孔之间彼此连通，其爆破效果基本成型。

通过对工况1、2隧道边界周围落石的清理后，得到节理存在处的超欠挖情况如下图4所示。

从工况1超欠挖图上可看出：位于拱顶、左拱肩处及右侧墙角处均产生了较大的超挖情况，三者附近最大超挖量均超过了26 cm，其中最大超挖发生在左侧拱肩处，超挖超过47.13 cm，远大于《评定标准》里规定25 cm，且对于其余部位超挖量也均在18 cm以上，断面平均超挖为22 cm远大于《评定标准》里规定平均超挖不超过的15 cm。造成工况1左拱肩处超挖和右墙角处超挖主要形成原因是：爆破时产生的应力波叠加后的应力作用于节理的软弱夹层处，造成软弱夹层岩土失效，形成裂隙，造成与软弱带相连接的部分的岩体的脱落，从而造成较大超欠挖，这种超挖在节理软弱带与炮孔连线近似平行时表现最为明显。

从工况2超欠挖示意图看，该断面超挖尺寸要远远小于工况1情况，平均线性超挖在12.8 cm，满足《评定标准》规定不超过15 cm要求，最大线性超挖16.19 cm，出现在仰拱，但小于《评定标准》里规定25 cm。工况2中，节理层因炸药用量较少，不耦合系数较大，爆破时释放应力波较小，并未造成节理处软弱岩层大面积破碎，从而未导致与炮孔连线近似平行处岩体的大面积脱落。

3 结论

通过对隧道周边眼爆破后围岩的有效应力及隧道超欠挖情况等进行比较分析，探明层状节地层对隧道光面爆破效果的影响，可得出以下结论：

图3 工况1情况下各个时间点有效应力云图

(a)工况1情况下断面超欠挖效果

(1)层状节理地层的软弱带附近的炸药产生的应力波发生叠加，造成节理附近炮孔周围产生应力集中，导致节理附近的岩体被大面积破坏，并延伸至隧道设计轮廓线以外的位置，这是层状节理地层产生超挖的主要原因。

(2)对于30°倾角层状节理地层隧道爆破后的拱顶以及拱顶左侧拱肩处以及右侧墙角处出现较大超挖的原因为爆破均造成软弱夹层的岩土失效，形成裂隙，造成与软弱带相连接的部分的硬质岩体的脱落。

(3)层状节理地层下隧道爆破后产生的超挖现象在节理软弱带与炮孔连线近似平行时表现最为明显。在施工时可以采用注浆加固的措施，对与炮孔平行处的节理进行加固，从而减少超挖。

(4)减少周边眼爆破时的炸药用量，提高装药的不耦合系数，适当减少周边眼间距，可以在周边眼爆破时释放较小应力波，可以有效的减少隧道爆破时的超挖现象，实现光面爆破的目的。