爆破震动对金堆城东川河隧洞影响分析 隧洞的开挖方式只能采用钻孔爆破法
时间：2019-05-07 03:33:08 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘要 东川河引水隧洞是南大扩必需的河流改道工程，其安全运行对露天矿的正常生产具有极其重要的作用。本文通过对东川河隧洞地质构造分析和爆破震动对隧洞影响的现场监测数据分析与FLAC 3D软件模拟试验分析，圈定了隧洞危险地段，从而初步找到隧洞薄弱点及影响隧洞安全的不稳定因素，对南露天今后的安全生产作业提供了技术要求及参考依据，保证了矿山正常生产。
关键词 爆破震动；隧洞；地质灾害
中图分类号TU4 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2012）68-0024-02
0 引言
在金堆城露天矿矿区内，爆破震动诱发地质灾害风险可能性较大的主要设施有东川河引水隧洞、排土场和周围建筑物等。东川河引水隧洞是金堆城露天矿南扩非常重要的河流改道工程，隧洞的安全运行对露天矿的安全生产起着重要的作用，但该引水隧洞围岩节理、断层构造极为发育，围岩稳定性非常差，距离南露天作业的采场较近（垂直距离最小为47m，水平距离最小为42m）。工程扰动和自然扰动均会对东川河引水隧洞造成不利影响。因此，开展爆破震动对矿区周围重要设施有害效应研究十分必要。通过爆破震动条件下对矿区周围重要设施现场实际监测和数值模拟试验，对爆破震动诱发矿区周围重要设施的安全风险进行分析与评估，制定防灾减灾预案，做到防患于未然的目标。
1 东川河隧洞基本概况
1.1 爆破震动对隧洞安全影响
爆破震动会对地下隧洞的稳定性会造成很大影响，主要因为爆破震动会导致地下隧洞的岩石力学性质的变坏，如果隧洞周围的围岩构造节理裂隙比较发育，则会造成更大影响。爆破震动作用会加快原有围岩裂隙的张开与扩展，产生新的裂隙，降低岩体声波的速度，增大围岩渗透系数，从而可能引起地下建筑物、地表或构筑物的倒塌与破裂，隧洞片帮及冒顶等地质灾害。爆破震动对既有隧洞的影响研究主要从理论分析方法、实验方法和计算机数值模拟方法等几个方面进行。
1.2 东川河引水隧洞
东川河发源于东部高山区，流经矿区东部，从南露天境界内流过，全长约9.5km。为了实施露天矿南扩计划，必须将原东川河改造成东川河引水隧洞。东川河隧洞全长1 280m，开挖断面宽6m、高7m，衬砌厚度为30mm~50mm。目前，东川河引水隧洞位于南露天爆区下方，高差约70mm~110m。爆区在整个采场内随生产计划移动。
根据长安大学2006年12月提供的“金堆城东川河引水隧洞围岩工程地质编录报告”，东川河隧洞的围岩断层和节理构造非常发育，岩体完整性很差，多呈碎块状结构，局部地段呈散体结构，属典型的硬、脆、碎型围岩，围岩类别Ⅳ~Ⅴ类，围岩均含有水，围岩的稳定性非常差。隧洞距离南露天采场最小垂直距离仅为47m，最小水平距离为42m，爆破震动和矿山的正常生产活动对隧洞的安全运行均有着非常不利影响，隧洞的安全状况令人担忧。
1.3 露天矿南露天基本地质情况
金堆城矿区南部见上元古界官道口群高山河组不整合覆盖于熊耳群之上。上元古界官道口群高山河组以一层不稳定的石英砾岩层与下伏地层呈不整合接触。南露天矿区浅部以石英岩及板岩层为主，深部以蚀变安山玢岩为主。矿区普遍发育各种方向的节理，尤以安山玢岩中更为普遍，以剪节理为主，张节理次之。矿区中心部分安山玢岩中节理比较复杂、密集，矿体边缘及其它岩石中的节理相对较为简单和稀疏。f7断层产状为1350∠750，为压扭性断层，宽约3m，在东川河引水隧洞0+274m处出现
2 现场试验研究及数据分析
2.1 南露天生产爆破参数
南露天生产爆破采用垂直深孔，炮孔直径为250mm，台阶高度为12m，台阶坡面角为69°，孔网参数为7m×9m，堵塞长度为5.5m~6.5m，单孔最大药量为430kg，采用车混乳化炸药装药。爆破网路采用基于Orica非电高精度导爆管雷管的孔外延期网路，空间延期时间选用25ms、排间选用65ms或100ms。
2.2 东川河隧洞围岩地质结构分析与引水隧洞危险段确定
根据“金堆城东川河引水隧洞围岩工程地质编录报告”，东川河隧洞所处地段经长期的构造运动及岩浆活动，地层缺失现象严重，岩浆岩侵入变质岩岩层，各种褶皱和断裂极为发育，大小断层达13处之多。该引水隧洞围岩岩性以安山玢岩、石英岩为主，岩石坚硬，强度较高。围岩完整性差，多呈散体~碎块状结构，局部地段呈散体结构，且裂隙水较发育，尤其在断层及其影响带附近，地下水甚至呈涌泉状，某些围岩段结构面光滑，结合程度差，某些结构面走向与隧道轴线近于平行，产状不利，侧壁压力较大，使得原本较差的围岩稳定性进一步恶化。综上所述，已建隧洞围岩主要的危险围岩段分为以下几种：
1）围岩极为破碎的地段；
2）断层及其影响带，一般也是地下水发育的围岩段；
3）结构面结合程度较差，或产状极为不利的围岩段；
4）施工中出现严重掉块甚至坍塌，超挖严重的围岩段。
本次测点设置主要依据地质结构分析中所列出的四种危险段进行设置，同时根据实际项目需要进行补充。增设代表性围岩断面，主要包括安山玢岩Ⅴ代表性断面、石英岩Ⅳ级代表性断面。
2.3 爆破震动测试系统
目前振动测试主要使用非电量电测系统，基本组成包括传感器、中间交换器及记录装置三大部分。本次试验采用成都中科动态仪器有限公司生产的TC-4850爆破震动仪及配套的速度传感器，可完成多通道数据的采集、存储和分析。TC-4850爆破震动记录仪是一种便携式仪器，具有记录、分析爆破引起的地震波形信号，仪器直接与速度传感器相连，将本设备安装在测试点附近，每台仪器可独立及时自动记录128M大小的振动事件文件及其采集时刻，仪器通过RS232 接口将波形传给计算机，由计算机对数据进行处理。
2.4 试验数据与软件模拟分析
由于该隧洞所处地段经过长期的构造运动及岩浆活动，地层缺失现象严重，岩浆岩侵入变质岩岩层，各种褶皱和断裂极为发育，大小断层达13处之多。该引水隧洞围岩岩性以安山玢岩、石英岩为主，岩石坚硬，强度较高。围岩完整性差，多呈散体~碎块状结构，局部地段呈散体结构，且裂隙水较发育，尤其在断层及其影响带附近，地下水甚至呈涌泉状，某些围岩段结构面光滑，结合程度差，某些结构面走向与隧洞轴线近于平行，产状不利，侧壁压力较大，使得原本较差的围岩稳定性进一步恶化。根据这些地质特点与工程的现状选用现在这一类工程中最常用的FLAC3D软件。 通过模拟结果与实测如表1结果反复比对，确保模拟材料属性确定的准确性。在确定并根据现场测试数据确认模拟材料属性后，逐步减小露天采场离引水隧洞的最小垂直距离和最小水平距离，对引水隧洞的最危险面进行模拟，得出爆破震动对该断面引水隧洞的影响规律。
利用FLAC 3D对东川河引水隧洞进行了数值模拟，模拟结果表明，在竖直振速为2.6cm/s~9.85cm/s的工况条件下，其位移变化在0.01mm~0.801mm范围内，爆破震动产生的应力在其强度范围内，隧洞处于稳定状态。设定露天采场离引水隧洞的最小垂直距离模拟为45m时，断面顶部质点在竖直方向上的振动速度已经达到了14.5cm/s，并有继续增大的趋势。当最小垂直距离仅有40m时，最危险断面的顶部质点的竖直方向上的振动速度的最大值达到了66.5cm/s，大大超出了安全规范要求的最大值15cm/s。
3 试验成果分析
通过对东川河引水隧洞围岩工程地质编录报告的分析、洞内洞外的震动监测、回归分析和数值模拟，研究了东川河引水隧洞在南露天生产爆破震动荷载作用下的动态响应特性，取得如下主要成果：
1）依据东川河引水隧洞围岩工程地质编录报告，通过隧洞围岩地质结构分析，圈定了隧洞危险地段，确定了试验研究震动测试测点设置断面位置；2）根据东川河隧洞内外的爆破震动效应监测数据分析，获取了爆破地震波由采场向隧洞传播的规律。监测数据分析显示，降雨对爆破震动传播有明显的影响；3）现场监测数据分析显示，采场距隧洞的最小垂直距离为87m，最小水平距离为125m时，断面2的顶部质点在竖直方向上的振动速度的最大值已经到达了7.54cm/s，已经超过了安全允许值的下限。0+275m监测断面数据明显偏大，由爆破震动波传播理论可知，地质条件是影响震动波传播的主要因素，因此初步推断造成数据异常偏大的可能原因是在0+274m处出现产状为1350∠750的f7断层和衬砌拱顶上部空区的影响；4）现场测试和数值模拟结果均显示：随着爆破振速的增加，隧洞壁产生的动态位移也呈相应增加趋势，表明隧洞衬砌动态位移与震动速度是关联的。东川河引水隧洞在目前生产爆破震动作用条件下的动态位移最大为0.576mm，大部分分布在0.01mm~0.1mm之间。利用FLAC 3D对东川河引水隧洞进行了数值模拟，模拟结果表明，在竖直振速为2.6cm/s~9.85cm/s的工况条件下，其位移变化在0.01mm~0.801mm范围内，爆破震动产生的应力在其强度范围内，隧洞处于稳定状态。因此，可以直接依据GB6722-200《爆破安全规程》规定的质点震动速度7cm/s~15cm/s作为水工隧洞安全判据；5）数值模拟预测分析结果显示，东川河引水隧洞与露天采场爆破区域间的最小垂直距离为50m时，断面2的顶部质点在竖直方向上的振动速度的最大值为14.5cm/s，当最小垂直距离只有40m的时候，其振动速度的最大值达到了66.5cm/s。表明在小于最小垂直距离50m平台实施生产爆破时必须改变目前的爆破参数，否则会对东川河引水隧洞造成破坏性影响。
4 结论
根据研究结果可知，随着爆破区域离东川河隧洞越来越近，爆破振动会对引水隧洞产生破坏性的影响，因此，在后期的矿山生产中，应根据采场距隧洞的实际距离，调整矿山临近东川河隧洞生产爆破参数设计，严格控制生产爆破振动对引水隧洞的不良影响，后期尽快进行隧洞衬砌空洞探明并进行必要的注浆加固施工。为确保隧洞安全及生产正常进行，应采用实时在线监测系统，监控爆破震动指标，及时调整爆破设计。
参考文献
[1]刘春玲，祁生文，童立强.利用FALC3D分析某边坡地震稳定性[J].岩石力学与工程学报，2004，23(16)：2730-2733.
[2]谭忠盛，杨小林，王梦恕.复线隧道施工爆破对既有隧道的影响分析[J].岩石力学与工程学报，2003，22(2)：281-285.
[3]王新建.爆破振动公害及其控制研究[J].北京：公安大学学报，2002(3)：76-79.
[4]李海波，蒋会军，赵坚.动荷载作用下岩体工程安全的几个问题[J].岩石力学与工程学报，2003，22(11)：1887-1891.
