層狀節(jié)理地層隧道光面爆破技術(shù)研究

王 碩，張志強(qiáng)

(西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610031)

隨國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，交通基礎(chǔ)設(shè)施延伸到丘陵地貌區(qū)和山區(qū)，在修建過(guò)程中必然會(huì)面臨復(fù)雜地質(zhì)條件，其中層狀節(jié)理地層是最常遇到的，因節(jié)理存在，巖體的強(qiáng)度會(huì)發(fā)生變化，其動(dòng)態(tài)力學(xué)特性也會(huì)受到明顯的影響[1]。爆破作為現(xiàn)如今隧道開(kāi)挖的主要方法之一，當(dāng)遇見(jiàn)層狀節(jié)理地層的存在時(shí)，由于經(jīng)驗(yàn)不足造成隧道斷面大量超挖與欠挖的現(xiàn)象屢見(jiàn)不鮮。

針對(duì)層狀節(jié)理地層中爆破時(shí)巖體損傷與爆破效果等問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用理論分析、數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等手段進(jìn)行了研究。WU.C.Q等[2]利用數(shù)值方法對(duì)節(jié)理巖體在爆炸荷載作用下的破壞規(guī)律進(jìn)行了研究, 得出了節(jié)理對(duì)巖體破壞模式的影響規(guī)律。張力民[3]等人采用數(shù)值流形方法得出了節(jié)理巖體的爆破破壞規(guī)律。王明洋,錢(qián)七虎[4]結(jié)合實(shí)際的地質(zhì)特點(diǎn)，根據(jù)斷層與節(jié)理裂隙帶的幾何關(guān)系，運(yùn)用應(yīng)力波通過(guò)裂隙傳播理論，分析了應(yīng)力波通過(guò)節(jié)理裂隙帶的衰減規(guī)律。盡管國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)層狀節(jié)理地層條件下爆破技術(shù)做的大量的研究工作，極大的促進(jìn)了隧道建設(shè)事業(yè)的發(fā)展，但仍然還存在一些不足之出。

都府隧道所穿越區(qū)域工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件復(fù)雜，穿越層狀節(jié)理地層，富水性好，節(jié)理裂隙大，在對(duì)其進(jìn)行周邊眼光面爆破過(guò)程中，容易造成超挖現(xiàn)象，因此層狀節(jié)理地層隧道光面爆破技術(shù)是急待研究的。

1 工程概況

都府隧道為三穗至施秉高速公路是貴州省“678網(wǎng)”規(guī)劃中“四聯(lián)”天柱—三穗—鎮(zhèn)遠(yuǎn)—施秉—黃平的重要組成部分。都府隧道起訖樁號(hào)為K11+380～K13+750，長(zhǎng)2 370 m，屬于全線控制性工程。隧址區(qū)雨季地下水豐富，圍巖為厚層狀變余凝灰?guī)r與凝灰質(zhì)板巖互層，巖體破碎，圍巖呈松散碎裂狀，自穩(wěn)能力差，屬于富水軟弱破碎圍巖。同時(shí)隧道節(jié)理裂隙發(fā)育，節(jié)理裂隙大，為陡傾層軟弱圍巖地層。

都府隧道寬度為8.12 m，高度為9.69 m，開(kāi)挖進(jìn)尺為3 m，炮孔直徑為42 mm。都府隧道所經(jīng)過(guò)的區(qū)域其發(fā)育節(jié)理見(jiàn)表1，現(xiàn)場(chǎng)節(jié)理存在產(chǎn)狀之一如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)節(jié)理

表1 都府隧道節(jié)理統(tǒng)計(jì)

2 數(shù)值計(jì)算

以30°節(jié)理傾角，間距0.45 m情況為例，分析節(jié)理裂隙導(dǎo)致光面爆破產(chǎn)生超欠挖原因，忽略斷面內(nèi)與光爆層不相交的其他節(jié)理裂隙存在，研究與周邊眼光爆層相交的節(jié)理裂隙。

2.1 計(jì)算參數(shù)

巖體單元為彈塑性動(dòng)力學(xué)模型，關(guān)鍵字段為*MAT_PLASTIC_KINEMATIC，計(jì)算考慮失效[5]。根據(jù)都府隧道地勘資料，計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表2所示。

表2 圍巖參數(shù)

乳化炸藥采用炸藥單元(*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN)模擬，定義其相關(guān)狀態(tài)方程(*EOS_JWL)，材料參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 炸藥參數(shù)

單孔爆破中存在徑向不耦合系數(shù)，因而在炸藥單元與炮孔壁之間存在空隙，需要引入空氣單元(*MAT_NULL)，并定義其相關(guān)的狀態(tài)方程(*EOS_LINEAR_POLYNOMIAL)，空氣單元材料參數(shù)見(jiàn)下表4。

表4 空氣參數(shù)

對(duì)于節(jié)理材料，假定節(jié)理為彈塑性體，選取弱化的圍巖參數(shù)作為其材料參數(shù)，如下表5所示。

表5 節(jié)理參數(shù)

2.2 計(jì)算工況方案設(shè)置

隧道爆破過(guò)程采用全斷面開(kāi)挖，即同時(shí)起爆所有周邊眼。為實(shí)現(xiàn)層狀節(jié)理地層光面爆破效果，建立不同周邊眼布局工況下，隧道光面爆破模型，其計(jì)算工況如表6所介紹。

表6 計(jì)算工況

結(jié)合以上兩種工況建立的數(shù)值計(jì)算模型[6]如圖2(a)、圖2(b)所示。網(wǎng)格單元采用的六面體單元，且均為高質(zhì)量網(wǎng)格單元，并未出現(xiàn)畸形網(wǎng)格。

(a)工況1隧道斷面模型

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

為了弄清楚節(jié)理對(duì)光面爆破效果的影響，對(duì)工況1情況下的斷面每隔一段時(shí)間提前其有效應(yīng)力云圖，結(jié)果如圖3所示。

從各時(shí)刻有效應(yīng)力云圖可知：在33 us之前，炸藥爆炸產(chǎn)生的能量主要以柱面波的形式進(jìn)行傳播，炸藥彼此之間并未發(fā)生波的疊加效應(yīng)，但此時(shí)層狀節(jié)理軟弱帶處炮孔周圍產(chǎn)生應(yīng)力集中。之后在33～233 us之間，位于軟弱帶附近的炸藥產(chǎn)生的應(yīng)力波開(kāi)始疊加，節(jié)理附近炮孔周圍產(chǎn)生應(yīng)力集中，軟弱層處應(yīng)力值要低于其他部位，之后應(yīng)力波疊加在一起，節(jié)理附近的巖體被大面積破壞，并延伸至隧道設(shè)計(jì)輪廓線以外的位置。233 us之后周邊眼炮孔之間彼此連通，其爆破效果基本成型。

通過(guò)對(duì)工況1、2隧道邊界周圍落石的清理后，得到節(jié)理存在處的超欠挖情況如下圖4所示。

從工況1超欠挖圖上可看出：位于拱頂、左拱肩處及右側(cè)墻角處均產(chǎn)生了較大的超挖情況，三者附近最大超挖量均超過(guò)了26 cm，其中最大超挖發(fā)生在左側(cè)拱肩處，超挖超過(guò)47.13 cm，遠(yuǎn)大于《評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》里規(guī)定25 cm，且對(duì)于其余部位超挖量也均在18 cm以上，斷面平均超挖為22 cm遠(yuǎn)大于《評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》里規(guī)定平均超挖不超過(guò)的15 cm。造成工況1左拱肩處超挖和右墻角處超挖主要形成原因是：爆破時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力波疊加后的應(yīng)力作用于節(jié)理的軟弱夾層處，造成軟弱夾層巖土失效，形成裂隙，造成與軟弱帶相連接的部分的巖體的脫落，從而造成較大超欠挖，這種超挖在節(jié)理軟弱帶與炮孔連線近似平行時(shí)表現(xiàn)最為明顯。

從工況2超欠挖示意圖看，該斷面超挖尺寸要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于工況1情況，平均線性超挖在12.8 cm，滿足《評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定不超過(guò)15 cm要求，最大線性超挖16.19 cm，出現(xiàn)在仰拱，但小于《評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》里規(guī)定25 cm。工況2中，節(jié)理層因炸藥用量較少，不耦合系數(shù)較大，爆破時(shí)釋放應(yīng)力波較小，并未造成節(jié)理處軟弱巖層大面積破碎，從而未導(dǎo)致與炮孔連線近似平行處巖體的大面積脫落。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)隧道周邊眼爆破后圍巖的有效應(yīng)力及隧道超欠挖情況等進(jìn)行比較分析，探明層狀節(jié)地層對(duì)隧道光面爆破效果的影響，可得出以下結(jié)論：

圖3 工況1情況下各個(gè)時(shí)間點(diǎn)有效應(yīng)力云圖

(a)工況1情況下斷面超欠挖效果

(1)層狀節(jié)理地層的軟弱帶附近的炸藥產(chǎn)生的應(yīng)力波發(fā)生疊加，造成節(jié)理附近炮孔周圍產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致節(jié)理附近的巖體被大面積破壞，并延伸至隧道設(shè)計(jì)輪廓線以外的位置，這是層狀節(jié)理地層產(chǎn)生超挖的主要原因。

(2)對(duì)于30°傾角層狀節(jié)理地層隧道爆破后的拱頂以及拱頂左側(cè)拱肩處以及右側(cè)墻角處出現(xiàn)較大超挖的原因?yàn)楸凭斐绍浫鯅A層的巖土失效，形成裂隙，造成與軟弱帶相連接的部分的硬質(zhì)巖體的脫落。

(3)層狀節(jié)理地層下隧道爆破后產(chǎn)生的超挖現(xiàn)象在節(jié)理軟弱帶與炮孔連線近似平行時(shí)表現(xiàn)最為明顯。在施工時(shí)可以采用注漿加固的措施，對(duì)與炮孔平行處的節(jié)理進(jìn)行加固，從而減少超挖。

(4)減少周邊眼爆破時(shí)的炸藥用量，提高裝藥的不耦合系數(shù)，適當(dāng)減少周邊眼間距，可以在周邊眼爆破時(shí)釋放較小應(yīng)力波，可以有效的減少隧道爆破時(shí)的超挖現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)光面爆破的目的。