隧道周邊孔差異化爆破作用機理及試驗研究

康永全 孟海利 郭云龍 孫崔源 薛里 孫鵬昌

中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081

與機械開挖掘進法相比，隧道鉆爆法具有開挖成本低、適應性強等優(yōu)點，但爆破不可避免地會對需保留的巖體造成損傷。傳統(tǒng)的光面爆破雖然提高了輪廓平整度［1］，但是由于爆炸能量的無序釋放和爆生裂紋的隨機擴展，仍會產生爆破裂縫。經過運營期的各種荷載作用，容易引發(fā)襯砌滲漏水、開裂等影響結構穩(wěn)定的病害，尤其是在含結構面的巖體中，實施普通爆破技術難以滿足工程需要。研究者們提出了多種光面爆破裝藥裝置和方法，在光面爆破的基礎上發(fā)展出定向斷裂控制爆破技術，并對定向斷裂控制爆破的機理和裂紋擴展規(guī)律進行了系統(tǒng)研究［2-6］。將聚能爆破和水壓爆破相結合，對隧道周邊孔進行聚能水壓光面爆破，其裝藥結構是采用聚能管替代光面爆破的藥串［7］。目前隧道光面爆破存在的問題有：施工現(xiàn)場無性能優(yōu)良的光面爆破專用炸藥；周邊眼裝藥一般采用藥卷與竹片制成的藥串，并用導爆索傳爆，竹片加工及藥卷綁扎程序繁瑣，費時費力；人工采用炮棍逐卷間隔裝藥，受人為因素干擾大，難以精確控制藥卷的位置和間距，很難滿足爆破設計要求。因此，本文基于應力波透射、反射理論，提出一種光面護壁爆破裝藥結構，實現(xiàn)周邊孔差異化爆破，滿足隧道工程破碎與保護的雙重目標，促進光面爆破向參數(shù)規(guī)范化、操作簡便化、減人提效的方向發(fā)展。

1 光面護壁爆破技術

1.1 光面護壁爆破裝藥結構設計

由于炸藥爆炸產生的爆轟壓力遠遠超過任何巖石的動態(tài)抗壓強度。通常情況下緊貼藥卷的巖石會直接被粉碎成一個空腔。通過優(yōu)化裝藥結構，采用輕質吸能的緩沖材料可削弱沖擊波的峰值壓力，降低粉碎破壞作用，達到控制爆炸能量作用方向的目的。高分子聚氨酯泡沫材料發(fā)泡硬化后含大量氣孔，具有重量輕、壓縮性好、抗沖擊、緩沖吸能等優(yōu)點，已被廣泛應用于各類結構物的抗爆炸、耐沖擊等防護工程中［8］。對沖擊波峰值壓力的衰減率為86.5%［9］，因此適合作為隧道周邊孔圍巖防護材料。

基于泡沫材料緩沖吸能的特點，結合爆破現(xiàn)場施工條件，提出一種光面護壁爆破裝藥結構（圖1）。該結構由高孔隙率、低密度的聚氨酯泡沫材料和硬質薄壁PVC 半圓管組成。該泡沫材料無毒，耐高溫，具有高阻燃性，能避免爆破瞬間的燃燒。隧道爆破炮孔直徑40 ～ 42 mm，為實現(xiàn)往炮孔中順利輸管，套管直徑宜選用32 ～ 38 mm 的硬質PVC 管，壁厚一般在1 ～ 2 mm，具有輕質耐壓、易于粘接、價格低的特點。采用套管裝藥不僅方便，而且對爆破能量可起到約束引導作用。

圖1 光面護壁爆破裝藥結構

周邊孔清孔完畢后，用藥卷切割器將成品藥卷沿縱向均勻切開，并用絕緣電工膠布將藥卷和護壁管纏繞綁扎牢固。將加工好的整根裝藥裝置塞入周邊孔中，使涂有泡沫材料的一側貼在保留巖體一側，完成周邊孔的裝藥施工。光面護壁爆破裝藥結構設計簡單，施工方便，裝藥填塞一體化完成。

1.2 光面護壁爆破力學分析

光面爆破采用空氣不耦合裝藥，爆轟波首先壓縮炮孔中的空氣，產生空氣沖擊波進而對炮孔巖壁施加沖擊荷載。不耦合裝藥條件下孔壁壓力P1計算公式為［10］

式中：ρe為炸藥密度，對于2 號巖石乳化炸藥ρe=1 100 kg/m3；Ve為炸藥爆速，對于2 號巖石乳化炸藥Ve= 4 500 m/s；k為絕熱指數(shù)，對于大多數(shù)凝聚炸藥k= 3；Kd為裝藥不耦合系數(shù)；db、dc分別為炮孔和藥卷的直徑，db= 42 mm，dc= 32 mm；n為爆轟氣體碰撞孔壁時壓力增大的倍數(shù)，n=8。

光面護壁爆破采用耦合裝藥，炸藥與巖石緊密接觸，因而爆轟波會在炸藥和巖石界面上發(fā)生透射、反射。將爆轟波對炮孔壁的沖擊看成正沖擊，并近似為彈性碰撞，可得耦合裝藥條件下孔壁壓力P2計算公式為［11］

式中：T為透射系數(shù)。

開挖側、護壁側透射系數(shù)T1、T2分別為

式中：ρr、ρf分別為巖石、泡沫密度，kg/m3；Vr、Vf分別為巖石、泡沫中縱波波速，m/s。

由式（4）可算出泡沫材料和常見巖石（以石灰?guī)r為例）的物理力學參數(shù)和縱波波速，見表1。

表1 泡沫材料和石灰?guī)r物理力學參數(shù)和縱波波速

對于光面護壁爆破裝藥結構來說，炸藥爆炸后對兩側巖石產生不同的爆破作用。開挖側爆轟產物直接作用于孔壁，發(fā)生一次透射和反射，經計算T1=1.37。護壁側炸藥爆炸產生的爆轟波首先透射到炮孔中的泡沫材料，被緩沖之后再透射到孔壁巖石中，形成應力波，經過兩次透射和反射，兩次透射系數(shù)分別為0.21、1.89。光面護壁爆破兩側應力波的傳播路徑見圖2。

圖2 光面護壁爆破作用示意

光面護壁爆破作用在開挖側的孔壁壓力P2k=作用在護壁側的孔壁壓力1.89=。

應力波在損傷巖石中向外傳播，損傷巖石中任一點的徑向應力σr、切向應力σθ分別為

式中：P為孔壁壓力；r為計算點距炮孔中心距離，m；r0為炮孔半徑，m；α為應力波衰減系數(shù)，α= 3；b(D)為側向應力系數(shù)，是損傷度D的函數(shù)。

若巖石中σθ≥(1 -D)St時，巖石中將產生徑向裂紋。其中St為巖石動態(tài)抗拉強度。

將光面護壁爆破護壁側和開挖側的孔壁壓力差ΔP2=P2k-P2h= 0.24ρeV2e和光面爆破孔壁壓力P1=0.195ρeV2e代入式（6）、式（7），計算可得光面護壁爆破在炮孔中心連線方向形成的裂紋長度（即r）是光面爆破的1.1倍。

光面護壁爆破時P2k=3.4P2h，炮孔兩側強大的壓力差可以在巖體中成功產生定向裂紋，實現(xiàn)有效的斷裂控制。開挖側孔壁壓力是光面爆破的174%，而護壁側孔壁壓力是光面爆破的51%。與光面爆破相比，光面護壁爆破開挖側巖石得到有效破碎，護壁側巖石得到較好保護。設計炮孔間距時可以在光面爆破的基礎上適當增大，從而減少鉆孔工作量。

2 爆破損傷試驗

利用RSM?SY5（T）非金屬聲波檢測儀，在北京延慶區(qū)云龍山隧道現(xiàn)場進行爆破損傷試驗，對光面爆破和光面護壁爆破圍巖損傷進行定量分析。

2.1 試驗方案

云龍山隧道Ⅳ級圍巖段每循環(huán)進尺2 m，連續(xù)兩個循環(huán)分別采用光面爆破和光面護壁爆破（圖3）方式，除周邊孔采用不同的裝藥結構外，其他掏槽孔、輔助孔等裝藥參數(shù)都相同。聲波測試斷面距掌子面1 m，在隧道邊墻同等高度處鉆測試孔，孔徑42 mm，孔深2 m，傾角約60°。光面爆破、光面護壁爆破測試孔編號分別為1#、2#。測試孔中用清水做耦合劑，孔內水位出現(xiàn)下降應及時補充注水。測試時將探頭自孔底緩慢提升，每次約提升10 cm。

圖3 光面護壁爆破周邊孔裝藥結構

2.2 結果分析

光面爆破段出現(xiàn)部分超挖，且爆破損傷痕跡明顯；光面護壁爆破段隧道輪廓尺寸符合設計要求，巖面平整，基本不欠挖，孔壁完整，極少粉碎性破壞，炮孔位置清晰可見，見圖4。

圖4 爆破效果

不同爆破方式下圍巖中縱波波速隨孔深變化曲線見圖5?？芍饷姹茙r體中波速曲線分段特征明顯。0～20 cm 由于清水與巖體耦合不好，未測得波速；20 ～ 60 cm 為巖石松動區(qū)，波速明顯偏低，說明出現(xiàn)塑性破壞，內部裂隙較發(fā)育；60 ～ 100 cm 為巖石損傷區(qū)，波速有較大升高，說明巖石被輕微擾動，發(fā)育少量微裂隙，巖體強度適當降低；100～130 cm 為應力集中區(qū)，波速突然升高，說明圍巖應力轉移到該區(qū)段；130～190 cm 為原巖區(qū)，波速基本恢復到原巖中波速，表明巖體基本未受爆破影響，接近天然應力狀態(tài)。光面護壁爆破巖體中波速隨孔深的變化也具有相同規(guī)律。

圖5 不同爆破方式下圍巖中縱波波速隨孔深變化曲線

成孔后測試孔1#、2#周邊巖石中爆破前波速分別為3 960、3 750 m/s。根據DL/T 5389—2007《水工建筑物巖石基礎開挖工程施工技術規(guī)范》，巖體損傷度D和波速降低率η的關系為

式中：VP0、VP分別為爆破前、后波速。

不同爆破方式下巖體損傷度隨孔深變化曲線見圖6?？芍孩倩贒=0.19 的爆破損傷判別標準，光面爆破、光面護壁爆破圍巖松動圈厚度分別為78、50 cm。光面護壁爆破圍巖松動圈厚度比光面爆破減少35.9%。②孔深在90 cm 以內時光面爆破巖體的損傷度普遍大于光面護壁爆破，驗證了光面護壁爆破對保留巖體的保護作用。

圖6 不同爆破方式下巖體損傷度隨孔深變化曲線

3 結論

為解決爆破現(xiàn)場光爆專用炸藥不易獲取的問題，基于應力波透射、反射理論，利用高分子聚氨酯泡沫材料作為保留巖體的防沖材料，提出隧道周邊孔差異化爆破裝藥結構。通過理論分析和現(xiàn)場試驗，得出以下結論：

1）光面護壁爆破開挖側孔壁壓力是護壁側的3.4倍，炮孔兩側強大的壓力差在巖體中成功發(fā)展出定向裂紋，裂紋長度是光面爆破的1.1倍。

2）光面護壁爆破開挖側、護壁側孔壁壓力分別為光面爆破的174%、51%，說明開挖側巖石得到有效破碎，而護壁側巖石得到較好保護。

3）通過基于聲波檢測技術的圍巖爆破損傷試驗，光面爆破、光面護壁爆破圍巖松動圈厚度分別為78、50 cm，光面護壁爆破圍巖松動圈厚度比光面爆破減少35.9%?？咨钤?0 cm 以內時光面爆破巖體的損傷度普遍大于光面護壁爆破，驗證了光面護壁爆破對保留巖體的保護作用。