爆破开挖对岩溶地层的破坏机理浅析

摘要：在岩溶地区隧道开挖的过程中，爆破振动有可能会造成溶洞的坍塌，溶洞的坍塌又会对隧道的稳定性造成影响。爆破亦会使隧道与临近溶洞之间产生贯通裂隙，从而导致岩溶涌水，影响施工质量和进度，因此有必要对爆破开挖对岩溶地层产生的损伤和破坏机理进行探讨和研究。岩溶地层多层状岩体，因此有必要对爆炸应力波在岩溶地层中的传播机理及岩溶地层爆破振动致塌机制进行研究。

关键词：隧道开挖；岩溶区；数值模拟；损伤控制

0 序言

岩溶塌陷的机制较为复杂，由于试验与实际观察难度较大，许多学者只能从理论进行分析、推断，故对岩溶塌陷的机制难以统一。主要有潜蚀效应、真空吸蚀效应、压强差效应、垂直渗流效应、自重效应、浮力效应、土体强度效应以及其他效应。在此主要阐述振动致塌的机制[23]。

了解爆破振动导致岩溶塌陷的机制不仅是理论问题，重要的是使采取的措施具有针对性。做到技术可靠，经济合理，理论有据。

1 岩溶区隧道爆破损伤机理探讨

据研究[1]，岩溶地层塌陷的发生，实质上是溶洞的抗塌力小于致塌力的结果。抗塌力的方向一般垂直向上，致塌力的方向一般向下，如Fig. 1所示。

致塌力主要包括洞顶岩土体的自重力、建筑物重量及堆荷重量、地下水的渗透压力、气体负压力（或气体正压力）、大气压力、振动力；抗塌力主要包括岩土体的内聚力、地下水浮力、摩阻力。在此主要分析爆破振动导致溶洞塌陷的机制。

岩溶区岩层多为层状石灰岩且溶洞内介质与周围岩体亦属不同介质，因此有必要对爆炸应力波在不同岩体中的传播破坏机理进行研究。爆炸应力波在层状岩体中传播时会遇到不同性质介质的交界面，如两种不同岩石的交界面、溶洞中泥沙与岩石的交界面、岩石与空气的交界面即临空面等，由于爆炸波边界效应的存在使得交界面处岩体最容易遭到破坏，下面对交界面处爆炸应力波的边界效应进行分析。

此时边界处软岩承受入射波和反射波的双重破坏作用，爆炸波对软岩损伤较大，而对硬岩的损伤很小。

b. 当 时，为爆炸波由“硬”介质传入“软”介质的情况，反射波应力为负，质点振速为正，说明反射波为拉伸波。爆炸应力波透射系数较大。此种情况下硬岩损伤很大，软岩层测到的应变波峰值也较大，对软岩产生的损伤也比较严重。若 （即溶洞空腔内），则有

此时应力波从岩石内向临空面垂直入射时应力波没有折射，而是全部反射成拉伸应力波，自由面上应力为零，质点振速为入射波速的2倍。但由于岩石等脆性介质的动态抗拉强度远小于抗压强度，所以就容易引起溶洞处岩石的破坏。

2 溶洞附近的应力集中效应

由弹性力学知识可知，设受力的弹性体具有小孔，则孔边的应力将远大于无孔时的应力，也远大于距孔稍远处的应力。这种现象称为孔边应力集中效应。溶洞附近也存在应力集中现象。溶洞附近的应力集中，绝不是什么由于截面面积减小了一些而应力有所增大。即使截面面积比无溶洞时只减小了百分之几或千分之几，应力也会集中到若干倍。而且，对于同样形态的溶洞来说，集中的倍数几乎与溶洞的大小无关。实际上是，由于溶洞的存在，溶洞附近的应力状态与形变状态完全改观。

首先，溶洞附近应力集中是局部现象。在几倍直径之外，应力几乎不受溶洞的影响，应力的分布情况以及数值的大小都几乎与无溶洞时相同。一般说来，集中的程度越高，集中的现象越是局部性的，也就是，应力随着距溶洞中心的距离增大而越快地趋近于无溶洞时的应力。

3 结论与建议

由以上分析可以看出，导致岩溶底层塌陷的原因具有多面性，但归根结底是由于溶洞的抗塌力小于致塌力的结果。了解了岩溶底层塌陷的原因，我们在工程设计时可采取以下措施来防止岩溶地层，以免造成严重后果。

（1）爆破施工前可预先对溶洞进行预注浆处理，对易导致应力集中的溶洞进行预先填充，可将岩溶地层爆破开挖的可能性降至最低；

（2）爆破开挖时，可采用不同的装药结构及起爆方式，尽量减少爆炸冲击波对岩溶地层的破坏。

参考文献：

[1] 陈国亮.岩溶地面塌陷的成因与防治 中国铁道出版社1994.6

[1] 王宏图等.层状复合岩体力学的相似模拟，矿山压力与顶板管理，1999（2）. 81～83