聚能爆破在隧道開挖成型控制中的仿真試驗研究?

熊炎林 種玉配 齊燕軍 劉書奎

①中鐵隧道局集團(tuán)有限公司勘察設(shè)計研究院(廣東廣州，511400)

②中國礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與土木工程學(xué)院(江蘇徐州，221116)

引言

近年來，我國不斷加大基礎(chǔ)設(shè)施投資建設(shè)力度，使得鐵路、公路、地鐵隧道工程的建設(shè)規(guī)模不斷飛速發(fā)展，特別是西部地區(qū)發(fā)展更快。水平巖層是目前隧道施工作業(yè)中經(jīng)常遇到的一種地質(zhì)構(gòu)造。在水平巖層的超欠挖控制技術(shù)中，光面爆破是一個關(guān)鍵的技術(shù)節(jié)點。隧道光面爆破如果處理不好，隧道拱頂會出現(xiàn)大面積平頂、落石、塌頂?shù)痊F(xiàn)象，不僅直接影響隧道的光面爆破效果，還會影響隧道的圍巖穩(wěn)定性、初支支護(hù)的數(shù)量以及二襯混凝土的工程量，增加工程投資[1-3]。

王飛等[4]分析了水平巖層隧道的超挖與爆破作業(yè)擾動、開挖應(yīng)力釋放、地下水影響等因素均有關(guān)系。周宴成[5]以柳林隧道為例，通過將周邊眼間距70 cm調(diào)小為60 cm，將單層掏槽眼改變?yōu)槿龑犹筒垩蹃砜刂扑淼辣瞥尚?。陳旺[6]以南呂梁山隧道為例，周邊眼采用底部1卷炸藥、中部1/3卷炸藥的間隔裝藥結(jié)構(gòu)來提高光面爆破效果。侯小軍[7]以橫山隧道為例，遵循短進(jìn)尺、弱爆破、多分段次微差爆破，減少對圍巖的擾動，加快了施工進(jìn)度。馮海暴等[8]優(yōu)化最大一段允許爆破裝藥量，將周邊眼外插角控制在2°以內(nèi)，隧道一次性開挖平均合格率從67.4%上升到83.9%。劉東等[9]從地質(zhì)條件、鉆孔精度、測量放線、爆破技術(shù)和現(xiàn)場管理5個因素提出了控制隧道超欠挖的技術(shù)措施。肖云華等[10]提出隧道圍巖超欠挖曲線分形維數(shù)與節(jié)理間距、節(jié)理走向、洞軸線成雙對數(shù)線性關(guān)系。申洪雨[11]通過精細(xì)計算光爆層厚度、周邊眼密集系數(shù)、裝藥量，提高了光面爆破效果，超挖量減少了15%。以上學(xué)者主要通過改變起爆間隔、周邊眼裝藥、布置參數(shù)來提高光面爆破效果。

本文中，針對段家坪隧道，采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗對聚能爆破在隧道開挖成型控制中的作用進(jìn)行研究，設(shè)計出一種周邊眼聚能裝藥結(jié)構(gòu)，從而提高水平巖層隧道的光面爆破效果，減少隧道爆破開挖的超欠挖量，加快施工進(jìn)度，降低工程成本。

1 工程概況

段家坪隧道位于陜西省延安市宜川縣境內(nèi)蒙華鐵路第九標(biāo)段，隧道進(jìn)口里程DK446+664.02，出口里程DK457+387.00，隧道全長10 722.98 m，為單洞雙線隧道，最大埋深450 m，兩處淺埋處最小覆土為3.5 m與14.0 m。

段家坪隧道隧址通過地層含有三疊系砂泥巖，該巖層為水平巖層，發(fā)育2至3組節(jié)理。段家坪水平巖層隧道在前期的鉆爆開挖過程中，特別是在拱頂部位，出現(xiàn)了1～2 m的特大掉塊，拱肩位置超挖嚴(yán)重，以及拱腳位置欠挖，極大地影響了后續(xù)工序的順利進(jìn)行，并且大面積的回填與二次爆破大大增加了工程造價。

2 數(shù)值模擬

2.1 材料單元的選取

在ANSYS/LS-DYNA中，一般采用高性能炸藥材料?Mat_High_Explosive_Burn來模擬炸藥的爆轟，采用狀態(tài)方程?Eos_JWL來描述爆炸時炸藥材料的壓力特征，同時可以描述炸藥爆炸產(chǎn)生的單位體積的內(nèi)能、爆轟產(chǎn)物的壓力和相對體積參數(shù)[12]。使用炸藥的具體參數(shù)見表1。

一般采用?Mat_Plastic_Kinematic來描述巖石材料，這是一種考慮了材料失效的隨動硬化、各向同性以及應(yīng)變率的模型[12]。砂巖的力學(xué)參數(shù)見表2。

一般采用?Mat_Null來描述空氣材料，這是一種可以描述流體和氣體的材料模型，并且計算過程中可以允許狀態(tài)方程忽略偏應(yīng)力的影響，同時需要與狀態(tài)方程?Eos_Linear_Polynomial一起應(yīng)用[12]。表3為空氣主要參數(shù)。

一般采用?Mat_Soil_And_Foam來描述塞炮泥材料[12]。表4為炮泥主要參數(shù)。

2.2 計算模型建立

如圖1所示，建立三維有限元計算模型，周邊眼炮眼深度為3.0 m，裝藥結(jié)構(gòu)為分段裝藥，孔底預(yù)留0.2 m保護(hù)層，炮泥填塞0.4 m。模型外尺寸為0.8 m×0.4 m×3.2 m，藥卷直徑為32 mm，炮眼直徑為42 mm，建立單孔柱狀裝藥模型。模型上表面采用自由邊界，其余的面均采用無反射邊界，采用等距網(wǎng)格對計算模型中的炸藥、巖石、空氣和炮泥介質(zhì)進(jìn)行劃分，炸藥聚能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

表1 炸藥及狀態(tài)方程主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of explosive and state equation

表2 砂巖材料參數(shù)Tab.2 Main parameters of sandstone

表3 空氣主要參數(shù)Tab.3 Main parameters of air

表4 炮泥主要參數(shù)Tab.4 Main parameters of stemming

圖1 聚能爆破數(shù)值模型Fig.1 Numerical model of shaped charge blasting

圖2 炸藥聚能結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the explosive charge

2.3 計算結(jié)果分析

在不同時刻下巖體的應(yīng)力云見圖3。

圖3 不同時刻下巖石的應(yīng)力云圖Fig.3 Stress nephogram of rock at different times

由圖3可知，在20 μs時，在聚能結(jié)構(gòu)兩側(cè)巖體中首先出現(xiàn)較大的爆炸應(yīng)力，隨著時間的不斷增加，在炸藥周圍，應(yīng)力區(qū)域呈現(xiàn)橢圓形分布形式，聚能結(jié)構(gòu)兩側(cè)分布范圍較廣。選取炸藥周圍巖體不同的節(jié)點和單元，觀察巖體質(zhì)點振動速度和單元應(yīng)力情況。單元和節(jié)點選取如圖4所示。圖4中，A側(cè)、B側(cè)各節(jié)點距離炮孔中心距離由近及遠(yuǎn)分別為12、14、16、18 cm和20 cm。A側(cè)距離炮孔中心最遠(yuǎn)的節(jié)點到模型A側(cè)邊界距離為20 cm。B側(cè)距離炮孔中心最遠(yuǎn)的節(jié)點在模型B側(cè)邊界上。

圖4 節(jié)點和單元位置示意圖Fig.4 Schematic diagram of node and cell location

統(tǒng) 計每個節(jié)點的最大振動速度和每個單元的最大應(yīng)力，如表5和表6所示。

繪制節(jié)點最大振動速度和單元最大應(yīng)力隨著距炸藥中心距離的變化曲線，如圖5和圖6所示。

表5 不同節(jié)點的最大振動速度Tab.5 Maximum vibration velocity of different nodes

表6 不同單元的最大應(yīng)力Tab.6 Maximum stress of different elements

從圖5和圖6可知，靠近聚能結(jié)構(gòu)一側(cè)(A側(cè))的圍巖節(jié)點振動速度和單元應(yīng)力均大于非聚能結(jié)構(gòu)一側(cè)(B側(cè))。爆炸瞬間，聚能結(jié)構(gòu)一側(cè)首先出現(xiàn)爆破破碎區(qū)和裂隙區(qū)，爆生氣體能夠沿著聚能結(jié)構(gòu)方向擴(kuò)大巖體裂隙，增加聚能結(jié)構(gòu)方向的巖體破碎效果。隨著與炸藥中心距離的增大，巖體的質(zhì)點振動速度和單元應(yīng)力均不斷減小，但是聚能結(jié)構(gòu)方向上的節(jié)點最大振動速度和單元最大應(yīng)力均大于非聚能結(jié)構(gòu)一側(cè)。

圖5 節(jié)點最大振動速度隨距離的變化Fig.5 Changes of maximum node vibration velocity with distance

圖6 單元最大應(yīng)力隨距離的變化Fig.6 Maximum stress change with distance of element

3 現(xiàn)場試驗

3.1 前期爆破效果

前期全斷面開挖爆破參數(shù)如表7所示。

圖7為隧道開挖斷面輪廓圖。正數(shù)代表超挖，負(fù)數(shù)代表欠挖。由圖7可知，從拱頂開始到兩側(cè)的拱肩區(qū)域內(nèi)，隧道的超挖量比較大，最大超挖量達(dá)到了108.4 cm，拱部的超挖量基本在50 cm以上，隧道開挖斷面呈現(xiàn)出矩形形狀。

3.2 聚能爆破效果

對原方案中周邊眼的裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，采用了具有對稱凹槽型的聚能裝藥結(jié)構(gòu)，如圖8所示。將?32 cm的PVC管剖分為4等分，將其中相對的兩片(圖8中1#和2#)翻轉(zhuǎn)180°后成凹槽形狀，另外兩片形狀不做改變，并保留底部2～3 cm的PVC管不進(jìn)行剖分，以便裝藥成型。將?32 cm藥卷沿著藥卷縱向剖分成兩半，將其中一半塞入帶有聚能結(jié)構(gòu)的PVC管中，然后采用膠帶對帶有聚能結(jié)構(gòu)的PVC管進(jìn)行加固，然后放入周邊眼中。

表7 全斷面開挖爆破參數(shù)Tab.7 Excavation blasting parameters for full section

圖7隧道開挖斷面輪廓(單位：cm)Fig.7 Tunnel excavation section profile(unit：cm)

圖8 PVC管加工成型效果圖Fig.8 Processing and forming effect diagram of PVC pipe

聚能裝藥結(jié)構(gòu)主要是凹槽的聚能作用，所以在入孔裝藥時，必須嚴(yán)格使相鄰兩個周邊眼聚能裝藥結(jié)構(gòu)中的凹槽正對隧道輪廓線，或者相鄰兩個周邊眼聚能裝藥結(jié)構(gòu)中的凹槽中心的連線平行于隧道輪廓線，圖9為周邊眼裝藥示意圖。

圖9 周邊眼裝藥示意圖Fig.9 Schematic charge of control hole

從圖10可見，采用具有凹槽型的周邊眼聚能裝藥結(jié)構(gòu)以后，隧道超欠挖已經(jīng)控制在一個比較合理的范圍，個別部位的超挖值，如DK452+109.1里程右側(cè)拱肩處的超挖量為20.7 cm，DK452+088.7里程右側(cè)拱肩處的超挖量為22.9 cm，其余各位置處的超欠挖量均在15 cm左右，并且相對初始爆破方案下的最大超挖量減少了78.9%。

圖10 試驗段隧道開挖斷面輪廓(單位：cm)Fig.10 Tunnel excavation section profile of test section(unit：cm)

圖11為現(xiàn)場試驗圍巖爆破成型效果圖。從圖11可以看出，采用具有凹槽型的周邊眼聚能裝藥結(jié)構(gòu)以后，隧道圍巖爆破成型效果很好，斷面上的半圓形炮痕殘存基本完整，清晰可見。

4 小結(jié)

圖11 現(xiàn)場試驗圍巖爆破成型效果圖Fig.11 Blasting shaping effect of surrounding rock in site test

采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗對聚能爆破在隧道開挖成型控制中的作用進(jìn)行研究，主要成果如下：

1)聚能結(jié)構(gòu)一側(cè)的圍巖節(jié)點最大振動速度和單元最大應(yīng)力均大于非聚能結(jié)構(gòu)一側(cè)。隨著與炸藥中心距離的增大，巖體的節(jié)點振動速度和單元應(yīng)力均不斷減小。

2)凹槽型的聚能裝藥結(jié)構(gòu)，能夠很好地控制隧道爆破開挖成型效果，隧道爆破超挖量基本控制在15 cm以內(nèi)，相對原始爆破方案下的最大超挖量減少了78.9%。