聚能預(yù)裂爆破技術(shù)在林家岙隧道中的應(yīng)用

吳 波，王汪洋，徐世祥，楊建新，龐曉瑜，袁茂峰

(1.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院, 南寧 530004；2.中鐵十局集團第五工程有限公司，江蘇 蘇州 215011)

隨著國家基建事業(yè)的大力發(fā)展，新建隧道面臨越來越多的鄰近既有隧道爆破開挖問題，為保證既有隧道結(jié)構(gòu)安全，提出了嚴格的爆破振動控制要求，而常規(guī)爆破方法往往難以達到要求。預(yù)裂爆破技術(shù)可在主爆區(qū)和保留巖體之間先形成預(yù)裂縫，用以阻隔應(yīng)力波傳播，改善普通爆破成型質(zhì)量差，解決爆破振動控制要求高等問題[1]。預(yù)裂爆破中常用到的聚能裝置為雙向聚能管，該種聚能管在一些礦區(qū)爆破中已得到了推廣應(yīng)用，何滿朝等[2-5]就是在雙向聚能裝藥條件下對預(yù)裂爆破參數(shù)進行了相應(yīng)的研究。近年來由于D型聚能管自身的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，改變了上一代管需要扣掛的工序，裝藥效率高，在邊坡和隧道工程以及煤礦光面爆破中得到了廣泛應(yīng)用，取得了較好的經(jīng)濟效益[6-10]。聚能控制爆破技術(shù)雖在工程中得到了應(yīng)用，但相關(guān)爆破參數(shù)在隧道工程預(yù)裂爆破的應(yīng)用還較少，缺乏現(xiàn)場研究[11]。因此，在使用該類聚能管條件下進行隧道預(yù)裂爆破，掌握聚能預(yù)裂爆破參數(shù)對于解決工程實際問題具有十分重要的研究意義。

筆者以鄰近既有杭深鐵路的林家岙隧道工程為例，對聚能預(yù)裂爆破展開工程應(yīng)用分析，驗證聚能預(yù)裂控制爆破的可行性和優(yōu)越性。

1 工程概況

林家岙隧道位于臺州南貨運線上，為客貨共線電氣化鐵路隧道，設(shè)計時速120 km/h。林家岙隧道起訖里程為LDgK3+721～LDgK8+654，全長4 933 m，本隧道與既有黃毛山隧道并行，間距35～300 m(見圖1)。其中隧道進口和出口與既有隧道的間距為35、36.5 m。

圖1 林家岙隧道與既有隧道位置關(guān)系Fig.1 Location of Linjiaao tunnel and existing tunnel

林家岙隧道隧址區(qū)地層巖性主要為：第四系全新統(tǒng)殘坡積(Q4el+dl)粉質(zhì)黏土；下伏基巖為侏羅系上統(tǒng)(J3c)凝灰?guī)r；區(qū)域構(gòu)造以裂變性為主，褶皺構(gòu)造不發(fā)育，包含多條斷裂帶，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，且多為閉合性質(zhì)，巖石較破碎。

隧道IV、V級圍巖爆破部位距離正在運營的杭深鐵路隧道最小線間距分別為36.5、42 m，Ⅱ、Ⅲ級圍巖爆破部位最小線間距為55 m，較大爆破振動會對鄰近既有杭深鐵路隧道安全造成嚴重影響。

2 爆破方案

2.1 常規(guī)爆破施工方案

選取出口段為研究對象，其圍巖性質(zhì)為V級。炮孔直徑42 mm，循環(huán)進尺0.8 m，設(shè)計周邊孔和輔助孔長度0.8 m，掏槽孔長度1.0 m。周邊孔孔距0.5 m，光爆層厚度0.6 m；輔助孔孔距0.9 m，排距0.8 m；底孔孔距0.9 m，排距0.7 m。掏槽孔位于實際施工1/2斷面中上位置，掏槽孔單段藥量為3.2 kg，上、下臺階最大單段藥量分別為6.0、6.5 kg，總裝藥量為51.26 kg，橫截面積69.72 m2，總炮孔數(shù)140個，循環(huán)挖方量55.77 m3，炸藥單耗0.92 kg/m3。

2.2 預(yù)裂爆破施工方案

1)爆破參數(shù)。為減小新建隧道爆破施工對鄰近運營隧道的影響，采用了聚能預(yù)裂分次爆破設(shè)計方案(見圖2)。第1次爆破為聚能預(yù)裂成縫爆破，在鄰近既有隧道一側(cè)與既有隧道高度平行范圍設(shè)置6個預(yù)裂炮孔；第2次將原有的四孔掏槽更改為三級掏槽(見圖3)；第3次爆破利用第2次形成的較大自由面，進行分段爆破。

注：圖中數(shù)字表示雷管起爆段別。圖2 聚能預(yù)裂爆破炮孔布置Fig.2 Blasthole layout of cumulative pre-split blasting

圖3 三級掏槽炮孔Fig.3 Cut hole of three-stage

本方案炮孔直徑仍采用42 mm炮孔，循環(huán)進尺2.4 m，為原有進尺的3倍?？傆嬎幜?5.6 kg，略大于常規(guī)爆破方案總藥量。三級掏槽中，三次掏槽孔與掌子面夾角分別為47°、60°和75°(見圖3)，三次掏槽炮孔間距分別為30、50 cm，二級和三級掏槽孔略大于循環(huán)進尺，其深度分別為3、2.7 m，各炮孔裝藥參數(shù)如表1所示。

2)裝藥結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)場試驗所采用的第二代D型PVC聚能管(見圖4)，標準長度有2、3 m等。聚能預(yù)裂爆破所需的其他材料有孔底聚能環(huán)、定位圈、水沙袋、注藥槍和空壓機。

圖4 聚能管填裝結(jié)構(gòu)Fig.4 Shaped charge tube filling structure

3 數(shù)值模型分析

3.1 材料參數(shù)

1)炸藥參數(shù)。炸藥本構(gòu)模型選用LS-DYNA第8號本構(gòu)模型*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN，結(jié)合JWL狀態(tài)方程。計算采用2#巖石炸藥，材料參數(shù)如表2所示。

表2 2#巖石乳化炸藥材料參數(shù)Table 2 2# rock emulsion explosive material parameters

2)巖石參數(shù)。巖石本構(gòu)模型選用了*MAT_PLASTIC_KINEMATIC作為巖石的本構(gòu)模型，其材料參數(shù)如表3所示。

表3 巖石材料參數(shù)Table 3 Material parameters of rock

3)混凝土參數(shù)?；炷帘緲?gòu)模型選用高應(yīng)變率、大變形的JHC模型，其材料參數(shù)如表4所示。

表4 混凝土材料參數(shù)Table 4 Material parameters of concrete

3.2 模型建立

由于聚能預(yù)裂爆破方案中第1次爆破采用的是聚能水壓預(yù)裂爆破，直接模擬較復(fù)雜,計算量也較大，因此采用預(yù)裂縫模擬該處形成的減振效應(yīng)。根據(jù)現(xiàn)場試驗結(jié)果選用的預(yù)裂縫寬度為5 cm(見圖5)。新建隧道距既有隧道凈距為36.5 m，模型長度為48 m，左右高度分別為24、19 m，模型處上方設(shè)置自由邊界，其他邊界設(shè)置為無反射邊界。為對比分析預(yù)裂縫對既有隧道的影響，建立了無預(yù)裂縫模型，幾何尺寸等參數(shù)與預(yù)裂模型相同。

圖5 聚能預(yù)裂隧道爆破模型Fig.5 Shaped charge pre-split tunnel blasting model

由于在數(shù)值模擬中模擬所有炮孔起爆會造成單元過多而無法計算，故將各段藥量根據(jù)體積關(guān)系等效換算為等效藥柱(見表5)，其中為減小計算量，各段炸藥延時參數(shù)較實際延時參數(shù)縮小了10倍。

表5 藥柱等效換算Table 5 Charge column equivalent conversion

3.3 既有隧道力學(xué)響應(yīng)分析

為分析右線新建隧道對既有隧道的影響，重點了解爆破作用下既有隧道襯砌應(yīng)力和振速變化規(guī)律，在右側(cè)拱腰、拱頂、左側(cè)拱腰和仰拱上分別選取A、B、C、D等4個測點。

1)無裂縫模型力學(xué)響應(yīng)分析。無裂縫模型既有隧道襯砌測點A應(yīng)力時程如圖6所示。由于炸藥在兩個不同位置延時起爆，應(yīng)力波分兩次到達各測點。A測點應(yīng)力值最先達到最大值-0.45 MPa，但隨著應(yīng)力波的傳播，應(yīng)力幅值不斷衰減。B、C、D測點應(yīng)力變化規(guī)律與A測點類似，應(yīng)力最大值分別為1.49、0.36、1.16 MPa。

圖6 無裂縫模型隧道襯砌測點A應(yīng)力時程Fig.6 The stress time history of measuring point A at no-fracture model tunnel lining

無裂縫模型既有隧道襯砌測點A振速時程如圖7所示。第一階段振速均小于第二階段振速，最大振速值為2.53 cm/s。B、C、D測點振速變化規(guī)律與A測點類似，振速最大值分別為2.59、0.91、1.25 cm/s。

圖7 無裂縫模型隧道襯砌測點A振速時程Fig.7 The vibration velocity time history of measuringpoint A at no-fracture model tunnel lining

2)聚能預(yù)裂模型力學(xué)響應(yīng)分析。應(yīng)力在預(yù)裂縫處發(fā)生了繞射，在裂縫附近形成了較大的拉應(yīng)力分布區(qū)域，且掌子面內(nèi)側(cè)應(yīng)力值較外側(cè)偏大。

聚能預(yù)裂模型既有隧道襯砌測點A應(yīng)力時程如圖8所示，與無預(yù)裂縫模型相比，第一階段應(yīng)力波幅值較小，A測點最大壓應(yīng)力0.17 MPa，最大拉應(yīng)力0.2 MPa。B、C、D測點應(yīng)力變化規(guī)律與A測點類似，應(yīng)力最大值分別為0.69、0.16、0.53 MPa。

圖8 聚能預(yù)裂模型隧道襯砌測點A應(yīng)力時程Fig.8 The stress time history of measuring point A at tunnel lining by shaped charge pre-split model

聚能預(yù)裂模型既有隧道襯砌測點A振速時程如圖9所示，與無預(yù)裂縫模型相比，第一階段振速遠小于第二階段振速，A測點最大振速值為1.32 cm/s。除C測點第一階段振速幾乎減弱為0，B、C、D測點振速變化規(guī)律與A測點類似，振速最大值分別為1.10、0.5、0.56 cm/s。

圖9 聚能預(yù)裂模型隧道襯砌測點A振速時程Fig.9 The vibration velocity time history of measuring point A at tunnel lining by shaped charge pre-split model

3)對比分析。聚能預(yù)裂模型各測點較無裂縫模型應(yīng)力值較小(見圖10)，各測點應(yīng)力值下降幅度分別為61.36%、53.79%、57.27%、54.11%；聚能預(yù)裂模型各測點振速值較無裂縫模型也較小(見圖11)，說明測點振速得到了較好的控制，各測點振速值下降幅度分別為47.77%、57.45%、45.08%、55.27%。通過聚能預(yù)裂方式，在將開挖進尺提高3倍時，振速值較常規(guī)爆破方案得到了有效控制。

圖10 測點應(yīng)力對比Fig.10 Stress contrast of measuring point

圖11 測點振速對比Fig.11 Vibration velocity contrast of measuring point

4 爆破振動監(jiān)測

參考《鐵路工程爆破振動安全技術(shù)規(guī)范》[12]，雙線隧道低頻爆破振動允許值為7～8 cm/s。因鄰近既有杭深鐵路黃毛山隧道、金寺堂特大橋安全的重要性，且鐵路已運營數(shù)年，從結(jié)構(gòu)安全考慮，要求距離既有杭深鐵路小于50 m的爆破地段，必須在杭深鐵路天窗點內(nèi)時段起爆，嚴格將既有鐵路隧道受到的爆破振動控制在3 cm/s以內(nèi)；爆破凈距超過50 m的爆破(LDgK6+187.5～LDgK8+565)，可在天窗時間段試爆，結(jié)合爆破振動監(jiān)測結(jié)果并確實能將爆破振動控制在1 cm/s以內(nèi)。建議在天窗點外時段線路無列車通行時起爆，爆破不受鐵路天窗時間限制。

4.1 測點布置

為了真實反映爆破對既有隧道的影響程度，每次爆破都要監(jiān)測鄰近既有隧道迎爆側(cè)面的振速。測點安裝在迎爆側(cè)面的拱腰上，距地高度約1 m，在拱腰上鉆孔植入膨脹螺栓，然后再用壓板將傳感器地板與膨脹螺栓緊固相連，把傳感器固定在拱腰上。

4.2 數(shù)據(jù)分析

1)常規(guī)爆破的振速。根據(jù)林家岙隧道0.8 m進尺開挖上臺階某次爆破振速監(jiān)測顯示，x方向(隧道軸向)和z方向(豎直方向)振速較小，峰值分別為0.6、0.7 cm/s，y方向(垂直軸向)振速最大，130 ms時刻，達到最大值1.8 cm/s(見圖12)。

圖12 常規(guī)上臺階爆破振速Fig.12 Vibration velocity of conventional top bench blasting

2)聚能預(yù)裂爆破的振速。第1次聚能預(yù)裂爆破成縫過程中，x(隧道軸向)、y(垂直軸向)和z方向(豎直方向)振速峰值分別為0.58、1.23 cm/s(見圖13)和0.73 cm/s，滿足振速控制要求；第2次爆破x、y和z方向振速峰值分別為1.38、1.53 cm/s(見圖14)和1.23 cm/s，在提高了挖進尺的同時，振速并未超過常規(guī)爆破，也滿足振速控制要求；第3次爆破x、y和z方向振速峰值分別為0.99、1.22 cm/s(見圖15)和0.92 cm/s，該值滿足控制要求。聚能預(yù)裂理論模型迎爆側(cè)面拱腰處振速值為1.32 cm/s，實測值較理論值偏差最大13%，對實際工程具有較好的指導(dǎo)意義。

圖13 聚能預(yù)裂爆破第1次振速Fig.13 The first vibration velocity of shaped charge pre-split blasting

圖14 聚能預(yù)裂爆破第2次振速Fig.14 The second vibration velocity of shaped charge pre-split blasting

圖15 聚能預(yù)裂爆破第3次振速Fig.15 The third vibration velocity of shaped charge pre-split blasting

5 結(jié)語

1)聚能預(yù)裂爆破方案相比常規(guī)爆破方案，通過3次爆破，實現(xiàn)了全斷面開挖，可有效提高開挖進尺和降低振速，大大提高施工效率，減少環(huán)境影響，為鄰近既有隧道工程爆破提供了借鑒和參考。

2)數(shù)值模擬分析得出既有隧道拱頂和仰拱部位受力最大，拱腰和拱頂振速最大，以及預(yù)裂縫可使襯砌各測點應(yīng)力降低50%以上，振速降低45%以上。

3)根據(jù)對常規(guī)爆破方案和聚能預(yù)裂方案以及爆破振動監(jiān)測結(jié)果，得出聚能預(yù)裂方案在將開挖進尺提高至2.4 m的情況下，振速仍能控制在原有方案1.8 cm/s以下，說明聚能預(yù)裂方案具有良好的應(yīng)用效果，且拱腰處最大振速與數(shù)值模型偏差僅13%，說明預(yù)裂縫等效分析方法對實際工程具有較好的指導(dǎo)意義。