俞祥杰 袁海平 熊禮軍 陳 晨 張 羽

（合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽合肥230009）

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，國(guó)家的現(xiàn)代化進(jìn)程不斷加速，各種基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)如火如荼地展開(kāi)，礦業(yè)資源需求量急劇增長(zhǎng)，國(guó)內(nèi)礦山的開(kāi)采規(guī)模也隨之得到快速增長(zhǎng)，而爆破施工目前作為國(guó)內(nèi)礦石開(kāi)采的主要方法，對(duì)于周邊巖體的穩(wěn)定性有著很大影響，是一種具有破壞性質(zhì)的施工方法，周邊巖體的裂隙會(huì)因受到爆破沖擊波的影響而進(jìn)一步發(fā)展，周邊巷道的安全系數(shù)進(jìn)一步降低，甚至?xí)?dǎo)致地下巷道發(fā)生失穩(wěn)破壞等事故。所以，如何準(zhǔn)確分析爆破對(duì)于鄰近巷道圍巖的損傷程度及破壞規(guī)律，進(jìn)而判斷鄰近巷道的穩(wěn)定性就顯得至關(guān)重要。

近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究人員對(duì)于此類(lèi)問(wèn)題展開(kāi)了廣泛的研究，并且也取得了許多重要的研究成果。宋肖龍等［1］以地質(zhì)雷達(dá)為工具，研究了隧道爆破對(duì)圍巖損傷規(guī)律，發(fā)現(xiàn)循環(huán)爆破對(duì)爆源60 m范圍內(nèi)巖體損傷最明顯；左雙英等［2］針對(duì)爆破開(kāi)挖活動(dòng)對(duì)圍巖損傷效應(yīng)展開(kāi)了數(shù)值模擬，得知質(zhì)點(diǎn)振速峰值與其損傷度存在正相關(guān)性；劉樹(shù)新等［3］基于CT技術(shù)對(duì)巖石軸壓破壞過(guò)程中損傷破壞過(guò)程進(jìn)行了研究；NASSERI等［4］運(yùn)用CT技術(shù)得到巖石樣本的內(nèi)部損傷圖像，并評(píng)估了巖石損傷的分布情況；黃少攀等［5］運(yùn)用數(shù)值模擬軟件對(duì)爆破回采過(guò)程展開(kāi)模擬，分析了在爆破影響下采場(chǎng)的位移、應(yīng)力變化情況；劉小樂(lè)等［6］運(yùn)用HHT方法對(duì)爆破振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行處理，分析與研究了爆破的破壞規(guī)律；李新平等［7］通過(guò)彈塑性本構(gòu)方程中引入損傷變量，研究了單段炸藥量與爆破對(duì)圍巖破壞情況的關(guān)系；褚懷保［8］通過(guò)振速測(cè)試試驗(yàn)，探究了巖體破壞情況與波速衰減情況之間的關(guān)系。

較多專(zhuān)家學(xué)者運(yùn)用數(shù)值模擬軟件對(duì)爆破開(kāi)采活動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，雖然能夠從宏觀的角度分析爆破開(kāi)采活動(dòng)對(duì)周邊巖體產(chǎn)生的影響，但是對(duì)于巖體內(nèi)部破損演化情況不能夠進(jìn)行觀察，而直觀展示和準(zhǔn)確表征巖體內(nèi)部復(fù)雜空間分布能夠有效幫助研究地下工程穩(wěn)定問(wèn)題。而CT技術(shù)雖然能觀察到巖石試件的內(nèi)部損傷情況，但是由于CT機(jī)自身的大小及技術(shù)限制，不允許它對(duì)工程巖體進(jìn)行使用，目前僅限制于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行研究。三維重構(gòu)技術(shù)作為一種以重構(gòu)模型的方式直觀展現(xiàn)工程巖體內(nèi)部的三維空間形態(tài)，進(jìn)而有效揭示了巖體內(nèi)部破損的演化特征和力學(xué)行為的新興技術(shù)，具有較好的實(shí)用價(jià)值，所以本文基于三維重構(gòu)技術(shù)研究爆破活動(dòng)對(duì)鄰近巷道圍巖穩(wěn)定性影響問(wèn)題，以期進(jìn)一步認(rèn)識(shí)爆破破壞規(guī)律，為工程減少爆破危害以及巷道支護(hù)方面提供指導(dǎo)作用。

1 三維重構(gòu)技術(shù)介紹

采用的三維重構(gòu)技術(shù)是一種參照CT技術(shù)原理，并基于數(shù)值模擬軟件和數(shù)據(jù)分析與仿真軟件的數(shù)據(jù)處理與繪圖功能，對(duì)巖體內(nèi)部損傷的空間形態(tài)進(jìn)行三維可視化重構(gòu)的新興技術(shù)，它能夠幫助研究人員深入認(rèn)識(shí)巖體損傷演化行為并解決工程實(shí)際問(wèn)題。

1.1 三維重構(gòu)技術(shù)基本原理

三維重構(gòu)技術(shù)以數(shù)值計(jì)算軟件FLAC3D為基礎(chǔ)，結(jié)合MATLAB軟件的數(shù)據(jù)處理及其繪圖功能作為實(shí)現(xiàn)的工具。首先運(yùn)用FLAC3D軟件，計(jì)算模擬巖土體的受力情況；再將模型各個(gè)節(jié)點(diǎn)和單元的三維坐標(biāo)及相關(guān)數(shù)據(jù)（應(yīng)力、位移、破壞接近度值等）輸出到MATLAB中，在MATLAB的圖形窗口中產(chǎn)生位于三維坐標(biāo)系的行線性矢量，并生成三維矩陣；然后通過(guò)命令導(dǎo)入三維散點(diǎn)數(shù)據(jù)，進(jìn)而從三維數(shù)據(jù)中提取等值面數(shù)據(jù)生成等值曲面，最后通過(guò)設(shè)置視角、顏色、透明度、光照等視圖效果及繪制模型的輪廓圖來(lái)實(shí)現(xiàn)三維形態(tài)展示。重復(fù)上述步驟，就得到各個(gè)工況下計(jì)算模型各單元的應(yīng)力、位移等信息的立體分布情況。三維重構(gòu)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)流程如圖1所示。

1.2 三維重構(gòu)技術(shù)優(yōu)勢(shì)分析

目前研究巖石內(nèi)部損傷形態(tài)的主要方法是對(duì)試驗(yàn)試件進(jìn)行CT掃描，根據(jù)CT數(shù)的變化表示巖石的損傷破壞情況，再對(duì)CT圖片利用Mimics等專(zhuān)業(yè)影像軟件進(jìn)行巖石中損傷區(qū)的三維重構(gòu)。由于巖石材料內(nèi)部的損傷不僅分布隨機(jī)并且難以觀察，因此，CT技術(shù)對(duì)于辨識(shí)巖石內(nèi)復(fù)雜的損傷結(jié)構(gòu)的空間分布及重建具體模型具有重要的作用［9-12］。但是，由于CT機(jī)本身大小及技術(shù)的原因限制，僅僅限制在試驗(yàn)室內(nèi)，該技術(shù)不能觀察工程巖體的內(nèi)部裂隙發(fā)展、演化和積累過(guò)程，并且室內(nèi)試驗(yàn)的試件尺寸與實(shí)際工程巖體相差多個(gè)數(shù)量級(jí)，而工程巖體存在著明顯的尺寸效應(yīng)。三維重構(gòu)技術(shù)是通過(guò)數(shù)值計(jì)算軟件，來(lái)模擬巖土體的受力情況，并獲得模型各節(jié)點(diǎn)、單元的數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)巖土內(nèi)部形態(tài)展現(xiàn)的一項(xiàng)新技術(shù)，由于三維重構(gòu)技術(shù)不受模型大小的限制，能夠?qū)こ處r體進(jìn)行數(shù)值模擬，從而避免了CT掃描技術(shù)所帶來(lái)的尺寸效應(yīng)，在認(rèn)識(shí)工程巖石損壞機(jī)理及判斷工程巖體損傷程度等方面具有較好的指導(dǎo)作用。

2 數(shù)值計(jì)算模型

本研究以華中地區(qū)某大型礦山為解決爆破活動(dòng)引發(fā)巷道片幫而設(shè)立的爆破監(jiān)測(cè)項(xiàng)目為基礎(chǔ)，建立數(shù)值計(jì)算模型，并基于三維重構(gòu)技術(shù)分析爆破活動(dòng)對(duì)既有巷道的穩(wěn)定性影響。數(shù)值計(jì)算模型主要由2條直墻巷道構(gòu)成，左巷道為既有巷道，右巷道為爆破施工巷道，左右巷道尺寸相同，直墻高4.0 m、拱高2 m、寬度4 m，兩巷道中心距為14 m，模型的影響范圍取長(zhǎng)20 m，寬40 m，高30 m。在劃分網(wǎng)格時(shí)，為了同時(shí)滿(mǎn)足計(jì)算結(jié)果精度與計(jì)算機(jī)計(jì)算能力，模型的網(wǎng)格進(jìn)行了簡(jiǎn)化，同時(shí)也對(duì)既有巷道與爆破施工巷道的網(wǎng)格單元進(jìn)行了加密處理。如圖2所示，模型由580 698個(gè)單元體構(gòu)成。同時(shí)在左側(cè)既有巷道內(nèi)，每4 m設(shè)置1組振速監(jiān)測(cè)點(diǎn)，圖3為巷道斷面的監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意圖。

整個(gè)數(shù)值計(jì)算主要模擬了在σv=10.7 MPa，σh=3.32 MPa的應(yīng)力條件下，爆破活動(dòng)對(duì)于周邊既有巷道穩(wěn)定性的影響。整個(gè)計(jì)算主要由靜力計(jì)算以及動(dòng)力計(jì)算這2個(gè)部分組成。先進(jìn)行靜力計(jì)算，此時(shí)對(duì)模型四周及底部加上約束位移邊界，然后沿著X軸正半軸開(kāi)挖，每次開(kāi)挖2.5 m，靜力計(jì)算部分分8步完成。當(dāng)靜力計(jì)算完成后，再進(jìn)行動(dòng)力計(jì)算，此時(shí)需要去除原來(lái)的邊界條件，換成粘滯邊界條件，再將速度時(shí)程施加到待開(kāi)挖的巷道巖石上，進(jìn)行爆破開(kāi)挖數(shù)值模擬計(jì)算，同樣也是每次開(kāi)挖2.5 m，分8步完成。巖石參數(shù)如表1所列。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

爆破開(kāi)挖活動(dòng)對(duì)鄰近巷道穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響，主要由兩個(gè)方面原因引起，分別為洞室開(kāi)挖導(dǎo)致的應(yīng)力重分布作用及爆破動(dòng)荷載作用，簡(jiǎn)稱(chēng)為靜載作用和動(dòng)載作用。本部分基于三維重構(gòu)技術(shù)，對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行立體展示，分別從靜載及動(dòng)載作用方面，研究分析爆破開(kāi)挖活動(dòng)對(duì)鄰近巷道穩(wěn)定性的影響。

3.1 位移分析

既有巷道和施工巷道在靜載和動(dòng)載作用下的水平位移三維重構(gòu)圖如圖4所示。從圖4可知：在靜載作用下，巷道圍巖水平位移Uy=1 mm、0.5 mm、-0.5 mm、-1 mm的等值面主要呈拋物線狀，而且主要分布在巷道的兩側(cè)；由于重力的存在，巷道直墻部位均產(chǎn)生向內(nèi)的水平位移；當(dāng)施加動(dòng)載后，既有巷道的巖體受到擾動(dòng)，產(chǎn)生二次應(yīng)力重分布，直墻部位的水平位移也隨之增大，特別是迎爆側(cè)直墻部位變化最大；和靜載狀態(tài)相比，新產(chǎn)生了Uy=-1 mm水平位移等值面，這表明爆破活動(dòng)加大了既有巷道直墻部位的水平位移，而且可以很明顯地看出迎爆側(cè)直墻的水平位移增長(zhǎng)更加顯著，這也同現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況相吻合。同時(shí)和靜載狀態(tài)相比，動(dòng)載狀態(tài)下的施工巷道各個(gè)數(shù)值的水平位移等值面范圍均有著較大程度的擴(kuò)大，說(shuō)明爆破所帶來(lái)的破壞作用較為明顯。豎直位移三維重構(gòu)圖如圖5所示，和靜載狀態(tài)相比，動(dòng)載作用下既有巷道的豎直位移有著較大程度的增長(zhǎng)，各豎直位移等值面范圍均有所擴(kuò)大，特別是頂板與底板部位最為明顯，這也從另一角度驗(yàn)證了上面的分析，體現(xiàn)了爆破活動(dòng)對(duì)鄰近巷道穩(wěn)定性確實(shí)有著較為明顯的影響。

3.2 應(yīng)力分析

既有巷道和施工巷道在靜載和動(dòng)載作用下的水平位移三維重構(gòu)圖如圖6所示。從圖中可知：巷道圍巖的最小主應(yīng)力 S3=1 MPa、0 MPa、-0.5 MPa、-1.5 MPa的應(yīng)力等值面呈蝶狀，分布于巷道圍巖上，越靠近內(nèi)部應(yīng)力值越大，而且拉應(yīng)力主要集中于巷道的頂板及底板處。同靜載狀態(tài)相比，在動(dòng)載作用下，無(wú)論是既有巷道還是施工巷道的最小主應(yīng)力等值面范圍均有不同程度的范圍增長(zhǎng)，其中施工巷道增長(zhǎng)最多，這是由于爆破就在此巷道內(nèi)進(jìn)行，周邊圍巖受到的影響最顯著，而既有巷道與爆源的距離較遠(yuǎn)，受到的影響較小，但依然有著一定程度的增長(zhǎng)。

3.3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)振速分析

因?yàn)楸飘a(chǎn)生應(yīng)力波對(duì)巖體完整性等方面影響很大，巖石的峰值振動(dòng)速度越大，巖石的損傷也就越大。所以在本此次數(shù)值計(jì)算中，對(duì)既有巷道的X=2 m、X=6 m、X=10 m、X=14 m、X=18 m這5處剖面分別設(shè)置了監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行振速監(jiān)測(cè)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的峰值振速如圖7所示。從圖中可以明顯得知：各剖面的6、7、8號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的Y向峰值振速均大于同剖面的其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)，而它們均位于鄰近巷道迎爆側(cè)直墻部位；根據(jù)波的傳播途徑分析可知，迎爆側(cè)直墻部位同施工巷道的爆心高度最為一致，爆破施工所產(chǎn)生的振動(dòng)波幾乎垂直入射到該部位，所以該部位波速最大，受到的影響也越大，這也進(jìn)一步驗(yàn)證了分析位移時(shí)得出的該部位水平位移增大較為明顯，發(fā)生破壞的概率較大的結(jié)論；分別位于既有巷道底板與頂板的4、5號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)振速次之，該部位振動(dòng)波的入射角較大，同時(shí)巷道底角存在夾制作用，會(huì)較大削弱振動(dòng)波的強(qiáng)度；位于既有巷道左側(cè)直墻部位的1、2、3號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)振速最小，這是因?yàn)樵摬课痪嚯x爆心位置最遠(yuǎn)，爆破所產(chǎn)生的振動(dòng)波需要經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)繞射距離才能抵達(dá)，振動(dòng)波的強(qiáng)度會(huì)得到極大削弱，故此部位受到爆破的影響最小。綜上可知，迎爆側(cè)直墻部位受到爆破活動(dòng)的影響最大，而實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)靠近爆源側(cè)直墻發(fā)生破壞案例較多的情況也驗(yàn)證這一點(diǎn)，所以在實(shí)際工程中要加強(qiáng)對(duì)該部位的監(jiān)測(cè)與支護(hù)，盡最大可能防止此類(lèi)安全事故的發(fā)生。

3.4 數(shù)值模擬結(jié)果驗(yàn)證

數(shù)值模擬是一種基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況而建立模型進(jìn)行計(jì)算的方法，它所得到的結(jié)果精確度受到很多因素的影響，如計(jì)算模型形狀、邊界條件等因素均會(huì)影響到最終計(jì)算的準(zhǔn)確性，甚至有時(shí)會(huì)發(fā)生偏離正確結(jié)果較多的情況，所以本小節(jié)將以現(xiàn)場(chǎng)爆破波速測(cè)量數(shù)據(jù)為依據(jù)，同數(shù)值模擬波速結(jié)果進(jìn)行對(duì)比與分析，驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，使上述分析結(jié)果更具有可信度。

本次驗(yàn)證選取數(shù)值計(jì)算Y向振動(dòng)曲線與現(xiàn)場(chǎng)切向振動(dòng)曲線展開(kāi)分析，如圖8所示。數(shù)值計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)所得振速數(shù)據(jù)無(wú)論是持續(xù)時(shí)間還是峰值振速都較為接近，但是2條曲線的波峰出現(xiàn)時(shí)間有所出入，這是因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)的巖石是有著各式各樣節(jié)理等地質(zhì)構(gòu)造的不均勻介質(zhì)，而在數(shù)值計(jì)算中為了計(jì)算方便，巖石是被當(dāng)做均勻介質(zhì)體，而且爆破的影響因素較多，在測(cè)量中總會(huì)出現(xiàn)不可避免的誤差。從總體的角度來(lái)看，數(shù)值計(jì)算曲線與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的曲線擬合性較好，這證明本次數(shù)值計(jì)算建立的模型較為合理，計(jì)算結(jié)果同實(shí)際情況較為相符，進(jìn)而說(shuō)明本研究的結(jié)果分析是具有說(shuō)服力的。

4 結(jié)論

針對(duì)某礦山由于爆破開(kāi)挖活動(dòng)而引發(fā)鄰近巷道破壞的情況，本文基于三維重構(gòu)技術(shù)對(duì)FLAC3D軟件得出的應(yīng)力、位移等結(jié)果進(jìn)行直觀展示，分析爆破開(kāi)挖活動(dòng)對(duì)鄰近巷道穩(wěn)定性的影響問(wèn)題，并將數(shù)值模擬的監(jiān)測(cè)點(diǎn)振速與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比，得出以下結(jié)論：

（1）從對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行三維重構(gòu)的效果來(lái)看，應(yīng)用三維重構(gòu)技術(shù)對(duì)巖體應(yīng)力、位移方面進(jìn)行直觀展示是可行的，而且存在著較大的實(shí)用價(jià)值。

（2）數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的振速曲線的良好擬合性，說(shuō)明本次數(shù)值計(jì)算能夠較好模擬爆破活動(dòng)對(duì)周邊圍巖影響，所以本次數(shù)值計(jì)算結(jié)果及分析結(jié)論具有較大可信度。

（3）爆破開(kāi)挖活動(dòng)對(duì)于鄰近巷道的穩(wěn)定性有著較為明顯的影響，既有巷道圍巖的應(yīng)力，位移等方面均有不同程度的增長(zhǎng)，其中迎爆側(cè)直墻圍巖因距離爆心較近且同爆心位于同一高度，爆破產(chǎn)生的振動(dòng)波幾乎垂直入射到該部位，故該部位圍巖損傷較為嚴(yán)重。因此，在實(shí)際工程中應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)該部位圍巖的監(jiān)測(cè)，并及時(shí)采取素噴混凝土等有效支護(hù)手段，避免該部位圍巖發(fā)生失穩(wěn)破壞。