基于損傷理論的硬巖隧道爆破開(kāi)挖參數(shù)研究

陳運(yùn)波，張 建，彭隔年，周 琪，賀 睿

(1.中鐵五局集團(tuán)有限公司，湖南 衡陽(yáng) 420002； 2.中南大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 410083)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市現(xiàn)代化建設(shè)，我國(guó)高速鐵路規(guī)模越來(lái)越大[1]。作為高速鐵路的一個(gè)重要組成部分，隧道無(wú)論是座數(shù)或是長(zhǎng)度的規(guī)模均在逐漸擴(kuò)大，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工難點(diǎn)也在逐步增加。建設(shè)期間，隧道通常會(huì)采取鉆爆法施工[2-4]，為此，許多學(xué)者開(kāi)始了爆破參數(shù)的研究工作[5-9]。

裝藥結(jié)構(gòu)是影響爆破效果的重要因素[10-11]。付強(qiáng)[12]發(fā)現(xiàn)，空氣不耦合裝藥結(jié)構(gòu)具有緩沖爆炸沖擊波的作用，使作用于炮孔壁的沖擊波強(qiáng)度減小，作用時(shí)間增長(zhǎng)，從而提高爆破效率。張理維等[13]發(fā)現(xiàn)，炮孔連線間巖體的損傷程度隨孔間距增大而減小，損傷區(qū)由貫通變?yōu)椴回炌ā?/p>

爆破作用效果受裝藥結(jié)構(gòu)、巖體性質(zhì)等多種因素影響，既有分析很少裝藥結(jié)構(gòu)在凝灰?guī)r中的作用效果，而盲目套用既有研究成果很可能會(huì)導(dǎo)致爆破效率低或材料浪費(fèi)等現(xiàn)象。為向浙江省奉化市鮑村隧道的順利施工提供指導(dǎo)，根據(jù)前人的研究成果，針對(duì)凝灰?guī)r的爆破效果開(kāi)展研究，分析不同的徑向不耦合系數(shù)、炮孔間距對(duì)硬巖光面爆破的影響，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況對(duì)所提出方案進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

鮑村隧道為新建雙線鐵路隧道,起于奉化市溪口鎮(zhèn)深坑新村附近，止于尚田鎮(zhèn)張家灘村附近。該隧道緊鄰5A級(jí)國(guó)家重點(diǎn)風(fēng)景名勝區(qū)溪口風(fēng)景區(qū)。隧址區(qū)為中低山地貌區(qū)、山體陡峻，流水侵蝕切割劇烈，地形起伏較大。隧址區(qū)最大標(biāo)高為712 m，植被較發(fā)育。該隧道全長(zhǎng)10 360 m，最大埋深約512 m，洞身穿越地層主要為Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)弱風(fēng)化熔結(jié)凝灰?guī)r，隧道最大開(kāi)挖面積達(dá)255 m2，采用鉆爆法施工。

1.2 工程特點(diǎn)

由于地質(zhì)環(huán)境及爆破荷載作用復(fù)雜，降低圍巖爆破損傷與追求快速高效爆破施工間的矛盾仍是當(dāng)前硬巖隧道爆破施工中亟待解決的問(wèn)題之一[14]。因此，通過(guò)數(shù)值仿真的方式，研究不耦合間距、炮孔間距對(duì)隧道施工的影響，以此對(duì)隧道施工提供參考。

2 數(shù)值模型

為向鮑村隧道工程的爆破施工提供指導(dǎo)，運(yùn)用ANSYS/LS-DYNA建立有限元模型，研究周邊眼徑向不耦合系數(shù)和炮孔間距對(duì)爆破效果的影響。

2.1 模型參數(shù)

隧道爆破施工時(shí)，炸藥爆炸產(chǎn)生的巨大能量使得巖石處于大應(yīng)變、高應(yīng)變率和高壓力狀態(tài)。HJC材料模型包括強(qiáng)度模型、狀態(tài)方程和損傷模型等三部分，能夠較好地描述爆破期間巖體的變形。使用MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CONCRETE關(guān)鍵字對(duì)HJC本構(gòu)模型進(jìn)行定義，如表1所示。炸藥選用隧道爆破中常用的2號(hào)巖石乳化炸藥，用LS-DYNA關(guān)鍵字*MAT_HIGH_EX-PLOSION_BURN，狀態(tài)方程使用關(guān)鍵字段*EOS_JWL來(lái)定義，如表2所示?？諝獠牧喜捎藐P(guān)鍵字*MAT_NULL，采用線性多項(xiàng)式狀態(tài)方程*EOS_LINEAR_POLYNOMIAL進(jìn)行描述，如表3所示。

表1 凝灰?guī)rHJC本構(gòu)模型參數(shù)表

表2 2號(hào)巖石乳化炸藥材料參數(shù)

表3 空氣材料參數(shù)

2.2 計(jì)算模型

本研究主要分析了徑向不耦合系數(shù)和炮孔間距等對(duì)爆破效果的影響。為節(jié)省計(jì)算時(shí)間，模型采用厚度為一個(gè)單元尺寸的準(zhǔn)三維“薄片性”計(jì)算模型，單元類型為3D Solid164，網(wǎng)格劃分采用映射劃分方式。模型的左、右兩側(cè)邊界分別施加X(jué)向位移約束，上、下兩側(cè)邊界分別施加Y向位移約束，厚度方向施加Z向位移約束，四周添加無(wú)反射邊界條件。

炸藥和空氣采用ALE網(wǎng)格建模，單元使用多物質(zhì)算法。巖石采用HJC的損傷本構(gòu)，用Lagrange網(wǎng)格建模。巖石與炸藥和空氣之間的相互作用通過(guò)定義耦合算法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

在分析徑向不耦合對(duì)爆破效果影響的過(guò)程中，巖體采用單孔爆破，線裝藥密度設(shè)定為0.25 kg/m。模型直徑為300 mm，炮孔位于模型中心位置，藥卷直徑為32 mm。通過(guò)改變炮孔直徑來(lái)調(diào)整不耦合系數(shù)的大小。不耦合系數(shù)kd依次設(shè)定為1.0，1.5，2.0，2.5和3.0。

在分析炮孔間距對(duì)爆破效果的影響時(shí)，模型體尺寸為300 cm×300 cm×1 cm，炮孔在模型中左右對(duì)稱位置，設(shè)置中心起爆。藥卷直徑為32 mm，炮孔直徑為64 mm(即設(shè)定徑向不耦合系數(shù)kd=2.0)，并保持不變，通過(guò)改變炮孔間距的大小，計(jì)算工況設(shè)定間距E為45 cm，50 cm，55 cm，60 cm四種。

基于上述模型計(jì)算結(jié)果，進(jìn)一步建立半斷面隧道模型，如圖1所示。模型的整體尺寸為20 m×14 m，隧道輪廓簡(jiǎn)化為半徑為8 m的半圓形，周邊眼共43個(gè)，周邊眼間距為50 cm，光爆層厚度為70 cm，周邊眼炮孔直徑D為6.4 cm，藥包直徑d為3.2 cm，裝藥方式采用徑向不耦合裝藥結(jié)構(gòu)，徑向不耦合系數(shù)為2.0，周邊眼線裝藥系數(shù)為0.25 kg/m。

3 基于損傷理論的爆破參數(shù)研究

3.1 徑向不耦合系數(shù)

圖2給出了不耦合介質(zhì)分別為空氣和水，徑向不耦合參數(shù)依次為1.0，1.5，2.0，2.5和3.0時(shí)，熔結(jié)凝灰?guī)r在炸藥起爆后的有效應(yīng)力和損傷云圖。

由圖2可知，空氣耦合時(shí)，不耦合系數(shù)對(duì)爆炸應(yīng)力波傳播、裂紋擴(kuò)展的影響較大。隨著不耦合系數(shù)的增大，爆轟波傳播至孔壁的阻隔作用較小，孔壁壓力減小，但是裂紋數(shù)目更多，開(kāi)裂更明顯。引入損傷度(D)來(lái)表征圍巖損傷程度：壓碎區(qū)(D=1)、裂隙區(qū)(0

3.2 炮孔間距

該分析工況設(shè)定為炮孔間距E依次為45 cm，50 cm，55 cm，60 cm四種，圖3是各個(gè)工況下的應(yīng)力和損傷云圖。

由圖3可知，應(yīng)力波以柱面波的形式向四周擴(kuò)散傳播，爆破機(jī)理與單孔爆破類似，在一定范圍內(nèi)形成粉碎圈、破裂區(qū)、震動(dòng)區(qū)。沖擊荷載壓力先作用在炮孔孔壁上，并在一定范圍內(nèi)形成粉碎圈；應(yīng)力波向遠(yuǎn)處傳播，衰減再衰減，當(dāng)應(yīng)力波傳至炮孔中心時(shí)，拉伸應(yīng)力超過(guò)巖石的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生裂隙，即兩個(gè)炮孔之間會(huì)形成貫通裂紋，從而達(dá)到爆破效果。

研究中凝灰?guī)r的抗拉強(qiáng)度σt=4 MPa。巖體的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度約為靜態(tài)時(shí)的1倍～10倍。為保證爆破效果，取定巖體的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度為16 MPa?，F(xiàn)提取將各工況下(E為45 cm，50 cm，55 cm，60 cm)炮孔附近的單元的，統(tǒng)計(jì)其拉應(yīng)力峰值，分別為19.0 MPa，17.8 MPa，16.0 MPa，14.3 MPa。由此得知，耦合介質(zhì)為空氣時(shí)，當(dāng)炮孔間距大于55 cm時(shí)，中心測(cè)點(diǎn)單元所受拉應(yīng)力峰值已經(jīng)小于16 MPa，不能引起巖體破壞，影響爆破效果。故可得出：在該種模擬條件下，空氣耦合裝藥形成貫穿裂縫應(yīng)保證炮眼間距小于55 cm。考慮爆破后形成的巖體塊度，測(cè)點(diǎn)單元所受拉應(yīng)力峰值在16 MPa比較合理，此時(shí)巖體所受拉應(yīng)力不會(huì)致使巖體發(fā)生粉碎性破壞，形成粉塵，避免造成能量的浪費(fèi)；同時(shí)，爆破形成的巖體塊度比較均勻，不至形成大塊造成出渣困難?；谏鲜隹紤]：空氣耦合裝藥炮眼間距為55 cm。

3.3 全斷面周邊眼爆破模擬

圖4為爆破成型效果圖，其中，圖4(a)是完整巖體最終爆破效果圖，隧道爆破后，在重力或者輕微擾動(dòng)的作用下，部分已經(jīng)臨空的巖體單元會(huì)掉落并堆積在地面，在清理這些巖塊后，得到的隧道輪廓圖如圖4(b)所示。

從圖4(a)可以看出，炸藥爆炸后，在爆炸應(yīng)力波和爆生氣體的共同作用下，周邊眼各炮孔間已形成較好的貫穿裂縫。爆炸應(yīng)力波傳播到光爆層的內(nèi)輪廓自由面時(shí)發(fā)生反射并形成反射拉伸應(yīng)力波，雖然反射波的強(qiáng)度較低，但由于巖體的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)低于抗壓強(qiáng)度，在反射應(yīng)力波的拉伸作用下，光爆層巖體形成“片落破壞”。從圖4(b)可知，爆破結(jié)束后形成的隧道開(kāi)挖輪廓線與設(shè)計(jì)輪廓線基本吻合。

根據(jù)《錨桿噴射混凝土支護(hù)設(shè)計(jì)施工規(guī)定》，選擇徑向超挖差ΔR和超挖面積ΔS評(píng)定隧道爆破成型效果的好壞，如表4所示。

表4 爆破成型效果評(píng)定表

由圖4條件下隧道爆破最終輪廓的最大超挖差ΔR為0.133 m，超挖面積ΔS為0.691 m2，可知隧道爆破成型效果好。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

采用上述推薦參數(shù)情況下，鮑村隧道Ⅱ級(jí)弱風(fēng)化熔結(jié)凝灰?guī)r段的現(xiàn)場(chǎng)爆破效果如圖5所示，從圖5中可以看出優(yōu)化后輪廓線平整，極大地改善了局部的超欠挖，降低了造價(jià)，既達(dá)到了良好的爆破開(kāi)挖效率，同時(shí)也控制了巖體振速，使隧道爆破對(duì)周邊環(huán)境的影響在允許范圍內(nèi)。爆破結(jié)束后形成的隧道開(kāi)挖輪廓線與設(shè)計(jì)輪廓線基本吻合，說(shuō)明周邊眼爆破參數(shù)是合理的。

5 結(jié)語(yǔ)

1)合理增大徑向不耦合系數(shù)能夠有效地減少炮孔周圍的損傷。在施工過(guò)程中既要保證足夠的爆破方量也要減小圍巖對(duì)周邊巖石的損傷。

2)針對(duì)熔結(jié)凝灰?guī)r地層，建議施工期間炮孔的徑向不耦合系數(shù)kd=2.0，考慮爆破后形成的巖體塊度，并保證周邊眼炮孔連線之間巖體充分破碎，建議施工期炮孔間距E=55 cm。

3)爆破方案優(yōu)化后，隧道輪廓線平整，極大地改善了局部超欠挖，降低了造價(jià)，爆破形成的隧道開(kāi)挖輪廓線與設(shè)計(jì)輪廓線基本吻合，達(dá)到了良好的爆破開(kāi)挖效率，說(shuō)明周邊眼爆破參數(shù)是合理的。