垂直節(jié)理巖體隧道掘進(jìn)開挖周邊孔參數(shù)優(yōu)化研究

關(guān)瑞士，王 剛，張仁坤，冉 立，周靖堯

（中海建筑有限公司，廣東 深圳 518000）

鉆爆法是我國(guó)隧道主要的開挖方法，具有經(jīng)濟(jì)高效的特點(diǎn)，在鉆爆開挖過程中，超欠挖問題一直沒有得到很好的解決，且?guī)r體存在結(jié)構(gòu)面，致使應(yīng)力波在傳播過程中有反射、折射現(xiàn)象，增大兩節(jié)理間的有效應(yīng)力，造成局部出現(xiàn)更大的超欠挖。超欠挖嚴(yán)重影響了爆破質(zhì)量，增加了施工成本和減緩了施工進(jìn)度。因此，研究自然界中存在節(jié)理裂隙隧道爆破控制技術(shù)，對(duì)于減少超欠挖十分重要。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此展開了大量的研究，朱紅兵等[1]運(yùn)用爆轟波理論對(duì)空氣間隔裝藥爆破炮孔內(nèi)的爆轟產(chǎn)物的運(yùn)動(dòng)及其相互作用過程進(jìn)行了推導(dǎo)與分析，解釋了空氣間隔裝藥技術(shù)的作用機(jī)理，并提出了確定合理空氣層比例的方法。劉江超等[2]采用LS-DYNA 模擬分析水和空氣2 種介質(zhì)做間隔物時(shí)周邊孔爆破效果，并與常規(guī)空氣間隔爆破進(jìn)行對(duì)比得出最優(yōu)的爆破裝藥結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[3-6]通過理論分析和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方法，針對(duì)層狀巖隧道拱頂超挖嚴(yán)重、邊墻存在欠挖的問題，從炮孔間距、裝藥量和裝藥結(jié)構(gòu)等方面優(yōu)化了光面爆破參數(shù)，對(duì)比分析優(yōu)化前與優(yōu)化后隧道爆后圍巖特征、最大超欠挖和圍巖變形情況，驗(yàn)證了掘進(jìn)爆破優(yōu)化方法的適用性。楊躍宗等[7]通過有限元軟件LS-DYNA 建立數(shù)值模型，對(duì)徑向不耦合系數(shù)、軸向不耦合裝藥位置、軸向不耦合系數(shù)等爆破參數(shù)對(duì)巖石損傷分布和孔壁壓力分布的影響進(jìn)行了研究。趙安平等[8]建立一維模型的節(jié)理巖體，利用連續(xù)-非連續(xù)單元方法，分析了節(jié)理數(shù)量、節(jié)理間距、節(jié)理傾角等不同參數(shù)對(duì)爆破效果影響顯著，節(jié)理發(fā)育程度和爆破效果是負(fù)相關(guān)關(guān)系且在節(jié)理之間巖體爆破破碎程度更大。張鳳鵬等[9]研究了不同填充物質(zhì)對(duì)爆破效果的影響，發(fā)現(xiàn)填充介質(zhì)時(shí)節(jié)理面的反射拉伸波弱于不填充介質(zhì)的，且填充介質(zhì)時(shí)端部裂紋發(fā)展更充分。

上述研究對(duì)隧道爆破周邊孔間隔裝藥、不耦合裝藥進(jìn)行了詳細(xì)的研究，同時(shí)，也對(duì)存在節(jié)理面巖體爆破應(yīng)力波的傳播、節(jié)理間距、節(jié)理數(shù)量和節(jié)理填充介質(zhì)對(duì)爆破效果的影響進(jìn)行了多方面的分析。但對(duì)存在節(jié)理裂隙巖體爆破時(shí)的超欠挖現(xiàn)象的研究較少。本文考慮了巖體存在垂直節(jié)理裂隙對(duì)爆破應(yīng)力波傳播的影響，分析了不同不耦合系數(shù)和周邊孔間隔裝藥結(jié)構(gòu)在節(jié)理裂隙巖體中的爆破效果，優(yōu)化周邊孔爆破參數(shù)，并為施工現(xiàn)場(chǎng)提供指導(dǎo)。

1 工程概況

1.1 現(xiàn)場(chǎng)概況

天城壩隧道為雙線分離式結(jié)構(gòu)，右線全長(zhǎng)4 280 m，起止樁號(hào)為K108+210—K112+490；左線全長(zhǎng)4 258 m，起止樁號(hào)為ZK108+250—ZK112+508，均屬于特長(zhǎng)隧道，且最大埋深518.41 m。隧道位于桑場(chǎng)背斜北東翼，具有泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、泥質(zhì)灰?guī)r和煤層等多種不良地層。

施工現(xiàn)場(chǎng)采用上下臺(tái)階爆破開挖，開挖斷面面積為98 m2，上臺(tái)階高7 m，下臺(tái)階高2.59 m。上臺(tái)階打孔97 個(gè)：其中解炮眼2 個(gè)，孔深3 m；掏槽眼12 個(gè)，孔深4.8~4.9 m（鉆頭長(zhǎng)5 m）；輔助眼38 個(gè)、周邊眼36 個(gè)、底眼9 個(gè)，孔深4.2~4.3 m（鉆頭長(zhǎng)4.5 m）。每循環(huán)炮孔布置位置基本相同，炮孔數(shù)量相差5 個(gè)。

1.2 巖體參數(shù)確定

巖樣取自天城壩隧道施工現(xiàn)場(chǎng)，據(jù)巖石力學(xué)學(xué)會(huì)要求，將巖樣制作成φ50 mm×100 mm 標(biāo)準(zhǔn)試件。開展靜力學(xué)實(shí)驗(yàn)，測(cè)得板巖的靜力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 板巖靜力學(xué)參數(shù)

2 數(shù)值模型

2.1 材料選擇

2.1.1 巖石

炸藥爆破過程中，炸藥周邊巖石屈服破壞會(huì)產(chǎn)生很大的應(yīng)變。然而HJC 模型適用于大變形、高應(yīng)變的巖石，其綜合考慮了應(yīng)變率及損傷演化的影響，能較好地描述巖體在爆破荷載作用下的破碎行為，其相關(guān)參數(shù)[10-13]見表2。

表2 HJC 相關(guān)參數(shù)

2.1.2 炸藥

炸藥采用2#乳化炸藥，模型材料選用MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN，需結(jié)合狀態(tài)方程JWL 聯(lián)用，JWL狀態(tài)方程為

式中：A、B，R1、R2、ω 為材料常數(shù)；E0為初始內(nèi)能；V 為體積；P 為爆壓。相關(guān)參數(shù)[14-15]見表3。

表3 炸藥相關(guān)參數(shù)

2.1.3 空氣、節(jié)理

空氣作為流體材料，需結(jié)合本構(gòu)方程和狀態(tài)方程聯(lián)合描述其行為，空氣模型選用MAT NULL，狀態(tài)方程選用LINEAR POYNOMLAL。相關(guān)參數(shù)[16]：ρ=1 290 kg/m3，C4=C5=0.4，E0=0.25 MPa，V0=1。節(jié)理也選用MAT NULL。

2.1.4 炮泥

炮泥選用泡沫模型MAT SOIL AND FOAM 表示，計(jì)算參數(shù)[17]見表4。其中A0為屈服函數(shù)常數(shù)；EPS2、EPS3、EPS4 為體積應(yīng)變；P1、P2、P3 為與體積應(yīng)變對(duì)應(yīng)的壓力。

表4 炮泥相關(guān)參數(shù)

2.2 模型建立

含垂直節(jié)理隧道在爆破掘進(jìn)過程中，周邊孔對(duì)爆破效果影響顯著，周邊孔的布置直接影響光面爆破效果，超欠挖程度。為減少超欠挖和形成良好的光面爆破效果，采用不耦合裝藥和空氣間隔裝藥聯(lián)動(dòng)防控方法對(duì)周邊孔數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。目前天城壩隧道周邊孔不耦合裝藥結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示，空氣間隔裝藥結(jié)構(gòu)如圖1（b）所示，藥卷直徑為32 mm。

圖1 裝藥結(jié)構(gòu)

建立以周邊孔為研究對(duì)象的三維模型，每條節(jié)理裂隙寬度為50 mm，除掌子面之外其余面均定義為無反射邊界，炸藥、空氣、節(jié)理炮泥ALE 算法，圍巖采用拉格朗日算法。

3 結(jié)果分析

3.1 不耦合系數(shù)對(duì)爆破的影響規(guī)律

在隧道施工中，采取耦合裝藥的方式會(huì)使炸藥利用率最高，但對(duì)孔壁周圍巖石破壞較嚴(yán)重，會(huì)形成很大的粉碎區(qū)。因此在隧道施工中多采用不耦合裝藥?？諝獠获詈涎b藥通過在炮孔內(nèi)填充空氣，對(duì)爆炸沖擊波起到緩沖作用，使爆炸沖擊波作用于炮孔壁的強(qiáng)度減小，作用時(shí)間增長(zhǎng)，從而提高爆破效率。

3.2 不同不耦合系數(shù)爆破效果對(duì)比

巖體中節(jié)理裂隙的存在使爆炸應(yīng)力波傳播至結(jié)構(gòu)面時(shí)會(huì)發(fā)生反射、投射現(xiàn)象，導(dǎo)致爆炸應(yīng)力波衰減，抑制了垂直于節(jié)理方向應(yīng)力波的傳播與裂紋的發(fā)展。為清晰觀察不同不耦合系數(shù)下含垂直節(jié)理巖體內(nèi)部損傷演化規(guī)律，選取不同不耦合系數(shù)作用下的損傷云圖，如圖2 所示。從圖中可以看到，不同不耦合系數(shù)對(duì)炸藥在爆炸時(shí)向巖石傳遞能量影響較大，可以發(fā)現(xiàn)，隨著K的增加，粉碎區(qū)開始增加，在K=1.31 時(shí)最大，然后開始逐漸減小，由于距離炮孔左右兩邊存在寬為50 mm 的節(jié)理裂隙，應(yīng)力波傳播過程中被反射，增加了炮孔周圍有效應(yīng)力，使粉碎區(qū)范圍明顯有平行于節(jié)理裂縫方向擴(kuò)大的趨勢(shì)，粉碎區(qū)范圍呈現(xiàn)為矩形。K=1.81 時(shí)，由于大量空氣的存在，阻礙應(yīng)力波的傳播，明顯減小了作用于孔壁的峰值應(yīng)力。

圖2 不同K 值的損傷云圖

取不同K 值下各模型260~600 μs 時(shí)間段巖石內(nèi)部應(yīng)力圖，可清晰觀察到爆破應(yīng)力波作用下巖石內(nèi)部應(yīng)力變化。在159 μs 時(shí)，不同K 值模型的應(yīng)力分布出現(xiàn)差異，不耦合裝藥存在的空氣柱使炮孔壁周圍存在低壓區(qū)，減緩較大沖擊波直接作用于巖石產(chǎn)生粉碎現(xiàn)象，當(dāng)K=1.31~1.56 時(shí)，空氣使沖擊波產(chǎn)生衰減，讓其攜帶均勻能量作用于巖石，產(chǎn)生良好的爆破效果；K=1.81 時(shí)，大量的空氣嚴(yán)重削減了爆炸能量，導(dǎo)致沒有足夠的能量破碎巖石。在599 μs 時(shí)，K=1.31 的應(yīng)力最大，K=1.56 應(yīng)力第二，耦合裝藥應(yīng)力第三，因?yàn)轳詈涎b藥較大沖擊波直接作用孔壁，產(chǎn)生強(qiáng)烈粉碎巖石作用，減小了應(yīng)力，K=1.81 應(yīng)力最小。所以，取K=1.31 時(shí)爆破效果最好。

3.3 空氣間隔裝藥結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.3.1 三段裝藥

通過不同不耦合系數(shù)的對(duì)比得到含垂直節(jié)理隧道爆破在K=1.31 時(shí)裝藥結(jié)構(gòu)最優(yōu)，但現(xiàn)場(chǎng)采用周邊孔連續(xù)裝藥爆破后產(chǎn)生的應(yīng)力過大，浪費(fèi)炸藥，也造成超欠挖嚴(yán)重。因此，為得到裝藥結(jié)構(gòu)的最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)，通過調(diào)整炮孔兩端空氣介質(zhì)長(zhǎng)度得到3 種裝藥結(jié)構(gòu)，見表5。

表5 三段裝藥參數(shù)

為了得到在節(jié)理巖石爆破間隔裝藥結(jié)構(gòu)的最優(yōu)參數(shù)，提取在兩炮孔連線中心沿炮孔方向距掌子面0.5、1、2、3、3.5、4 m 處（后處理軟件ls-prepost 中的第一主應(yīng)力） 和周邊孔處沿平行于掌子面上方0.1、0.15、0.2、0.25 m 處單元的最大拉應(yīng)力進(jìn)行分析，并與表1 中巖石的抗拉強(qiáng)度對(duì)比，如圖3 所示。由圖3 可見，隨著孔底空氣介質(zhì)增加和孔口空氣介質(zhì)的減少，在距離掌子面0.2、0.5 m 處的拉應(yīng)力開始增加，距離掌子面2、2.5、2.8、3.3 m 處的峰值應(yīng)力逐漸減小。當(dāng)孔底空氣介質(zhì)D=0.6 m 時(shí)，孔口的拉應(yīng)力峰值不能達(dá)到巖石的抗拉強(qiáng)度，此時(shí)，孔口巖石不能有效破碎，導(dǎo)致拋擲困難；當(dāng)D=0.9 m、D=1.2 m 時(shí)，孔底抗拉強(qiáng)度低于巖石的抗拉強(qiáng)度，不能滿足3.3 m 循環(huán)進(jìn)尺的施工要求。

圖3 有節(jié)理的炮孔連線中部單元峰值應(yīng)力

3.3.2 四段裝藥

將空氣介質(zhì)間隔數(shù)量增加到3 個(gè)，藥量保持不變（表6）。同理為了得到最優(yōu)的裝藥設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)于3 種四段間隔裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)裝藥結(jié)構(gòu)不同，起爆后炸藥的應(yīng)力變化也不同。由圖4 可見，隨著孔底空氣介質(zhì)的增加和孔口空氣介質(zhì)的減少，當(dāng)D<2 m時(shí)，峰值抗拉強(qiáng)度逐漸增加，在D=2 m 時(shí)峰值抗拉強(qiáng)度最大，然后開始減小。當(dāng)孔底空氣介質(zhì)長(zhǎng)度為0.3 m時(shí)，由于孔口空氣介質(zhì)長(zhǎng)度過大，應(yīng)力波被空氣介質(zhì)大量消耗，導(dǎo)致孔口巖石不能有效破碎，當(dāng)孔底空氣介質(zhì)長(zhǎng)度為0.9 m 時(shí)，由于孔底空氣柱過長(zhǎng)，孔底的峰值抗拉強(qiáng)度達(dá)不到巖石抗拉強(qiáng)度，不能滿足3.3 m 的循環(huán)進(jìn)尺要求。

圖4 有節(jié)理的炮孔連線中部單元拉應(yīng)力峰值

表6 四段裝藥參數(shù)

通過上述分析得到孔底空氣介質(zhì)長(zhǎng)度為0.6 m的四段間隔裝藥結(jié)構(gòu)最優(yōu)，為減少隧道超欠挖現(xiàn)象，提取該裝藥結(jié)構(gòu)周邊孔至隧道輪廓線的垂直線上的單元，分析應(yīng)力的變化情況，設(shè)計(jì)周邊孔距離至隧道輪廓線的最優(yōu)距離。由圖5 可見，周邊孔沿隧道設(shè)計(jì)輪廓線方向上節(jié)理間的拉峰值峰值大于節(jié)理外的拉應(yīng)力峰值，這是因?yàn)楣?jié)理的存在，導(dǎo)致應(yīng)力波傳播到節(jié)理處發(fā)生反射和折射現(xiàn)象，增加了兩節(jié)理之間的應(yīng)力。隨著炮孔沿隧道輪廓線方向的距離增加，拉應(yīng)力峰值逐漸減少，節(jié)理外的拉應(yīng)力峰值在距周邊孔30 cm 處小于巖石的抗拉強(qiáng)度，而兩節(jié)理之間的拉應(yīng)力峰值在距周邊孔35 cm 處小于巖石的抗拉強(qiáng)度。因此，在兩節(jié)理外的周邊孔至隧道輪廓線的距離設(shè)置為25 cm，節(jié)理內(nèi)周邊孔至隧道輪廓線的距離設(shè)置為30 cm，即可保證不欠挖，也能最大限度減少超挖。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

為對(duì)上述研究進(jìn)行驗(yàn)證，本文通過對(duì)天城壩隧道進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。采用不耦合裝藥系數(shù)K=1.31，孔底空氣介質(zhì)長(zhǎng)度為0.6 m，孔口空氣介質(zhì)長(zhǎng)度為0.6 m 的四段間隔裝藥結(jié)構(gòu)能夠保證3.3 m 循環(huán)進(jìn)尺的施工要求，且使爆破能量更均勻地作用于巖體。周邊孔裝藥結(jié)構(gòu)和爆破參數(shù)優(yōu)化后，最大超挖34 cm，最小超挖為6 cm，平均超挖控制在20 cm 內(nèi)，如圖6 所示，超欠挖控制效果較好。

圖6 全斷面隧道超挖示意圖

5 結(jié)論

1）在相同藥量情況下，對(duì)于板巖隧道周邊孔不耦合系數(shù)K=1.31 時(shí)，能夠使爆破能量更均勻作用于孔壁，對(duì)孔壁周圍和節(jié)理裂隙巖體的破碎情況要優(yōu)于其他不耦合系數(shù)。

2）對(duì)空氣間隔裝藥結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化得到當(dāng)周邊孔采用三段間隔裝藥結(jié)構(gòu)不能滿足3.3 m 的循環(huán)進(jìn)尺要求，采用孔底和孔口空氣介質(zhì)長(zhǎng)度均為0.6 m 的裝藥結(jié)構(gòu)最合適，能夠滿足施工設(shè)計(jì)要求。

3）對(duì)于周邊孔孔底、孔口空氣介質(zhì)長(zhǎng)度均為0.6 m的四段間隔裝藥結(jié)構(gòu)，將理處周邊孔至隧道設(shè)計(jì)輪廓線的距離控制在25 cm 內(nèi)，無節(jié)理處周邊孔至隧道輪廓線的距離控制在30 cm 內(nèi)，既能保證不欠挖，同時(shí)也能最大限度減少超挖，能將平均超挖控制在20 cm 內(nèi)，爆破效果較好，降低了混凝土的超耗量。