高地應(yīng)力互層軟巖隧道爆破控制技術(shù)研究

朱耀璋

(中鐵十四局集團(tuán)第三工程有限公司 濟(jì)寧市 272100)

0 引言

在爆破施工中，準(zhǔn)確控制隧道開挖輪廓，可以減少圍巖爆破損傷，降低爆破的超欠挖程度，較好地控制隧道的變形[1]。周邊眼的爆破質(zhì)量，可以直接反映隧道爆破的成形效果。在實(shí)際運(yùn)用中，普通的爆破方式難以達(dá)到理想的爆破效果，實(shí)際工程中隧道的控制爆破主要為預(yù)裂爆破和光面爆破[2-3]。

隧道光面爆破對圍巖的擾動小，可以有效地減少超挖和回填量，使得爆破后的圍巖斷面輪廓整齊，保持圍巖的完整性和穩(wěn)定性，可以充分發(fā)揮圍巖自身的承載力。姚洪瑞[4]以巖屋沖一號隧道為依托，針對現(xiàn)場富水軟巖工程特性提出短進(jìn)尺淺孔弱爆破的施工方案，并同時采用超前加固與注漿防止圍巖坍塌；張運(yùn)良等[5]以某實(shí)際隧道工程為背景，采用ANSYS/LS-DYNA對軟弱夾層隧道的光面爆破效果進(jìn)行研究，最終提出一種概化模型可運(yùn)用于含軟弱夾層圍巖的光面爆破成型效果。陳玉等[6]以代家坪大跨公路隧道為背景，考慮不同孔距、藥量、孔徑對砂巖光面爆破的影響，并根據(jù)光面爆破評價標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化爆破方案；劉墩文等[7]以某山嶺隧道為背景，類比相關(guān)工程并結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)提出一種穿越破碎帶斷層的山嶺隧道光面爆破方案。

目前國內(nèi)關(guān)于高地應(yīng)力作用下隧道爆破施工的研究還較少，而關(guān)于互層隧道爆破控制技術(shù)的掌控還不是很全面，爆破動力學(xué)課題的研究，由于影響因素多，研究過程復(fù)雜，試驗(yàn)費(fèi)用高，故以甘肅尖山隧道為背景，通過有限元軟件ANSYS/LS-DYNA通過對不同工況下爆破施工進(jìn)行模擬，最終得到適用于互層軟巖隧道施工的光面爆破參數(shù)。

1 工程背景

尖山隧道位于甘肅省白銀市平川區(qū)大營水至水泉鎮(zhèn)附近，穿越水泉尖山山脈。隧道起訖里程為DK109+780～DK115+750，全長5.97km，最大埋深約519m(DK112+780)，隧道進(jìn)出口淺埋段長約300m。地層巖性主要為沉積巖、變質(zhì)巖兩種巖性。主要包括志留系下馬溝營組變質(zhì)砂巖夾千枚巖、砂巖夾片巖、板巖互層等。地應(yīng)力測試結(jié)果顯示隧道洞軸線附近地應(yīng)力值最高為21.08MPa，按照《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》，隧道所處為高地應(yīng)力區(qū)域。

2 互層軟巖隧道周邊眼爆破控制數(shù)值模擬

2.1 計算模型

數(shù)值模擬在實(shí)際工況的基礎(chǔ)之上再加之簡化，進(jìn)行建模計算。光面爆破的周邊眼炮孔布置在隧道輪廓線上，建模在考慮實(shí)際斷面的同時需要考慮光爆層厚度。因?yàn)橐劳泄こ虨榇髷嗝骜R蹄形隧道，隧道的開挖寬度為13.36 m，隧道的開挖高度為11.74 m，考慮周邊眼炮孔數(shù)量及模型的網(wǎng)格數(shù)量，取隧道上臺階5.36 m高度為研究對象，設(shè)置5條傾斜狀軟弱夾層，軟弱夾層厚度為0.5m，軟弱夾層傾角為55°，模型的左右和上下邊界為無反射邊界以減少邊界效應(yīng)對動力分析結(jié)果的影響，隧道光爆層邊界為自由邊界。隧道上臺階周邊眼布置見圖1，模型網(wǎng)格情況見圖2，巖體及軟弱夾層材料參數(shù)見表1。

圖1 互層軟巖隧道光面爆破周邊眼布置圖(單位：cm)

圖2 互層軟巖隧道光面爆破模型圖

表1 巖體及軟弱夾層材料參數(shù)

2.2 工況設(shè)置

根據(jù)對互層軟巖光面爆破中周邊眼的控制進(jìn)行模擬計算分析，對比在不同的炮眼直徑、炮眼間距下，隧道的超欠挖程度，根據(jù)結(jié)果選出最優(yōu)的控制超欠挖的光面爆破參數(shù)，以此作為指導(dǎo)現(xiàn)場爆破施工的依據(jù)。光面爆破周邊眼采用小直徑藥卷，藥卷直徑為22mm，周邊眼間距與周邊眼抵抗線長度比值為0.8，具體分析工況見表2。

表2 光爆控制數(shù)值模擬工況

2.3 計算結(jié)果分析

數(shù)值模擬爆破過程中截圖的時間間隔為50μs，不同工況下爆破過程與隧道設(shè)計輪廓線進(jìn)行對比的超欠挖示意圖見圖3，此處以工況1為例。

圖3 工況1爆破示意圖與超欠挖示意圖

由圖3可知：隧道的最大線性超挖為0.17 m，平均線性超挖在0.15 m。隧道開挖斷面允許超挖值中規(guī)定，平均線性超挖不超過10 cm，最大線性超挖不超過15 cm。因此，工況1出現(xiàn)了較大的超挖。

其余各工況爆破示意圖如圖4所示。通過對其余各工況爆破示意圖與原設(shè)計隧道輪廓線進(jìn)行對比，得出各工況超欠挖的數(shù)據(jù)，各工況超欠挖對比表見表3。

圖4 各工況爆破示意圖

表3 各工況超欠挖對比表

由表3可知，在工況1的爆破模型基礎(chǔ)上，通過對工況1的周邊眼炮眼直徑和炮眼間距進(jìn)行調(diào)整，在計算完成后，對工況2至工況5的光爆效果與原隧道輪廓進(jìn)行對比分析，得到：

工況2至工況5，單點(diǎn)線性最小超挖均出現(xiàn)在模型中兩個巖層的交接處，但平均線性超挖差別不大。其中工況2的平均線性超挖為0.15 m，不滿足軟巖光面爆破平均線性超挖不超過0.10 m的要求。最大線性超挖0.16 m，不滿足軟巖光面爆破最大線性超挖不超過0.15 m的要求。工況3中的平均線性超挖為0.13 m，不滿足軟巖光面爆破平均線性超挖不超過0.10 m的要求，最大線性超挖0.15 m，滿足軟巖光面爆破最大線性超挖不超過0.15 m的要求。工況4中的平均線性超挖為0.10 m，最大線性超挖0.13 m。工況5中的平均線性超挖為0.09 m，最大線性超挖0.12 m。工況4和工況5均滿足光面爆破的要求。

3 工程應(yīng)用

根據(jù)之前分析，為盡量減少爆破對圍巖造成的損傷，形成更加平整、光滑的隧道輪廓面，采用超挖量更小的工況5中光面爆破參數(shù)對爆破方案進(jìn)行優(yōu)化。現(xiàn)場采用Leica TCA全站儀對爆后隧道超欠挖情況進(jìn)行監(jiān)測，圖5為采用優(yōu)化后的光面爆破參數(shù)情況下隧道輪廓面典型成形狀況，由于地應(yīng)力和次生裂隙面的影響，現(xiàn)場最大線性超挖值較數(shù)值模擬結(jié)果偏大，平均線性超挖值為0.08m，最大線性超挖值為0.13m，滿足隧道開挖斷面允許超挖值的要求。

圖5 優(yōu)化后隧道輪廓面成形情況

隧道圍巖變形量是反映隧道是否穩(wěn)定的重要指標(biāo)，采用優(yōu)化爆破參數(shù)前后的隧道拱頂沉降和拱腰收斂對比如圖6所示，橫坐標(biāo)為監(jiān)測天數(shù)。采用優(yōu)化光面爆破參數(shù)后，隧道圍巖位移量明顯降低，16天的拱頂沉降累計值降低約30%，拱腰收斂累計值降低約25%，之后圍巖趨于穩(wěn)定。

圖6 爆破參數(shù)優(yōu)化前后圍巖位移量對比

4 結(jié)論

對互層軟巖隧道光面爆破的超欠挖控制進(jìn)行了研究，主要考慮周邊眼炮孔直徑和炮眼間距兩個方面，針對問題對不同炮眼直徑和炮眼間距五種工況進(jìn)行模擬計算，并得到以下結(jié)論：

(1)隧道爆破主要的兩種方式分別為預(yù)裂爆破和光面爆破。預(yù)裂爆破由于在實(shí)際工程中容易引起較大的超欠挖，對保證圍巖的完整性和隧道的變形控制有較大的影響，光面爆破是先起爆掏槽眼和輔助眼，最后起爆周邊眼的爆破方式，因?yàn)榭梢愿玫乜刂瞥吠诘靡詮V泛的使用。

(2)對控制互層軟巖隧道光面爆破的超欠挖進(jìn)行了研究，主要考慮周邊眼炮孔直徑和炮眼的間距兩個方面，針對不同炮眼直徑和炮眼間距五種工況進(jìn)行模擬計算，發(fā)現(xiàn)當(dāng)在40～42 mm，炮眼間距在38～40 cm時，對互層軟巖隧道的超欠挖控制有較好的效果。

(3)互層圍巖的地質(zhì)特點(diǎn)導(dǎo)致圍巖在施工爆破后易沿結(jié)構(gòu)面及軟弱破壞面破壞，形成較難人為控制的超欠挖現(xiàn)象，從炮孔布置、裝藥結(jié)構(gòu)和裝藥量等方面優(yōu)化和完善控制爆破技術(shù)，采用優(yōu)化光面爆破參數(shù)后，平均線性超挖值和最大線性超挖值均滿足隧道允許超挖值的要求，16天的拱頂沉降累計值降低約30%，拱腰收斂累計值降低約25%。