城市復(fù)雜環(huán)境下敞開(kāi)式盾構(gòu)隧道硬巖松動(dòng)爆破*

王 威,黃小武,姚穎康,伍 岳，徐華建，岳端陽(yáng)

(1.江漢大學(xué) 湖北(武漢)爆炸與爆破技術(shù)研究院，武漢 430056；2.爆破工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430056；3.武漢爆破有限公司,武漢 430056)

在城市發(fā)展過(guò)程中，越來(lái)越多的地下工程采用盾構(gòu)法掘進(jìn)施工。在盾構(gòu)施工中，敞開(kāi)式盾構(gòu)由于工作面支撐方式及工藝簡(jiǎn)單，靈活性高，常用于較小斷面軟弱巖層隧道開(kāi)挖。但在實(shí)際施工中，經(jīng)常會(huì)遇到球狀風(fēng)化孤石和基巖侵入問(wèn)題，使得開(kāi)挖斷面內(nèi)巖石強(qiáng)度差異大，造成盾構(gòu)掘進(jìn)受阻，掘進(jìn)效率低下，作業(yè)成本顯著提升[1]。

在盾構(gòu)法施工中，基巖及孤石較多采用爆破法處理，主要目的是破壞巖石完整性，增加巖石節(jié)理裂隙，降低巖石強(qiáng)度。為了降低掌子面鉆孔爆破對(duì)盾構(gòu)設(shè)備的影響，近年來(lái)，更多的采取地面直接鉆孔，采用合理的爆破參數(shù)對(duì)盾構(gòu)施工中遇到堅(jiān)硬的球狀花崗巖體和堅(jiān)硬的基巖突起進(jìn)行爆破破碎，使破碎后的粒徑滿足盾構(gòu)機(jī)出渣口的需要。目前，地面鉆孔爆破技術(shù)已成為盾構(gòu)隧道中處理孤石、基巖侵入常用的預(yù)處理辦法[2]。

但是，在地面鉆孔處理硬巖過(guò)程中，由于鉆孔孔徑大、深度深、裝藥量大，不僅造成資源浪費(fèi)，而且無(wú)法精確的判定巖石形狀和爆破后破碎效果。同時(shí)，深孔爆破會(huì)對(duì)隧道周?chē)鷰r體和周邊結(jié)構(gòu)造成振動(dòng)和損傷。為了降低爆破對(duì)周邊環(huán)境的影響，采用礦山法爆破的破巖方式，確保爆破后工作面巖石達(dá)到一定的破壞程度，又不會(huì)產(chǎn)生巖石拋擲對(duì)盾構(gòu)設(shè)備造成破壞，將盾構(gòu)法和礦山法兩者優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)隧道安全、高效、快速掘進(jìn)[3,4]。結(jié)合公司在城市復(fù)雜環(huán)境條件下敞開(kāi)式盾構(gòu)隧道掌子面硬巖爆破施工實(shí)踐，采用數(shù)值模擬方法，驗(yàn)證敞開(kāi)式盾構(gòu)掘進(jìn)掌子面硬巖爆破設(shè)計(jì)參數(shù)的合理性，探究掌子面巖石破碎規(guī)律，為城市復(fù)雜環(huán)境下敞開(kāi)式盾構(gòu)隧道硬巖處理提供了新的設(shè)計(jì)施工思路。

1 工程背景

兩湖泵站周邊配套管網(wǎng)工程位于武漢市洪山區(qū)，隧道全長(zhǎng)3.3 km，分為盾構(gòu)段和頂管段施工。其中盾構(gòu)隧道區(qū)間全長(zhǎng)1.6 m，周邊分布有錦繡龍城小區(qū)高樓、高壓電線，緊鄰武漢市三環(huán)線(龍城路至周店路區(qū)間段)，交通流量大。隧道走向上有220 kV高壓鐵塔，距錦繡龍村小區(qū)住宅樓及地下停車(chē)場(chǎng)最近為17.6 m，距離三環(huán)線最近20 m。

盾構(gòu)隧道采用敞開(kāi)式盾構(gòu)(半機(jī)械挖掘式)法施工，隧道截面直徑為4.0 m，線路埋深15.1～20.0 m。其地質(zhì)情況大致分為兩段：一段軟土地層，主要穿越黏土、紅黏土，全程750 m；另一段為巖層地質(zhì)，主要穿越中風(fēng)化石灰?guī)r、中風(fēng)化石英砂巖、中風(fēng)化砂巖、中風(fēng)化泥巖和中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖等，巖層地質(zhì)全長(zhǎng)885 m，節(jié)理較發(fā)育，但多被方解石脈充填，巖芯表面少見(jiàn)溶蝕現(xiàn)象，巖芯多呈短柱狀及碎塊狀，取芯率約70%～90%。巖體較完整，最大強(qiáng)度為103 MPa，屬較硬巖，基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅲ級(jí)。在施工過(guò)程中，由于部分區(qū)間巖石較硬，嚴(yán)重影響盾構(gòu)施工速度，為了加快施工進(jìn)度，擬采用爆破方式輔助巖石破碎，加快施工進(jìn)度。見(jiàn)圖1。

圖 1 盾構(gòu)巖石地質(zhì)剖面Fig. 1 Geological section of shield rock

2 盾構(gòu)隧道巖石爆破技術(shù)分析

炸藥在巖體中爆炸后，將巖體的變形與破壞分為以下幾個(gè)區(qū)域，爆炸空腔(r

圖 2 巖石破壞分區(qū)Fig. 2 Rock failure zones

根據(jù)理論公式推導(dǎo)，得到最大分區(qū)半徑amax、bmax和cmax的計(jì)算公式

(1)

(2)

(3)

式中：a0為裝藥半徑；σt為巖石的單軸拉伸強(qiáng)度；σc為巖石的單軸抗壓強(qiáng)度；G為巖石的剪切模量；γ為剪切變形變化率；φ為內(nèi)摩擦角。若采用水平鉆孔方式，鉆鑿直徑為42 mm，計(jì)算得到中風(fēng)化巖石的破壞分區(qū)半徑為：amax=2.4 cm，bmax=9.8 cm，cmax=42.6 cm。

3 施工方法與爆破參數(shù)

在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)作業(yè)中，盾構(gòu)機(jī)前段設(shè)備較多，包括液壓挖掘機(jī)、皮帶輸送機(jī)、管片安裝機(jī)以及操作室等，其中包含了較多的精密液晶顯示設(shè)備，為了保證設(shè)備安全，不造成經(jīng)濟(jì)損失以及影響工程的正常進(jìn)行，采用掌子面松動(dòng)爆破方法，增加巖石節(jié)理裂隙，降低巖石強(qiáng)度，對(duì)爆破松動(dòng)深度和范圍進(jìn)行有效控制，避免爆破巖石拋擲，做到炸而不飛，保證盾構(gòu)機(jī)順利的開(kāi)展工作[7]。

爆破參數(shù)的選擇直接影響到松動(dòng)爆破的效果和盾構(gòu)機(jī)是否可以順利的開(kāi)展掘進(jìn)工作，炮孔布置遵循“少打孔，弱爆破”的設(shè)計(jì)原則，以最少的成本實(shí)現(xiàn)最快的掘進(jìn)效率[8,9]。結(jié)合前述計(jì)算數(shù)值，設(shè)計(jì)炮孔間距為掏槽孔孔距80 cm，炮孔深度2.2 m；輔助孔孔距95 cm，炮孔深度為2.0 m。鑒于隧道底部為敞開(kāi)式盾構(gòu)機(jī)較難開(kāi)挖區(qū)域，布孔相對(duì)密集，底部周邊孔孔距65 cm，炮孔深度為2.0 m。將整個(gè)掌子面分為上下兩個(gè)區(qū)域，下部區(qū)域分為由中心向外分為掏槽孔、輔助孔和周邊孔三層。為了防止上部區(qū)域產(chǎn)生飛石，布置兩排炮孔。炮孔布置圖如圖3所示。

圖 3 隧道開(kāi)挖布孔及起爆網(wǎng)路示意圖(單位：cm)Fig. 3 Tunnel excavation blasting parameter(unit：cm)

掏槽孔單孔裝藥量為1200 g，采用連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)；輔助孔及上部區(qū)域炮孔單孔裝藥量為900 g，采用分段裝藥結(jié)構(gòu)，炮孔底部裝藥600 g，采用炮泥間隔50 cm，再裝藥300 g，剩余部分采用炮泥進(jìn)行堵塞；底部周邊孔單孔裝藥量均為600 g，采用分段裝藥結(jié)構(gòu)，炮孔底部裝藥300 g，采用炮泥間隔50 cm，再裝藥300 g，剩余部分采用炮泥進(jìn)行堵塞。每循環(huán)進(jìn)尺累計(jì)裝藥量為19.2 kg，平均炸藥單耗約為0.76 kg/m3。在堵塞作業(yè)中，要保證堵塞質(zhì)量和長(zhǎng)度，防止沖孔。起爆網(wǎng)路采用孔內(nèi)延時(shí)毫秒非電導(dǎo)爆管起爆網(wǎng)路，MS1～MS9段雷管起爆，跳段使用。炮孔起爆網(wǎng)路順序見(jiàn)圖3。

為了確保爆破安全，采用廢棄運(yùn)輸皮帶制成卷簾懸掛在盾構(gòu)機(jī)前部機(jī)頭部位進(jìn)行安全防護(hù)，皮帶采用鐵絲串聯(lián)在一起，防護(hù)示意圖如圖4所示。

圖 4 盾構(gòu)機(jī)前端皮帶防護(hù)示意圖Fig. 4 Schematic diagram of belt protection

4 數(shù)值仿真驗(yàn)算與分析

4.1 模型建立

為驗(yàn)證盾構(gòu)隧道巖石爆破參數(shù)的合理性，探索巖石爆破破碎規(guī)律，采用LS-DYNA動(dòng)力學(xué)有限元軟件進(jìn)行數(shù)值仿真驗(yàn)算。為簡(jiǎn)化計(jì)算模型，提升計(jì)算效率，選取盾構(gòu)隧道的一個(gè)爆破斷面，構(gòu)建1/2單層實(shí)體網(wǎng)格模型，如圖5所示。隧道計(jì)算模型半徑為開(kāi)挖半徑的1.5倍，選用SOLID164六面體單元對(duì)整個(gè)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元尺寸為2 cm，炮孔單元局部細(xì)化處理，得到單元數(shù)為12576，節(jié)點(diǎn)數(shù)為25506。

圖 5 盾構(gòu)隧道1/2有限元模型Fig. 5 Shield tunnel 1/2 finite element model

利用狀態(tài)方程模擬爆炸過(guò)程中的壓力與體積的關(guān)系，通常有Lagrange、Euler和ALE(Arbitrary Lagrange-Euler)3種算法可供選擇。其中，Euler算法要求建立炸藥爆炸的作用空間，單元數(shù)量劇增，影響計(jì)算效率；ALE算法的計(jì)算參數(shù)較多且敏感性較大，時(shí)常出現(xiàn)負(fù)體積或節(jié)點(diǎn)速度無(wú)限大的情況而導(dǎo)致計(jì)算中止；采用Lagrange算法，通過(guò)合理地劃分單元，可得到與實(shí)際接近的爆破效果。

炸藥材料模型選用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料模型，2#巖石乳化炸藥的密度為1090 kg/m3，炸藥爆速4000 m/s，爆壓4.36 GPa。采用JWL狀態(tài)方程描述爆轟產(chǎn)物中壓力和內(nèi)能及爆轟產(chǎn)物的相對(duì)體積之間的關(guān)系。見(jiàn)表1。

表 1 爆轟產(chǎn)物狀態(tài)方程參數(shù)Table 1 Equation of state parameters of detonation products

(4)

式中：V為爆轟產(chǎn)物的相對(duì)體積；E為爆轟產(chǎn)物的比內(nèi)能；A、B為常數(shù)；R1、R2為無(wú)量綱常數(shù)；ω為Gruneisen參數(shù)。

巖石材料模型選用*MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CONTRETE(簡(jiǎn)稱JHC模型)，通過(guò)壓力、應(yīng)變率和損傷的函數(shù)來(lái)表示等效應(yīng)力，其中，壓力表示為體積應(yīng)變(包含破碎形態(tài))的函數(shù)；累積損傷通過(guò)塑性體積應(yīng)變、等效塑性應(yīng)變和壓力三個(gè)變量來(lái)衡量。見(jiàn)表2。

表 2 巖石物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Physical and mechanical parameters of rocks

(5)

4.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

按照爆破設(shè)計(jì)的炮孔起爆順序設(shè)置各炮孔延期時(shí)間，隧道斷面巖石破碎模擬過(guò)程如圖6所示?？梢?jiàn)，中部3個(gè)掏槽孔最先起爆后，爆炸應(yīng)力波以球面波的形式向外傳播，炮孔周?chē)鷰r石開(kāi)始出現(xiàn)裂紋并破碎，隨著應(yīng)力波的傳播，破碎區(qū)域(包含裂紋區(qū))不斷擴(kuò)大。50 ms時(shí)刻，下部區(qū)域5個(gè)輔助孔開(kāi)始起爆，炮孔周?chē)霈F(xiàn)破碎區(qū)并向外發(fā)展。110 ms時(shí)刻，下部區(qū)域周邊孔開(kāi)始起爆，出現(xiàn)破碎區(qū)；在140 ms時(shí)刻，掏槽孔炸藥應(yīng)力波在中部巖石區(qū)域相互疊加，出現(xiàn)應(yīng)力集中。上部區(qū)域的兩排排炮孔相繼在200 ms、310 ms時(shí)刻開(kāi)始起爆，在爆炸應(yīng)力波的作用下，炮孔周?chē)嗬^形成破碎區(qū)。同時(shí)，周邊孔孔間應(yīng)力波開(kāi)始疊加，出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中，裂紋相互貫通。隨著應(yīng)力波在傳播過(guò)程中的不斷衰減，爆炸產(chǎn)生的拉伸波小于巖石的抗拉強(qiáng)度，各炮孔的破碎區(qū)域不再擴(kuò)大。

圖 6 隧道巖石破碎過(guò)程模擬結(jié)果Fig. 6 Simulation results of rock crushing process in tunnel

如圖7所示為隧道斷面爆破模擬效果，整個(gè)斷面內(nèi)的炮孔周?chē)a(chǎn)生不同程度的破碎區(qū)域，破碎區(qū)直徑在40～55 cm之間；上部區(qū)域炮孔破碎區(qū)域未超出隧道斷面開(kāi)挖輪廓線，基本不傷害上部圍巖，確保頂部圍巖的完整性；下部區(qū)域1號(hào)和2號(hào)周邊孔之間貫通，其余周邊孔有沿著軸向貫通趨勢(shì)，這是由于周邊孔之間有應(yīng)力集中過(guò)程，促進(jìn)周邊孔之間巖石的裂紋擴(kuò)展。其次下部周邊孔破碎區(qū)域超出開(kāi)挖輪廓線，有一定程度的超挖，對(duì)圖7中1～6號(hào)周邊孔的超挖值進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果分別為8.50 cm、9.14 cm、8.69 cm、9.12 cm、9.81 cm、16.10 cm，其中6號(hào)周邊孔受到附近三個(gè)炮孔爆炸應(yīng)力波的多次疊加匯聚，導(dǎo)致超挖量最大。綜上所述，上文設(shè)計(jì)的爆破參數(shù)可以達(dá)到松動(dòng)盾構(gòu)隧道斷面巖石的效果，以提升盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)效率。

圖 7 隧道爆破模擬效果圖(單位：cm)Fig. 7 Simulation effect of tunnel blasting(unit：cm)

5 爆破效果分析

以上爆破施工方案在兩湖泵站盾構(gòu)隧道硬巖段進(jìn)行了應(yīng)用，經(jīng)觀察，爆破幾乎無(wú)飛石產(chǎn)生(部分爆破產(chǎn)生個(gè)別飛石，被皮帶卷簾擋住)，液壓挖掘機(jī)、皮帶輸送機(jī)、管片安裝機(jī)以及操作室等其他精密液晶顯示設(shè)備在每次爆破后都完好無(wú)損。爆破后掌子面存在部分小爆坑，炮孔周?chē)a(chǎn)生不同程度的破碎區(qū)域，裂隙呈龜裂狀，爆破為盾構(gòu)挖掘提供了良好的作業(yè)條件。上部區(qū)域炮孔破碎區(qū)域未超出隧道斷面開(kāi)挖輪廓線，隧道頂部圍巖整體性好，可有效減少超挖現(xiàn)象，節(jié)約支護(hù)材料用量，抑制支護(hù)隧道變形。爆破效果與數(shù)值模擬結(jié)果相似，驗(yàn)證了數(shù)值模擬的合理性。

在未采用爆破方式輔助巖石破碎的情況下，敞開(kāi)式盾構(gòu)在硬巖中日均進(jìn)尺不足1 m，在采用松動(dòng)爆破方式后，單次掘進(jìn)進(jìn)尺可達(dá)到2.5 m，日均進(jìn)尺可達(dá)到5 m，有效的提高了掘進(jìn)效率，降低了敞開(kāi)式盾構(gòu)的損壞程度。

根據(jù)爆破監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，小區(qū)綠道處(距離爆破點(diǎn)平均距離約25 m左右)爆破振動(dòng)速度最大為0.595 cm/s，小區(qū)住宅樓基礎(chǔ)處(距離爆破點(diǎn)平均距離約35 m左右)爆破振動(dòng)速度最大為0.189 cm/s。綜合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，相比于普通礦山法和地面鉆孔法施工，松動(dòng)爆破炸藥單耗小，對(duì)周邊結(jié)構(gòu)影響較小。

6 結(jié)論與建議

(1)采用松動(dòng)爆破和敞開(kāi)式盾構(gòu)機(jī)結(jié)合的施工方案，可以將礦山法和盾構(gòu)法的優(yōu)缺點(diǎn)互補(bǔ)，有效的提高敞開(kāi)式盾構(gòu)在硬巖中的掘進(jìn)效率。并且，在保證爆破效果的基礎(chǔ)上，可以有效降低爆破對(duì)圍巖的擾動(dòng)，減少超挖現(xiàn)象，節(jié)約支護(hù)材料用量，具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

(2)通過(guò)數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)際施工對(duì)比，可以嘗試在實(shí)際施工時(shí)，在原方案基礎(chǔ)上，將下部周邊孔到開(kāi)挖輪廓線的間距增大10 cm，以控制超挖量。結(jié)合敞開(kāi)式盾構(gòu)機(jī)的特點(diǎn)進(jìn)一步優(yōu)化施工工藝，采用精細(xì)爆破技術(shù)進(jìn)一步優(yōu)化爆破參數(shù)，實(shí)現(xiàn)快速和連續(xù)的施工。

(3)充分考慮爆破誘發(fā)的諸如爆破振動(dòng)和爆破飛石等有害效應(yīng)，應(yīng)從“主動(dòng)控制”和“被動(dòng)防護(hù)”兩方面同時(shí)著手，主動(dòng)控制及通過(guò)選取合理的爆破參數(shù)控制有害效應(yīng)的產(chǎn)生，被動(dòng)控制為采取有效防護(hù)措施對(duì)盾構(gòu)設(shè)備和周邊結(jié)構(gòu)進(jìn)行保護(hù)。