不同炮孔間距下隧道爆破特性與工程研究

魏學(xué)虎

（中鐵十六局集團(tuán)路橋工程有限公司 北京101500）

爆破作為修建隧道最主要的方法之一，爆破工程應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣，已滲入到各個(gè)領(lǐng)域。同時(shí)，工程爆破的規(guī)模和爆破帶來(lái)的振動(dòng)會(huì)產(chǎn)生不利的影響，爆破工程給我們帶來(lái)好處的同時(shí)，爆破振動(dòng)的問(wèn)題也慢慢顯現(xiàn)了出來(lái)，是爆破工程中最嚴(yán)重的一個(gè)問(wèn)題，在爆破進(jìn)行時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)已經(jīng)成為越來(lái)越受關(guān)注的問(wèn)題之一［1-6］。因此，國(guó)內(nèi)外有許多學(xué)者對(duì)于隧道爆破做了大量研究。許德鵬等人［7］運(yùn)用FLAC3D 數(shù)值模擬軟件，模擬分析了爆破施工對(duì)鄰近隧道的影響，得出洞口開(kāi)挖的進(jìn)尺大小對(duì)已有隧道的影響較大的結(jié)論；李飛等人［8］運(yùn)用FLAC3D軟件模擬裝藥量對(duì)于鄰近隧道的影響，得出相鄰隧道的爆破振速與炸藥量、距離爆源的距離有關(guān)；鄭大榕［9］研究需要在城市中開(kāi)展隧道爆破時(shí)，炮孔的布置和起爆點(diǎn)的順序改變、以及適當(dāng)減少裝藥量、在開(kāi)挖進(jìn)尺方面也適當(dāng)減少，可以很好地控制爆破振動(dòng)；余德運(yùn)等人［10］使用ANSYS/LS-DYNA 數(shù)值軟件模擬得出爆破地震波中的體波傳播的減弱和阻尼槽的寬度以及深度有著密不可分的關(guān)系；同時(shí)，表面波的傳播的減弱只與阻尼槽的深度有關(guān)；高干等人［11］通過(guò)使用ANSYS/LS-DYNA 數(shù)值模擬軟件，給出了在重慶市渝中區(qū)修建的玉嶺隧道中，實(shí)際的爆破藥量與理論計(jì)算出來(lái)的藥量不一致的原因。

本文依托珠海市某隧道，建立不同炮孔間距的雙孔模型，最終得到各工況下巖石破碎程度和各質(zhì)點(diǎn)振速；并對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行分析、研究，為隧道實(shí)際爆破提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 工程概況及模擬工況

本隧道項(xiàng)目位于珠海市橫琴新區(qū)，具體為：一期工程道路主線，路線北于香江路與中心大道交叉口，沿中心大道向南，下穿已建橫琴大道路基段，如圖1所示。起點(diǎn)香江路至橫琴大道（YK0+000-YK0+910）段為遠(yuǎn)期工程，待南部填海區(qū)建成后交通需求增多后進(jìn)行修建，不在本次設(shè)計(jì)范圍。橫琴大道至環(huán)島南路（YK0+910-YK5+810）段，及進(jìn)出口A、B 匝道為近期實(shí)施范圍，主要為聯(lián)通大橫琴山南北交通需求。

圖1 道路平面Fig.1 Road Plan

該隧道大跨段里程為左ZK1+155～ZK1+370（長(zhǎng)L=215 m）、右YK1+166～YK1+430（長(zhǎng)L=264 m），其中SD1 襯砌斷面適用里程為ZK1+155～ZK1+203、YK1+166～YK1+222，其最大開(kāi)挖高度16.32 m，最大開(kāi)挖跨度達(dá)28.23 m，斷面面積大于360 m2，主要巖體為花崗巖，圍巖級(jí)別為Ⅲ級(jí)圍巖。

為了研究方便，采用雙孔爆破數(shù)值模擬的方式，研究不同間距對(duì)爆破成型效果的影響，即炮孔直徑和藥卷直徑d都為32 mm，采用徑向耦合裝藥，線裝藥密度為0.6 kg/m。模型尺寸為100 cm×100 cm，同時(shí)為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間，模型采用“薄片型”，厚度為5 cm。計(jì)算模型采用映射方式劃分網(wǎng)格，整體網(wǎng)格尺寸控制為1 cm，四周添加無(wú)反射邊界，上下施加Y 方向約束，左右施加X(jué) 方向約束，前后施加Z 方向約束。計(jì)算時(shí)間控制在1 500 μs，模型如圖2 所示。本文數(shù)值模型采用SOLID164“八節(jié)點(diǎn)六面體”實(shí)體單元，模擬時(shí)采用爆破模擬通用的單位規(guī)定：長(zhǎng)度單位為cm；質(zhì)量單位為g；時(shí)間單位為μs，壓強(qiáng)單位為1.0E+11 Pa。

圖2 雙孔模型Fig.2 Two-hole Model

本文對(duì)不同間距下的隧道雙孔模型進(jìn)行模擬分析。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，炮孔間距一般為炮眼直徑的10～20 倍，所以，本文中所采用的炮孔間距分別為20 cm、30 cm、40 cm 和50 cm。對(duì)不同工況進(jìn)行模擬，并對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得到適合實(shí)際工程的炮孔間距，以指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1 巖石碎裂程度分析

為研究同等藥量下不同炮孔間距下的巖石碎裂程度，分別選取0 μs、30 μs、60 μs、90 μs共4個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)，每隔30 μs 選取1 個(gè)圖像進(jìn)行對(duì)比，觀察不同時(shí)刻巖石的破損情況，破損結(jié)果如圖3所示。

圖3 炮孔間距20 cm巖石破碎Fig.3 Rock Fragmentation with 20 cm Blasthole Spacing

圖4 炮孔間距30 cm巖石破碎Fig.4 Rock Fragmentation with 30 cm Blasthole Spacing

圖5 炮孔間距40 cm巖石破碎Fig.5 Rock Fragmentation with 40 cm Blasthole Spacing

從圖3～圖5中可以看出，3種炮孔間距下，隨著時(shí)間的推移，炮孔周?chē)鷰r石在爆破作用下逐漸粉碎，并最后成型形成空腔，達(dá)到爆破目的。當(dāng)炮孔間距為20 cm、T=90 μs 時(shí)，藥包周?chē)膸r石受到高溫高壓的作用，直接被粉碎，形成了2 個(gè)直徑大概為9 cm 的空腔，并且由于炮孔間距較小，相互影響，在巖石中間形成了微小的貫通裂縫，爆破效果比較好。當(dāng)炮孔間距為30 cm時(shí)，在炸藥爆炸持續(xù)時(shí)間大概200 μs時(shí)，爆腔便已形成。炮眼耦合裝藥爆炸時(shí)，眼壁遭受的是爆轟波的直接作用，在巖體內(nèi)一般要激起沖擊波，造成粉碎區(qū)，而消耗了炸藥的大量能量。所以炮孔中間并沒(méi)有形成相應(yīng)的裂縫。當(dāng)炮孔間距為40 cm 時(shí)，由于炮孔間距變大，且炸藥能量有限，爆破效果和間距30 cm時(shí)相差不大。

2.2 各質(zhì)點(diǎn)振速分析

2.2.1 炮孔間距20 cm

為研究炮孔間距20 cm 時(shí)炮孔周邊巖石的振動(dòng)規(guī)律，在炮孔右邊依次選取5個(gè)質(zhì)點(diǎn)，由于炮孔爆破會(huì)產(chǎn)生破碎區(qū)，而在破碎區(qū)的質(zhì)點(diǎn)不便于研究，所以所有質(zhì)點(diǎn)選取在破碎區(qū)外。第一個(gè)質(zhì)點(diǎn)離爆心10 cm，而后每隔5 cm選取1個(gè)點(diǎn)，質(zhì)點(diǎn)編號(hào)分別為A68143、B68148、C68153、D68158和E68163，質(zhì)點(diǎn)分布如圖6所示。

圖6 質(zhì)點(diǎn)選取Fig.6 Particle Selection Chart

各質(zhì)點(diǎn)的合矢量振速和峰值振速如圖7、圖8 所示。從中可以看出，距離爆源近的質(zhì)點(diǎn)A 受到的振動(dòng)影響最大，最大振速達(dá)到了30.5 cm/s，但是第二個(gè)質(zhì)點(diǎn)B 的速度就迅速衰減了下來(lái)，只有17.5 cm/s，當(dāng)波傳到第5個(gè)質(zhì)點(diǎn)的時(shí)候，速度已基本為0。

圖7 各質(zhì)點(diǎn)合矢量振速Fig.7 Vector Vibration Velocity of Each Particle

圖8 各質(zhì)點(diǎn)峰值振速Fig.8 Peak Vibration Velocity of Each Particle

2.2.2 炮孔間距30 cm

與間距20 cm 有所不同，選取2 個(gè)炮孔之間的質(zhì)點(diǎn)作為研究對(duì)象。第一個(gè)質(zhì)點(diǎn)離爆源10 cm，以后每隔2 cm選取1個(gè)質(zhì)點(diǎn)，質(zhì)點(diǎn)分布如圖9所示。

圖9 質(zhì)點(diǎn)選取Fig.9 Particle Selection Chart

各質(zhì)點(diǎn)的合矢量振速和峰值振速如圖10?、圖11所示。從圖10?、圖11 中可以看出，綜合X 方向的振速，在最靠近爆源的質(zhì)點(diǎn)處，最大振速達(dá)到35.0 cm/s，其他的質(zhì)點(diǎn)振速依次遞減，在將近400 μs 時(shí)，便趨近于0。速度的遞減非?？臁倪x取的質(zhì)點(diǎn)來(lái)看，最大峰值振速達(dá)33.5 cm/s，隨后衰減到15.0 cm/s 左右，然后再上升。并且考慮到是對(duì)稱(chēng)模型，所以，兩邊的速度基本上是對(duì)稱(chēng)的，驗(yàn)證了數(shù)值模擬的可行性。

圖10 各質(zhì)點(diǎn)X方向振速Fig.10 X-Directional Vibration Velocity of Each Particle

2.2.3 炮孔間距40 cm

炮孔間距為40 cm時(shí)質(zhì)點(diǎn)選取與炮孔間距20 cm的一致，各質(zhì)點(diǎn)的合矢量振速圖和峰值振速如圖10?和表1 所示。

圖11 各質(zhì)點(diǎn)峰值振速Fig.11 Peak Vibration Velocity of Each Particle

表1 質(zhì)點(diǎn)X方向速度分析Tab.1 Particle X-Direction Velocity Analysis

通過(guò)數(shù)據(jù)的擬合可以得出薩道夫斯基公式為：

式中：K=78，α=1.58，相關(guān)系數(shù)等于0.975，都在堅(jiān)硬巖石的范圍之內(nèi)，滿(mǎn)足要求。

X 方向振動(dòng)數(shù)據(jù)回歸曲線如圖12 所示。由圖12的歸回曲線和擬合公式，可以進(jìn)一步推導(dǎo)出炮孔間距為50 cm時(shí)的巖石成型尺寸和振動(dòng)規(guī)律曲線。

圖12 X方向振動(dòng)數(shù)據(jù)回歸曲線Fig.12 Regression Curve of Vibration Data in X-Direction

3 工程應(yīng)用

在珠海某隧道中，由于爆破的藥量和炮孔間距的不合理，致使超欠挖現(xiàn)象十分明顯，不僅影響施工安全，還延誤了施工進(jìn)度。為此，應(yīng)用上述研究并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，在施工過(guò)程中根據(jù)隧道爆破實(shí)際效果，因地制宜，動(dòng)態(tài)調(diào)整炮孔間距。如果出現(xiàn)超挖，則調(diào)大炮孔間距；如果巖石破碎程度不理想，炮孔間裂縫不明顯，則調(diào)小炮孔間距。做到一炮一法，以炮定炮。通過(guò)上述研究的應(yīng)用，該隧道超欠挖現(xiàn)象得以改善，爆破效果明顯提升，為現(xiàn)場(chǎng)施工提供了技術(shù)指導(dǎo)。

4 結(jié)論

炸藥在爆破完成以后，雙孔之間的影響因其間距不同而造成的影響也不同，通過(guò)上文的探討可以得到以下結(jié)論：

⑴同等藥量下的不同間距的爆破成型效果如表2 所示，間距為20 cm 時(shí)爆破的成型效果發(fā)生變化，成型尺寸增加到12 cm，并且中間裂縫明顯，貫通良好，有利于爆破面的成型，當(dāng)為其他間距時(shí)尺寸較小，形成的裂縫以及貫通面不明顯。

表2 爆破成型Tab.2 Blasting Forming

⑵同等藥量下的不同間距的振速變化規(guī)律如圖13 所示，在不同的炮孔間條件下，當(dāng)距離炮孔的距離都為10 cm 時(shí)，只有間距50 cm 時(shí)的衰減速度比較緩慢，其他3個(gè)間距的速度衰減都比較迅速；當(dāng)距離炮孔20 cm 時(shí)，速度在以后的傳播中基本上處于一個(gè)平穩(wěn)的數(shù)值，沒(méi)有太大的變化。

圖13 振速規(guī)律Fig.13 Law of Vibration Velocity