避免山嶺隧道爆破超挖與欠挖的優(yōu)化方法及應(yīng)用

［摘 要］針對(duì)襄陽-荊門高速鐵路徐高嶺隧道施工過程中出現(xiàn)的超、欠挖問題，采用三維數(shù)值模擬方法研究了爆破方案中最小抵抗線、輔助眼間距及周邊眼間距等對(duì)爆破施工質(zhì)量的影響規(guī)律。在原爆破參數(shù)優(yōu)化分析的基礎(chǔ)上，基于最小化平均線性超、欠挖量，確定了優(yōu)化后的爆破參數(shù)。通過三維激光掃描技術(shù)對(duì)優(yōu)化爆破參數(shù)后的施工質(zhì)量進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：當(dāng)最小抵抗線從60 cm增加到75 cm時(shí)，平均線性超挖減少了約63.6%；當(dāng)周邊眼間距從40 cm增加到55 cm時(shí)，平均線性超挖減少了約77.8%；當(dāng)輔助眼間距從90 cm增加到105 cm時(shí)，平均線性超挖僅減少了20.0%。采用優(yōu)化后的爆破參數(shù)進(jìn)行施工，三維激光掃描所得平均線性超挖與欠挖分別控制在8 cm與4 cm之內(nèi)。爆破方法優(yōu)化后，開挖與設(shè)計(jì)輪廓線吻合良好，實(shí)現(xiàn)了爆破施工質(zhì)量的有效控制；現(xiàn)場(chǎng)爆破施工質(zhì)量良好，避免了大面積的超、欠挖問題。

［關(guān)鍵詞］鐵路隧道；爆破；超挖與欠挖；最小抵抗線；輔助眼；周邊眼

［分類號(hào)］U455

Optimization Methods and Application for Over Excavation and Under Excavation

Control in Mountain Tunnel Blasting

WANG Jiafu

China Railway Fifteenth Bureau Group Co.， Ltd. （Hubei Jingmen， 448000）

［ABSTRACT］In response to the problems of over excavation and under excavation during the construction of Xugaoling Tunnel on Xiangyang-Jingmen high-speed railway， 3D numerical simulation technology was used to explore the impact of the minimum resistance line， auxiliary hole， and perimeter hole spacing on the quality of blasting construction in the blasting plan. Based on the optimization analysis of the original blasting parameters， the optimized blasting parameters were determined by minimizing the average linear over excavation and under excavation. Subsequently， a comprehensive evaluation of the construction quality using optimized blasting parameters was conducted through 3D laser scanning technology. The results indicate that when the minimum resistance line increases from 60 cm to 75 cm， the amount of over excavation decreases by about 63.6%. When the perimeter hole spacing increases from 40 cm to 55 cm， the amount of over excavation decreases by about 77.8%. When the auxiliary hole spacing increases from 90 cm to 105 cm， the amount of over excavation only decreases by 20.0%. Using optimized blasting parameters for construction， the average linear over excavation and under excavation obtained from 3D laser scanning are controlled within 8 cm and 4 cm， respectively. The excavation and design contour lines match well， achieving effective control of the quality of blasting construction. The optimized on-site blasting construction quality is excellent， avoiding the problem of large-scale over excavation and under excavation.

［KEYWORDS］railway tunnel; blasting; over excavation and under excavation; minimum resistance line; auxiliary hole; perimeter hole

0 引言

鉆爆法因適用性強(qiáng)、靈活性大、可靠性高以及經(jīng)濟(jì)實(shí)用等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用在交通隧道、水工隧道、礦山巷道以及市政隧道等工程中，同時(shí)也是目前我國鐵路隧道建設(shè)最常用的施工方法之一。當(dāng)前，我國已經(jīng)成為世界上利用鉆爆法建造鐵路隧道數(shù)量最多、總里程最長(zhǎng)的國家^［1-2］。因此，通過合理設(shè)計(jì)爆破參數(shù)來保證隧道施工質(zhì)量、加快施工進(jìn)度具有重要的工程意義。

為此，諸多學(xué)者與技術(shù)人員采用數(shù)值模擬、理論分析以及試驗(yàn)等手段對(duì)爆破參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而提高施工質(zhì)量。陳玉等^［3］借助數(shù)值模擬軟件，研究了微差、孔間距、裝藥量及孔徑對(duì)爆破輪廓成型效果的影響規(guī)律；基于光面爆破評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，選出了最優(yōu)爆破方案，并在現(xiàn)場(chǎng)獲得了良好的成型效果。周杰^［4］借助有限元軟件進(jìn)行仿真模擬，計(jì)算分析了不同裝藥結(jié)構(gòu)和炮孔間隔對(duì)圍巖爆破效果的影響。結(jié)果表明：優(yōu)化裝藥結(jié)構(gòu)和炮孔間隔可以顯著改善爆破效果，有效減少超挖及欠挖量。Zou等^［5］研究了周邊孔距、最小抵抗線、裝藥濃度、巖體類型、爆速、鉆孔角度以及裝藥形式等對(duì)光面爆破質(zhì)量的影響規(guī)律，將超斷面面積與超斷面距離作為觀測(cè)參數(shù)，在確定各因素的靈敏度基礎(chǔ)上，得出巖體類型對(duì)爆破質(zhì)量影響最大的結(jié)論，為光面爆破參數(shù)設(shè)計(jì)提供了參考。田興朝等^［6］理論計(jì)算了在空氣不耦合裝藥條件下的粉碎區(qū)和裂隙區(qū)半徑，并分析了周邊孔布設(shè)參數(shù)對(duì)隧道爆破超挖的影響規(guī)律，提出控制周邊孔布設(shè)參數(shù)是減少隧道爆破超挖的有效方法。Tian等^［7］通過地應(yīng)力和節(jié)理的綜合影響理論，推導(dǎo)出爆炸應(yīng)力波的衰減公式，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果顯示：所提衰減公式能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)應(yīng)力波的峰值，優(yōu)化周邊孔距計(jì)算和孔網(wǎng)布置后，有效控制了超挖量，為減少隧道爆破超、欠挖提供了實(shí)際參考。郝廣偉等^［8］進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)不同循環(huán)進(jìn)尺下的隧道掘進(jìn)爆破試驗(yàn)，對(duì)比分析了超、欠挖與圍巖成型效果。結(jié)果表明：循環(huán)進(jìn)尺越小，隧道圍巖超挖越小，爆破成型越好。宿利平等^［9］以平均半孔率、平均炮孔利用率、粉塵濃度降低率等作為爆破效果衡量指標(biāo)，進(jìn)行正交試驗(yàn)，確定了水封光面爆破中較優(yōu)的裝藥結(jié)構(gòu)參數(shù)；優(yōu)化后的水封光面爆破技術(shù)在提高爆破效率的同時(shí)，還表現(xiàn)出了顯著的爆破效果。

然而，隧道爆破效果受多因素影響，相關(guān)參數(shù)變異性較大，作用機(jī)理復(fù)雜，尚未建立系統(tǒng)、全面的分析方法。現(xiàn)有爆破參數(shù)優(yōu)化研究成果中的最小抵抗線、周邊眼間距、輔助孔間距等關(guān)鍵參數(shù)難以直接應(yīng)用到具體隧道工程實(shí)踐中。直接套用這些研究成果存在很大的不確定性，可能會(huì)降低爆破效率或造成材料浪費(fèi)。

為此，依托襄陽-荊門高速鐵路（簡(jiǎn)稱襄荊高鐵）徐高嶺隧道工程，通過三維數(shù)值模擬手段探究了輔助眼間距、周邊眼間距以及最小抵抗線等對(duì)爆破質(zhì)量的影響規(guī)律；對(duì)原爆破參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化；最后，通過三維激光掃描技術(shù)對(duì)優(yōu)化參數(shù)后的爆破質(zhì)量進(jìn)行了定量評(píng)價(jià)?？蔀楹罄m(xù)類似工程施工提供參考。

1 工程背景

1.1 工程概況

襄荊高鐵是一條湖北省內(nèi)連接襄陽市與荊門市的重要鐵路，也是八縱八橫中呼南通道的重要組成部分。徐高嶺隧道為襄荊高鐵的控制性工程之一，坐落于荊門市東寶區(qū)境內(nèi)，采用典型的單洞雙線設(shè)計(jì)方案。隧道起止里程DK100+242.92～DK102+567.0，總長(zhǎng)2.32 km，開挖斷面151.0 m²，凈空斷面144.0 m²，最大埋深221.02 m，屬于典型的埋深特長(zhǎng)大斷面隧道。隧址區(qū)地形以低山為主，中間高而兩側(cè)低。洞身穿越爆破試驗(yàn)段主要為瘤狀灰?guī)r，IV級(jí)圍巖。對(duì)瘤狀灰?guī)r進(jìn)行一系列測(cè)試，得到：密度ρ₀=2 600 kg/m³，抗壓強(qiáng)度f_c=154 MPa，抗拉強(qiáng)度T=6.3 MPa，彈性模量E=66 GPa，泊松比v=0.15，孔隙率q=1.2 %。

1.2 爆破設(shè)計(jì)

爆破試驗(yàn)段采用兩臺(tái)階施工法，通過分部爆破循環(huán)方式來快速回拓?cái)嗝?，單次爆破循環(huán)進(jìn)尺為2.0 m。上臺(tái)階爆破布置如圖1所示。其中，最小抵抗線為65.0 cm，周邊眼間距為45.0 cm，輔助眼間距為100.0 cm。周邊眼與輔助眼采用空氣間隔裝藥方式，其他炮孔采用底部連續(xù)裝藥。所有炮孔均為反向爆破，炸藥為乳化炸藥，裝藥量等參數(shù)如表1所示。

1.3 爆破效果分析

根據(jù)原爆破設(shè)計(jì)方案進(jìn)行施工后，隧道輪廓出現(xiàn)了不同程度的超挖現(xiàn)象，如圖2所示。其中，隧道左側(cè)拱肩平均超挖達(dá)20.0 cm，右側(cè)拱肩平均超挖為25.0 cm，兩側(cè)拱腳超挖為15.0～20.0 cm。對(duì)原爆破設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致隧道超挖現(xiàn)象嚴(yán)重的原因是：

1）最小抵抗線距離偏小。由于靠近爆破中心，抵抗線附近的巖石容易受到過強(qiáng)的爆破沖擊而破壞嚴(yán)重。

2）周邊眼間距與輔助眼間距較小，容易導(dǎo)致相鄰炮孔之間的爆破覆蓋面積過大，從而引起破壞范圍過分?jǐn)U展，產(chǎn)生超挖現(xiàn)象。

為此，需要對(duì)原爆破方案中最小抵抗線、周邊眼間距及輔助眼間距等進(jìn)行優(yōu)化，以期能夠減少爆破導(dǎo)致的超挖現(xiàn)象，進(jìn)而提高爆破施工的質(zhì)量與效率。

2 基于HJC的爆破方案的數(shù)值模擬

2.1 模型的構(gòu)建

采用ANSYS/LS-DYNA有限元軟件來構(gòu)建三維數(shù)值模型，如圖3（a）所示。模型尺寸為20.0 m×16.0 m×15.0 m，隧道直徑為15.0 m。數(shù)值模型邊界條件如圖3（b）所示。對(duì)邊界施加嚴(yán)格的位移約束，即左、右邊界約束X向位移，上、下邊界約束Y向位移，前、后邊界約束Z向位移，并采用無反射邊界條件消除邊界反射波的影響。根據(jù)隧道原爆破方案設(shè)置炮孔，如圖3（c）所示。其中，巖石區(qū)域的單元最小尺寸為0.5 m，爆破區(qū)域?yàn)?.1 m，共計(jì)120萬個(gè)單元。數(shù)值模擬過程中，忽略爆轟產(chǎn)物的溫度效應(yīng)與氣動(dòng)穿透現(xiàn)象。

為了準(zhǔn)確捕捉爆破載荷作用下圍巖的動(dòng)力響應(yīng)，將雙重網(wǎng)格技術(shù)與多物質(zhì)耦合算法相結(jié)合。即圍巖區(qū)域采用拉格朗日單元及算法，來實(shí)現(xiàn)圍巖大變形時(shí)動(dòng)力響應(yīng)的準(zhǔn)確模擬；空氣與炸藥區(qū)域采用拉格朗日-歐拉單元，來充分模擬氣體流動(dòng)與爆炸傳播過程。此外，不同介質(zhì)之間的耦合采用多物質(zhì)算法來保證圍巖與爆破之間的相互作用，從而考慮巖石與爆炸間的相互作用。

2.2 模型參數(shù)的確定

HJC（Holmquist-Johnson-Cook）動(dòng)力損傷本構(gòu)模型通過引入損傷參數(shù)來描述圍巖微裂紋的產(chǎn)生、發(fā)展以及聚合對(duì)圍巖強(qiáng)度的影響^［10］，故HJC本構(gòu)模型能夠描述圍巖從彈性到破壞階段的完整力學(xué)行為。相比Mohr-Coulomb模型等傳統(tǒng)的本構(gòu)模型，HJC本構(gòu)模型還可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)圍巖在高應(yīng)變率沖擊載荷下的裂隙演化規(guī)律與破壞模式。采用HJC本構(gòu)模型對(duì)圍巖爆破質(zhì)量進(jìn)行數(shù)值分析的有效性與準(zhǔn)確性已經(jīng)獲得驗(yàn)證^［11-14］。為此，采用HJC本構(gòu)模型^［15］來描述隧道圍巖的力學(xué)響應(yīng)機(jī)制。

HJC本構(gòu)模型的力學(xué)參數(shù)主要包括強(qiáng)度參數(shù)、損傷參數(shù)、硬化參數(shù)以及失效應(yīng)變等，這些參數(shù)分別控制圍巖的初始強(qiáng)度、硬化行為、裂紋演變對(duì)強(qiáng)度的影響及最終破壞的應(yīng)變^［16］。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)參考值，最終確定了適合本工程的HJC本構(gòu)模型力學(xué)參數(shù)，見表2。這些參數(shù)能夠全面地反映工程中圍巖的抗壓與抗拉性能、裂紋演化特性以及大變形下的硬化行為等，從而進(jìn)一步保證了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。

炸藥選擇高強(qiáng)爆炸模型。該模型主要通過炸藥密度、爆速以及爆壓等參數(shù)來控制炸藥的爆炸特性。選擇與工程現(xiàn)場(chǎng)相同的乳化炸藥，藥卷直徑為32 mm，密度為1 200 kg/m³，爆速為3 200 m/s，采用JWL（Jones-Wilkins-Lee）狀態(tài)方程來描述爆炸過程中壓力與體積之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。炸藥材料參數(shù)如表3所示。

爆破沖擊波在空氣區(qū)域以聲速傳播的形式進(jìn)行。在聲速傳播過程中，沖擊波會(huì)對(duì)巖石區(qū)域產(chǎn)生動(dòng)態(tài)加載，進(jìn)而破壞巖石。此外，空氣區(qū)域中氣體流動(dòng)的自由表面效應(yīng)也會(huì)直接影響爆破沖擊波在空氣中的膨脹傳播模式。因此，空氣區(qū)域中氣動(dòng)力學(xué)性質(zhì)的準(zhǔn)確模擬對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果影響顯著。為此，參考相關(guān)文獻(xiàn)［17］，采用空氣密度為1.29 kg/m³的理想氣體模型，空氣材料參數(shù)見表4。表4中：C₀為聲速傳播特性參數(shù)；C₁～C₆為非線性壓力-體積關(guān)系經(jīng)驗(yàn)參數(shù)；E₀為內(nèi)能。

2.3 數(shù)值模擬方案的確定

采用Box-Behnken響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行爆破參數(shù)優(yōu)化的數(shù)值模擬方案規(guī)劃^［18］。首先，在每個(gè)因素高、中、低3個(gè)水平進(jìn)行設(shè)計(jì)試驗(yàn)；然后，系統(tǒng)考察各因素水平組合下的響應(yīng)情況。數(shù)值模擬最小抵抗線、周邊眼間距與輔助眼間距3個(gè)因素，主要進(jìn)行敏感性分析，各個(gè)因素各設(shè)置4個(gè)水平，構(gòu)建了16組數(shù)值模擬方案，見表5。

2.4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.4.1 爆破動(dòng)態(tài)圍巖損傷

爆破后，隧道圍巖損傷的動(dòng)態(tài)演化過程可以較好地反映圍巖破壞范圍的時(shí)域演變規(guī)律。方案6^#的爆破過程如圖4所示。隨著爆破時(shí)間的推移，圍巖損傷經(jīng)歷了起始破碎期、破碎擴(kuò)展期、破壞生成期和爆破覆蓋期。在起始破碎期，如圖4（a）300 μs時(shí)，掏槽眼爆破產(chǎn)生的沖擊波與高溫、高壓氣體迅速破碎周邊巖石，并初步形成損傷度較高的破碎區(qū)域;在破碎擴(kuò)展期，如圖4（b）600 μs時(shí)，炮孔間的圍巖區(qū)域已經(jīng)基本破碎貫通，高損傷區(qū)逐漸向外擴(kuò)展;在破壞生成期，如圖4（c）900 μs時(shí)，外圍炮孔爆破產(chǎn)生的振動(dòng)壓力進(jìn)一步導(dǎo)致巖石裂紋的擴(kuò)展，破壞了巖石完整性，從而形成了較大的破壞區(qū);在爆破覆蓋期，如圖4（d）1 200 μs時(shí)，破壞區(qū)域不斷增大，進(jìn)而覆蓋了整個(gè)預(yù)定的爆破區(qū)域。這一過程為圍巖在爆破載荷下的連續(xù)動(dòng)態(tài)破壞過程，可為預(yù)測(cè)和控制巖石爆破破壞范圍提供參考。

2.4.2 爆破效果對(duì)比

選擇8組代表性的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行分析，如圖5所示。對(duì)比8組數(shù)據(jù)可知：

1）最小抵抗線遠(yuǎn)離爆破中心時(shí)，隧道輪廓的超挖區(qū)域呈減少趨勢(shì)。當(dāng)最小抵抗線從65 cm增加到70 cm，超挖區(qū)域由最初輪廓的50%減少到約30%。當(dāng)最小抵抗線達(dá)到75 cm時(shí)，爆破區(qū)域的巖石破碎不充分，產(chǎn)生欠挖現(xiàn)象。主要原因是最小抵抗線間距過大，會(huì)導(dǎo)致巖石遭受爆破沖擊過弱而引起欠挖。

2）周邊眼間距增大，超挖區(qū)域由最初輪廓的60%減小到約30%。當(dāng)周邊眼間距從45 cm增加到50 cm時(shí)，有助于減少超挖現(xiàn)象。當(dāng)周邊眼間距達(dá)到55 cm時(shí)，因?yàn)閼?yīng)力波疊加后無法形成貫通裂縫，導(dǎo)致爆破作用區(qū)域范圍內(nèi)的巖石無法完全破碎，最終造成欠挖現(xiàn)象；由于周邊眼間距過大，各周邊眼產(chǎn)生的應(yīng)力波在巖石中傳播時(shí)難以有效疊加，形成足夠大的應(yīng)力場(chǎng)，從而無法在預(yù)期作用范圍內(nèi)形成貫通裂縫，導(dǎo)致部分巖石無法完全開裂破碎，最終出現(xiàn)欠挖的情況。

3）輔助眼間距增大時(shí)，因爆破加載覆蓋面的減少，超挖程度相應(yīng)降低。當(dāng)輔助眼間距從90 cm增加到100 cm時(shí)，超挖區(qū)域從輪廓的25%略微減小到約20%。當(dāng)輔助眼間距超過100 cm后，臨近輔助眼之間的爆破破壞效應(yīng)無法實(shí)現(xiàn)有效疊加和貫通，會(huì)導(dǎo)致巖石剝離不暢，造成隧道輪廓線出現(xiàn)不連續(xù)、分段式的超挖或欠挖缺陷。

對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，相比原爆破方案（方案1^#），方案6^#爆破后的巖石破碎更為均勻，隧道開挖輪廓線與設(shè)計(jì)斷面吻合度較高；同時(shí)，也沒有出現(xiàn)原爆破方案中的超挖現(xiàn)象；在保證巖石有效破碎的前提下，還實(shí)現(xiàn)了爆破范圍與強(qiáng)度的有效控制。

2.4.3 圍巖主拉應(yīng)力

為了進(jìn)一步評(píng)估不同爆破參數(shù)對(duì)圍巖損傷的影響，提取上述8種方案中設(shè)計(jì)輪廓線拱頂附近元素的峰值主拉應(yīng)力，結(jié)果如圖6所示?？芍ㄟ^增加最小抵抗線的長(zhǎng)度、周邊眼間距和輔助眼間距，設(shè)計(jì)輪廓線附近元素的峰值主拉應(yīng)力逐漸減小。這表明，調(diào)整這些參數(shù)，可以有效地減少圍巖的損傷程度。例如，當(dāng)小抵抗線從65 cm增加到70 cm時(shí)，圍巖峰值主拉應(yīng)力從11 MPa降低到8 MPa；當(dāng)周邊眼間距從45 cm增加到55 cm時(shí)，圍巖峰值主拉應(yīng)力從15 MPa降低到10 MPa；當(dāng)輔助眼間距從90 cm增加到105 cm時(shí)，圍巖峰值主拉應(yīng)力從8 MPa降低到6 MPa。綜上分析，方案6^#中最小抵抗線為75 cm、輔助孔間距90 cm以及周邊孔間距50 cm時(shí)，圍巖的損傷相對(duì)最小。

2.4.4 圍巖線性超挖

8組數(shù)值模擬方案爆破后的平均線性超、欠挖情況如圖7所示?？芍?dāng)最小抵抗線距離從60 cm增加到75 cm時(shí)，平均線性超挖從11 cm降低到4 cm，減少了約63.6%；當(dāng)周邊眼間距從40 cm增加到55 cm時(shí)，平均線性超挖從18 cm降低到4 cm，減少了約77.8%；當(dāng)輔助眼間距從90 cm增加到105 cm時(shí)，平均線性超挖只從5 cm降低到4 cm，僅減少約20.0%。3個(gè)變量對(duì)平均線性超挖的影響由大到小為：周邊眼間距、最小抵抗線距離、輔助眼間距。根據(jù)平均線性超挖控制指標(biāo)，方案6^#的最小，為8cm，滿足工程規(guī)范要求^［19］。因此，后續(xù)施工過程中推薦采用方案6^#的爆破參數(shù)，即周邊眼間距50 cm、輔助眼間距90 cm、最小抵抗線75 cm，以期改善爆破質(zhì)量。

確定方案6^#中的參數(shù)組合為優(yōu)化后的爆破參數(shù)。為驗(yàn)證所確定爆破參數(shù)的優(yōu)化效果，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)爆破施工，并利用三維激光掃描技術(shù)評(píng)價(jià)爆破質(zhì)量。

3 爆破參數(shù)優(yōu)化分析

3.1 爆破質(zhì)量?jī)?yōu)化結(jié)果

經(jīng)過多輪循環(huán)爆破施工作業(yè)后，采用三維激光掃描技術(shù)獲取隧道掌子面爆破后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖8所示。從圖8可知，采用優(yōu)化爆破參數(shù)進(jìn)行施工后，隧道掌子面輪廓平整、光滑，沒有出現(xiàn)崩塌或過度碎石的情況。隧道爆破區(qū)域控制在工程允許誤差范圍內(nèi)，最大超挖不超過15 cm。實(shí)際開挖與設(shè)計(jì)輪廓線基本吻合，基本實(shí)現(xiàn)了爆破施工質(zhì)量的有效控制，避免了大面積超、欠挖現(xiàn)象的發(fā)生，保證了施工進(jìn)度。

3.2 爆破質(zhì)量結(jié)果分析

進(jìn)一步對(duì)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，進(jìn)而分析不同斷面位置的爆破質(zhì)量。通過縱向間隔2 m來進(jìn)行層狀切片，共獲得4個(gè)不同軸向距離的二維斷面點(diǎn)云，如圖9所示?？芍?，采用優(yōu)化的爆破參數(shù)施工后，掌子面輪廓的平均線性超挖為8.0 cm，與三維數(shù)值模擬結(jié)果基本吻合^［20］。然而，在軸距2 m處，隧道左側(cè)出現(xiàn)10 cm的超挖，右側(cè)出現(xiàn)15 cm的欠挖。主要原因是右側(cè)為硅質(zhì)巖，抗壓強(qiáng)度為25 MPa；左側(cè)為砂巖，抗壓強(qiáng)度為10 MPa，左、右兩側(cè)巖性和抗壓強(qiáng)度不同。在軸距4 m處，左側(cè)頂部局部區(qū)域出現(xiàn)約20 cm的超挖，原因是該區(qū)域?yàn)榉凵皫r，抗壓強(qiáng)度低，在爆破載荷作用下容易破碎過度。在軸距6 m處，左側(cè)拱肩局部出現(xiàn)約10 cm的超挖，右側(cè)出現(xiàn)約5 cm的超挖。這是因?yàn)樽髠?cè)為粉砂巖，右側(cè)為硅質(zhì)巖，左、右兩側(cè)巖性不同，左側(cè)巖石相對(duì)較軟，導(dǎo)致爆破超挖明顯；右側(cè)巖石相對(duì)較硬，導(dǎo)致爆破效果相對(duì)較好。在軸距8 m處，隧道拱頂中心區(qū)域出現(xiàn)約16 cm的超挖，這是由于該區(qū)域?yàn)樯皫r，抗壓強(qiáng)度低，在爆破作用下破碎過度而產(chǎn)生超挖。

4 結(jié)論

依托襄荊高鐵徐高嶺隧道工程，采用三維數(shù)值模擬方法探究了周邊眼間距、輔助眼間距及最小抵抗線對(duì)爆破效果的影響規(guī)律，對(duì)原有的爆破設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，并通過三維激光掃描技術(shù)對(duì)優(yōu)化參數(shù)后的爆破質(zhì)量進(jìn)行了定量評(píng)價(jià)。得出的主要結(jié)論如下：

1）隨著周邊眼間距與輔助眼間距的逐漸增大，爆破范圍呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，平均線性超挖相應(yīng)減小，有助于控制超挖。隨著最小抵抗線遠(yuǎn)離爆破中心，爆破引起的超挖范圍會(huì)逐漸減少，主要原因是距爆心較近的抵抗線附近的巖石更易遭受過強(qiáng)爆破沖擊而破壞過度。

2）基于數(shù)值模擬結(jié)果，優(yōu)化得到了適用于工程應(yīng)用的工程參數(shù)，即：最小抵抗線為75 cm，輔助眼間距90 cm，周邊眼間距50 cm。最優(yōu)爆破參數(shù)應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)爆破后，隧道輪廓線平整，形成的隧道開挖輪廓線與設(shè)計(jì)輪廓線基本吻合，應(yīng)用效果良好。

采用數(shù)值模擬計(jì)算方法進(jìn)行了爆破參數(shù)的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了爆破質(zhì)量的有效控制，可為同類隧道施工提供參考。然而，隧道光面爆破的效果受到多種因素的影響，為了確保爆破效果的最優(yōu)化，建議加強(qiáng)對(duì)光面爆破現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)工作，實(shí)時(shí)并合理地調(diào)整爆破參數(shù)。

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