丁志刚

（中交路桥建设有限公司，北京 101121）

随着高速公路建设向山区推进，高边坡工程越来越常见，是工程建设的事故多发地。爆破施工是高边坡工程中常见的施工工艺，在高边坡施工中的运用也越来越广泛，爆破施工的研究引起相关领域的广泛关注。高边坡爆破施工中存在的问题是很多的水库、铁路和山区公路等建设过程中皆面临的常见问题。由于岩体爆破振动的影响，导致岩体结构面的强度降低，从而使岩体高边坡有可能发生局部失稳破坏，影响工程安全、甚至会造成严重的人员伤亡事故。出于安全、经济等方面的考虑，高边坡施工对爆破效果的要求也越来越高。因此，开展爆破振动对岩体高边坡稳定性的研究，对于确保公路工程施工建设安全推进，具有广阔的前景。

目前，爆破荷载作用下岩质高边坡动力稳定性以及评价标准的问题研究还处于探索阶段。部分学者通过有限元法、离散元法对高边坡在不同爆炸荷载作用条件下的动力响应进行比较与分析，并取得了较理想的结果，这揭示了通过数值模拟的方法分析爆破荷载下的动力荷载对高边坡稳定性的影响是具有实际价值的。分析不同爆破荷载条件是怎样影响于高边坡的稳定性，比较不同条件下爆破荷载对高边坡影响的差异，对创新高边坡爆破施工技术并运用于工程实际有着重要的意义。

1.有限元分析模型

有限元分析模型主要是指运用MIDAS-GTS、LS-DYNA、ANSYS等有限元软件，并根据岩体的物理、力学特性和各高边坡的设计形式。高文学[1-2]等利用MIDAS-GTS有限元建立二维模型，模型未考虑岩体中结构面，将岩体看成是弹塑性体进行计算，探究缓冲爆破和深孔爆破对高边坡稳定性的影响，两种爆破施工技术运用于高边坡工程的方案如何比选；罗周全[3-4]等利用MIDAS-GTS有限元建立三维模型，采用经向不耦合连续装药技术和间隔装药技术，研究在同一坡角时下部台阶爆破对整体的高边坡稳定性的影响，间隔装药技术较连续装药技术在经济效益上更有优势；胡英国[5]等采用Fortran建立拉压损伤模型，基于LS-DYNA的自定义接口，将拉压模型导入，并模拟上层岩体和下层岩体预裂爆破的开挖过程，进行了模型的计算和模型的验证；应用LSDYNA的塑性随动硬化材料建立高边坡模型，通过与实际模型试验的相互验证得出减震沟能够改善爆破荷载对边坡稳定性的影响。

2.爆破施工对高边坡的作用

2.1 作用原理

爆破荷载对岩质高边坡的作用原理主要表现在以下两个方面：一是对高边坡的影响，高边坡施工形成的震动惯性力使高边坡致滑因素增加。此时爆破产生的震动惯性力相当于一个动荷载，直接引起高边坡的稳定性；二是对高边坡整体稳定性的影响，爆破产生的引力波在岩体内部传递，致使高边坡岩体中的剪应力增加，在剪应力的作用下岩体结构面、裂隙、节理等发生扩张或产生位移，使其原来的物理力学性质下降，使高边坡失稳变形。其作用是间接对高边坡产生影响，爆破荷载未直接作用于高边坡，而是引起高边坡上的微结构发生变化，减小结构原来的物理力学性质，从而影响高边坡整体的稳定性。

2.2 稳定性评价

当前，岩质高边坡的动力稳定性的评价方法主要有如下两种。第一种是经验法。速度经验法是经验法中运用得比较广泛的一种方法，爆破振动速度影响着高边坡的稳定性。同时岩质高边坡的稳定性受地层岩性、风化程度、高边坡形状、爆破施工方案等诸多因素的影响。第二种是安全系数评判方法，但用于评价爆破荷载下岩质高边坡的稳定性欠妥。张建海等以极限平衡法为基础，将高边坡安全系数取为抗滑力与下滑力的比值，将这个比值作为稳定性系数。但由于爆破荷载对高边坡的作用力是瞬时的，高边坡一瞬间的抗滑力与下滑力的比值小于1并不会造成高边坡的失稳破坏。

所以，目前爆破对高边坡稳定性的影响采用安全振动速度阈值法较为广泛。

2.3 对高边坡稳定性的影响

高文学[1-2]等利用MIDAS-GTS有限元将三维问题转化为二维问题并建立二维动力响应模型，结合安全振动速度阈值法比较深孔爆破技术与缓冲爆破技术高边坡的位移云图、高边坡最大剪应力图和最大振动速度衰减规律得出缓冲爆破技术比深孔爆破技术减小了爆破荷载对高边坡的危害和降低爆破振动对高边坡稳定性的影响的结论。缓冲爆破技术具有较灵活，适用于地形陡峭、爆破量较小的地段，在爆破施工技术中有着不可取代的地位。但缓冲爆破技术存在一定的缺点，如劳动强度大、工作效率低等。深孔爆破技术虽然显著提高了施工效率、降低成本等优点，然而对高边坡稳定性的影响较缓冲爆破技术较大。在工程施工中如何比选施工方案，还需多方面考虑。

罗周全[3-4]等利用MIDAS-GTS有限元软件，建立270*487*200m的三维模型，分析径向不耦合间隔装药技术和连续装药技术对高边坡整体稳定性的影响。计算出连续装药与间隔装药条件下爆破荷载等效峰值应力，采用中科院成都分院TC-4850爆破震动信号测试仪监测两种条件下最大振动速度实测值，取实测值波形图与平均值波形图最接近的一组数据进行分析；比较200ms内连续装药技术与间隔装药技术高边坡位移分析；比较高边坡最大剪应变应力图，揭示了间隔装药技术条件和连续装药技术条件下，虽然大块率以及超挖、欠挖等爆破效果基本一致，但是高边坡的破坏程度、岩体位移、最大剪应变的作用明显变小，可见间隔装药技术条件较连续装药条件对高边坡的危害及高边坡稳定性的影响更小。这项研究成果对减少人力、物力、财力需求等方面的效益明显。

研究表明受高边坡坡度、高边坡岩性、地形地貌等因素的影响，高边坡爆破振动在台阶部位具有高程放大效应，而在台阶坡脚处高程放大效应不存在，随着高程的增加而逐渐减小。高边坡主体结构的突出体位于不同高程的台阶处，该台阶部位爆破产生“鞭梢效应”，但是应力、应变比同高程台阶处的小，所以不同台阶处振动速度具有放大效应，因此台阶处的监测爆破振动速度的数据不利于用于评价高边坡的稳定性。

以麻江县19号市政公路高边坡开挖为例研究表明在开挖过程中，选择合适的爆破方法是非常重要的，明确爆破数据，合理掌控炸药的爆破程度，将影响岩石稳定性的因素降到最低，从而提升爆破效果，确保施工安全，同时减少超、欠挖，提高公路工程质量及进度控制爆破分段的装药量，将高边坡爆破的施工顺序进行调整把爆破对边坡岩体的破坏和边坡整体稳定性的影响降低，同时降低了工程的成本消耗。小湾水电站高边坡工程实际的研究表明高边坡爆破影响整体稳定性虽不至于边坡整体失稳破坏，但爆破作用于滑动面导致滑动面弱化，在降雨，地震等不良因素的影响下可能会导致边坡的失稳滑动破坏。

基于目前广泛采用上层台阶的爆破振动速度阈值作为爆破振动安全标准的现状，对水电工程岩石高边坡爆破振动安全标准结合上层台阶岩体原先的允许振动速度；各水电站（如：溪洛渡水电站、白鹤滩水电站等）的损伤深度，得出结论，采用爆破安全控制标准是安全可靠的。针对白鹤滩水电站左岸的高边坡，采用Hoek-Btown准者估算损伤岩石力学参数，通过测试爆破产生的岩体波速得出扰动因子随深度的变化规律；扰动因子与岩体单轴抗压强度、内摩擦角和粘聚力的关联等。溪洛渡水电站高边坡开挖的动力有限元计算表明，马道外缘点、马道中点、坡面中点和马道内侧点在爆破施工发生后，以前两处测点的放大效应较明显，后两处测点的放大效应并不明显。并且，随着爆心距的增加这种爆破振动放大效应随之减小。这项研究为爆破施工时理想的置测点位置选择提供了有效的依据。采用Blast-UM型爆破测振仪对两次径向不耦合、轴向连续装药爆破的单薄山体的赤湾山高边坡施工进行监测，分析所测数据。并且利用LS-DANY有限元软件进行赤湾山单薄山体的爆破振动数值模拟，模型的边界设置为无反射边界，岩体为线弹性材料。揭露了爆破振动产生的高程效应，并且发现赤湾山单薄山体的自振频率与常见的单面边坡的不同。减少了起爆网络的时间，对爆破施工进行了优化。

3.结语

通过以上学者通过爆破实体试验、建立有限元模型等方法，可以分析、比较在不同条件下的各个参数，得出在不同条件下爆破荷载是怎样影响高边坡的结论，从而优化高边坡爆破施工技术进而提高工程建设的安全性、施工效率和经济效益等。通过建立的有限元模型研究分析显示，在高边坡爆破施工中我们应该着重考虑施工方案采用如缓冲爆破技术或深孔爆破技术、不耦合连续装药技术或间隔装药技术等哪种施工方案能够达到高边坡施工的目的并且对高边坡整体稳定性的影响最小。这些研究为高边坡爆破施工提供更可靠的理论依据，将我们创新的成果广泛运用于高边坡工程施工。

目前学者对于高边坡爆破施工技术的研究较多，研究成果创新也广泛应用与工程实际，土木、地质等相关领域人员对爆破施工技术的研究关注较广泛。然而在高边坡爆破施工技术研究中，学者考虑含有软弱结构面的岩质高边坡下爆破荷载的影响还很少见，然而在实际工程施工中高边坡爆破施工不得不考虑高边坡的岩体的结构面的影响。因此，高边坡爆破施工中软弱结构面对岩质边坡影响的研究还有待深入。可见，含结构面的高边坡爆破施工技术的研究具有广阔的前景。