爆破开挖对边坡岩体损伤探究

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随着交通强国战略的提出和实施，我国交通运输和交通基建行业迅猛发展，山区高速公路的建设对我国交通基建行业起到了积极地推动作用。仁怀至遵义高速RZTJ-9标段（简称：仁遵9标）建设项目属于成都至遵义国家高速公路，仁遵高速建设过程中会形成大量的高边坡工程，边坡爆破开挖的方式在该项目的边坡工程施工中属于十分常见的施工工艺。边坡爆破开挖引起的边坡岩体损伤失稳问题是仁遵9标实际工程项目中边坡工程能否安全、高效施工的关键问题。因此，爆破开挖对边坡岩体的损伤研究显得十分迫切。岩质边坡的开挖通常采用爆破的形式，爆破开挖使得边坡岩体被迅速破碎，剩余更多的爆破荷载对围岩产生地震波和热量形式的影响，导致周围边坡岩体发生损伤作用，形成一个影响区域，可称爆破影响区域，最终形成爆破开挖损伤区。爆破损伤区的岩体强度已经收到了爆破地震波的影响，在后续施工阶段的开挖扰动以及降雨产生的水压力等不利因素作用下，对边坡的稳定性造成严重影响，爆破损伤区会不断扩展，严重影响施工安全。爆破损伤区内部含有大量的微裂缝，这些裂隙进一步扩展，导致边坡岩体的力学性能大幅降低，主要表现为边坡岩体的力学参数大幅降低，比如：岩体的抗剪、抗压强度参数、弹性模量参数以及纵波波速等。边坡岩体参数的劣化导致边坡稳定性迅速降低，甚至会造成边坡整体滑塌失稳破坏。随着边坡爆破开挖的进程，开挖台阶往下进行，边坡坡度越来越陡，坡高越来越大，此使爆破开挖的风险也越来越大，则需要严格控制爆破开挖对高边坡稳定性造成的负面影响。因此，为了仁遵9标高边坡爆破开挖施工的顺利进行，必须合理控制边坡爆破开挖的影响区域，对实际工程施工具有指导意义，同时还能防止高边坡滑塌失稳造成人员伤害和财产损失。行业曲线linkindustryappraisementDOI：10.3969/j.issn.1001-8972.2021.24.006可替代度影响力可实现度行业关联度真实度边坡爆破开挖形成的岩体损伤区对工程建设起到了十分严重的影响作用，如何量化这种影响目前是工程界和学术界的难点。只有对爆破开挖形成的损伤影响范围进行量化，才能精准得到具体的爆破影响范围，确保爆破影响范围后才可以对预留岩体造成的影响进行评估，是否满足设计要求，最终才能确保边坡的稳定性和施工的安全性。因此，岩体损伤范围的确定和计算是边坡爆破工程中的主要问题，其研究具有实际工程意义。

一、工程概况仁

怀至遵义高速RZTJ-9标段属于成都至遵义国家高速公路，对国家和地方的交通建设有较大的指导作用，土建起讫桩号为K37+800-YK45+020、K37+800-ZK45+017.741，路线长7.22km。土建施工属地位于贵州省遵义市红花岗区，起点为56m段路基接青杠山2号桥隶属黄钟村，沿印把山大桥、黄钟村大桥、松林互通、穿殷家寨设置殷家寨大桥，金鼎山服务区，终点隶属莲池村村设龙塘沟大桥接17m段路基与10标相连。仁遵9标建设项目区域属于侵蚀低中山，相对高差100～530m，地形起伏较大，边坡岩体较破碎，境内发育河谷溪沟，对项目区的切割作用十分强烈，导致两侧边坡坡度较陡，坡面岩体破碎，工程建设难度较大。

二、爆破振动的岩质边坡开挖损伤预测

1经验公式预测

边坡爆破开挖后主要分为爆源近区、中区和远区，不同的区域爆破设计方法也各有差异。在爆源近区，将爆破开挖后质点的振动峰值速度作为判断指标进行爆破工程设计。在爆源中区和远区，考虑爆破开挖后质点振动峰值的衰减规律，以及相对应的边坡岩体遭受的损伤深度指标作为爆破设计依据。质点的爆心距一定时，边坡岩体损伤深度与质点峰值振动速度的函数关系可用下式表示：v=Cekd（1）式中，d为损伤深度（m）；Ｃ，k为拟合系数。根据边坡爆破工程案例中爆破监测数据以及研究者们采用的数值模拟方法结果表明：爆破近区质点的峰值振动速度与爆破区的地形地貌、地层岩性、最大装药量、距爆源的距离等因素有关。目前，主要是采用特定的预测模型，结合大量实测数据进行回归统计分析来建立质点峰值振动速度预测公式。目前工程界采用较多的质点峰值振动速度预测公式如下：USBM公式：（2）萨式公式：（3）印度公式：（4）式中，Q为单次齐爆炸药量；R为质点到爆源中心的距离；K为拟合系数。以上公式的形式都是幂函数形式，无法直接进行非线性回归得到理论的解，但可以采用牛顿迭代法得到它们的数值解。因此，最好的方法还是采用非线性问题线性化，对上述公式两侧分别取对数，转化为线性方程，从而简化为线性问题进行求解，得到公式中的回归参数的值，最终得到爆破近区质点的峰值振动速度。在爆源中远区，将质点峰值振动速度衰减规律作为参考指标的边坡爆破安全控制标准。根据相关公式和测试数据进行拟合，得到爆破地震波在爆源中、远区水平径向的衰减规律，如下式所示：（5）根据式（5）可计算得到质点在爆破作用后不同爆心距处的振动速度，再根据式（1）对边坡岩体爆破后的损伤范围进行预测计算。最终得到，边坡岩体采用爆破开挖方式后岩体的损伤深度和质点的振动峰值速度之间的关系为指数式关系。

2BP神经网络预测

BP神经网络具有强大的计算能力，可以在输入层与输出层两者之间实现任意的非线性映射，工程界已经开始广泛使用该方法来解决相关的实际工程问题。在边坡爆破领域，基于爆破产生后形成的振动信号数据，采用人工神经网络法来识别具体的爆破冲击荷载参数，为实际工程提供参数值参考。在爆破近区，质点的爆破振动速度峰值是研究的重中之重，采用人工神经网络的基本方法，也可对该峰值速度进行预测，且得到的预测值比采用传统预测公式的得到的预测值更加精确。在边坡爆破研究工作中，爆破块度是一个十分重要的参数，人工神经网络模型可以精准预测爆破块度。因此，人工神经网络方法在边坡爆破中的应用十分广泛，使用该方法来预测爆破开挖损伤深度是十分合理的手段。采用BP神经网络方法而建立起的边坡爆破开挖损伤预测网络模型中，将爆心距R、最大单段装药量Q、质点峰值振动速度v、高程差、岩体抗压强度和岩体抗拉强度六个因子作为输入层参量，最大损伤深度dmax和平均损伤深度d两个因子作为输出层参量。利用BP神经网络建立的边坡爆破开挖损伤深度预测模型所描述的爆破过程和实际工程案例一致，边坡爆破开挖对爆源近区的岩体直接爆碎，对爆源中、远区的岩体产生了动力损伤，剩余的大部分爆破能量以地震波的形式在边坡岩体中传播，对剩余岩体产生不利影响。具体的装药工艺可得到最大单段药量；在坡表不同位置设置监测点可测得质点峰值振动速度；对边坡岩体进行室内力学性质试验可得到岩体的强度参数。为了得到最终的爆破开挖对边坡岩体的损伤深度预测值d，必须将最大单段药量Q、质点振动峰值速度v和岩体强度参数等其他因子按规定分别输入建立好的BP神经网络模型中。

三、岩体爆破损伤对边坡稳定性的影响1扰动因子的影响

徐帅研究了扰动因子DHB随深度的变化规律，主要基于Hoek-Brown准则原理。扰动因子DHB的变化规律反映了边坡岩体的爆破损伤程度，具体表示的是岩体损伤程度随爆心距的变化，随爆心距的增加而逐渐衰减的变化规律。仁遵9标施工段的边坡爆破工程中也引入该扰动因子DHB的变化规律，并和不考虑爆破损伤弱化效应假定下的计算结果进行对比，该方法可以探明边坡岩体力学特性和边坡整体稳定性与扰动因子DHB的关系，阐明扰动因子的影响规律。考虑边坡岩体的损伤弱化，研究扰动因子DHB对仁遵9标边坡爆破项目中岩质边坡稳定性系数的影响，研究结果为揭露仁遵9标项目中边坡爆破产生的损伤规律提供参考依据。在边坡爆破中，爆源中、远区的岩体会被损伤劣化，其岩体强度参数的劣化规律十分重要，主要利用扰动因子DHB的空间弱化规律以及Hoek-Brown强度准则来探究其劣化规律，研究结果表明扰动因子DHB不同的变化规律下岩体力学参数变化存在对应的差异，表明仁遵9标边坡爆破施工中岩体的损伤存在弱化效应。2基于强度折减法的边坡稳定性影响边坡爆破作用下，除了炸药对爆源近区产生的岩体破碎作用外，更多的是以爆破地震波的形式对爆源中、远区岩体产生类似于地震波的荷载。在各种不利因素下实际边坡工程中随着岩体的强度参数被不断劣化，边坡坡底的位移就不断增大，该位移属于水平塑性位移，无法自动恢复的一种位移形式，对边坡整体的稳定性造成不利影响。研究表明，爆破振动对软弱边坡的稳定性影响更加显著，因此在实际工程中爆破的强度也应该考虑边坡的岩体类型，对于稳定性较差的软弱岩层边坡，应该降低其爆破强度，防止边坡的稳定性进一步劣化，产生对施工不利的影响。爆破损伤是一个累积的过程，尽管爆破荷载只被施加一次，但是其产生的损伤累积作用十分不利，对边坡稳定性会产生十分显著的影响，在仁遵9标实际边坡爆破案例中，不仅仅要考虑爆破荷载的大小，还需要重点关注爆破累积损伤对边坡稳定性造成的影响。

四、结语

本文依托仁怀至遵义高速第RZTJ-9合同段（贵州段）建设项目，主要探究该项目中的边坡爆破工程。探究爆破振动作用下岩质边坡开挖的损伤预测模型，主要分为经验公式预测模型和BP神经网络预测模型两类。并引入了Hoek-Brown准则中的扰动因子DHB，扰动因子DHB的变化规律反映了边坡岩体的爆破损伤程度。通过对扰动因子的分析，来反映爆破开挖对边坡整体稳定性的影响。爆破损伤是一个累积的过程，在实际边坡爆破案例中，不仅仅要考虑爆破荷载的大小，还需要重点关注爆破累积损伤对边坡稳定性造成的影响。本文的研究为实际工程提供了较为准确的参考价值，由于爆破开挖方式的使用十分广泛，因此还有很多关于爆破损伤方面的内容值得去深入探究。

作者:毕鹏飞 申宝稳 单位:中交路桥建设有限公司