爆破荷载作用下隧洞围岩动力响应及破坏模式研究

爆破是地下工程开挖施工的重要方式。但爆炸能量在破岩时产生的冲击和振动效应也会造成围岩损伤，进而对围岩完整及工程安全造成不利影响。本文以数值模拟为主要手段，研究隧洞爆破开挖施工引起的围岩动力响应及其对围岩稳定性的影响，在此基础上进行爆破药量控制分析；研究循环开挖引起的围岩应力路径变化，并评价由于应力大小和方向变化对围岩稳定的影响。主要研究工作如下：（1）以柱状装药爆破为例研究了岩体在爆炸冲击作用下的损伤破坏及爆破振动衰减过程。

爆破造成的岩体损伤区由爆孔底部沿孔壁向孔外发展，并伴有径向上的扩展。较大的爆破压力集中作用于爆孔周围约5.0倍装药半径范围内的岩体。不同装药量下峰值基本均出现在爆炸后100μs以内，当单孔药量增加3倍时，损伤区半径增长幅度约为50%，压力峰值及振速峰值增幅在70.5%左右。（2）研究爆破荷载作用下的隧洞围岩动力响应及其对围岩稳定的影响。

爆孔周围约1.0m范围内的围岩受爆破冲击的影响较大，围岩主应力峰值一般出现在800μs以内，紧邻爆孔的围岩主应力峰值较大，掌子面前方围岩爆破振动的衰减幅度大于掌子面后方围岩。掌子面上爆孔周边塑性区向爆孔四周发展、临空面塑性区向围岩内部发展，塑性区在沿洞轴线方向上的发展趋势为沿爆孔径向扩展的同时呈圆锥状向掌子面前后围岩内部发展。当爆破药量增长3倍时，岩体主应力峰值及各向振速峰值的增长幅度可达到300%，但塑性区范围的增长幅度较小，说明较大的爆破药量会加剧岩体破碎但对破碎区范围的影响较小。（3）针对隧洞开挖施工过程，研究了应力路径变化对裂隙扩展和围岩稳定的影响。

隧洞开挖过程是一个对围岩反复加卸载的过程，会引起应力大小和方向的变化，应力旋转引起的围岩稳定问题不容忽略。对依托工程的研究表明：边墙附近围岩主应力的最大旋转角度接近90o；洞顶附近围岩主应力则在旋转一定角度后回复初始方向。应力旋转会对裂隙扩展方向和深度产生重要影响。越靠近隧洞顶部洞壁的围岩，应力方向旋转更为剧烈，围岩出现宏观破坏的可能性也更大。

隧洞爆破开挖施工时，爆炸冲击荷载会在短时间内造成围岩的破坏，随后主要以爆破振动的形式作用于近区围岩；药量增加会加剧围岩破碎程度但对破碎区范围的影响不大；应力旋转会影响裂隙扩展的方向及深度，对围岩稳定造成不利

影响；在实际工程中应对上述问题予以关注。