阿扎河隧道水壓光面爆破優(yōu)化設(shè)計研究

中圖分類號：U455.6 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2025）13-0122-07

Abstract：Ordinarysmoothblastingtechnologyintunnelconstructionispronetoproblemssuchasover-excavation，under excavation，andighdust，whichisespeciallprominentinterainswithweakinterlayers.Inordertosoletheaboveproblems， relyingontheblastingconstructionoftheAzaheTunnelastheengineringbackground，therocklithologyisdividedintothree categoriesaccordingtotheockfimnesscoeficientbasedonthephysicalperformanceindicatorsoftheon-siterocks（5＼～010＼～ 15，15＼～20）Forrockswithdiferentstrengths，theoreticalbasicanalysisandnumericalsimulationwereusedtofindareasoable waterpressuresmothblastingplanandfieldexperimentalverificationwascariedout.Thefollowingconclusionsweredran：f thechargequantityremainsunchanged，theincreaseinthenumberofchargeswillimprovetheblastingefect;ifthenumberof chargesemainsunchanged，theincreaseinchargewillexpandthedamagerange；astherockfimnesscoeficientincreases，the rock strength becomes larger， and the charge quantity and charge quantity need to be increased.

Keywords： tunnel construction; numerical simulation； blasting damage; field test;blasting parameters

隨著西部大開發(fā)的建設(shè)，云南高速公路建設(shè)進入大發(fā)展時期，但由于云南地形較為復(fù)雜，需要修建大量隧道已達成通車的目的。鉆爆法作為常用的隧道施工手段，改變不同的施工參數(shù)會達到不同的爆破效果。其中光面爆破技術(shù)作為一種爆出的新壁面保持平整而不受明顯破壞的控制爆破技術(shù)被廣泛應(yīng)用于隧道施工。水壓光面爆破采用水袋作為填塞或者間隔部分，能大幅提升光面爆破效果[-。姬傳軍等以西十高鐵秦嶺馬白山隧道圍巖為背景，采用ANSYS軟件模擬對原施工方案進行優(yōu)化；丁祥以中蘭鐵路尖山隧道工程互層段為研究對象分析得出互層左傾時超挖主要出現(xiàn)在隧道右側(cè)；Verma等評估外圍圍巖損傷情況；Cheng等分析地下廠房爆破的參數(shù)優(yōu)化及其對錨固巖梁的影響；Ma等分析單孔不耦合裝藥爆破下巖體能量演化及裂紋擴展，得出在炸藥量相同的條件下，巖體應(yīng)變能、孔壁巖石應(yīng)變率和峰值壓力，以及爆破裂紋面積與裝藥不耦合系數(shù)呈負相關(guān)關(guān)系；劉江超等采用Starfield迭加法將應(yīng)力波的衰減和迭加考慮在內(nèi)，推導(dǎo)孔壁受到的應(yīng)力變化情況并得出在炸藥和水介質(zhì)交界處孔壁受到的應(yīng)力最大，隨著到交界處距離的增加，爆炸應(yīng)力以指數(shù)函數(shù)的形式衰減；關(guān)振長等建立空氣間隔裝藥的雙孔周邊眼模型，計算得出炮眼連心線上各測點的壓力時程曲線呈現(xiàn)多峰形態(tài)，其壓力峰值相較于裝藥段大幅降低，持時明顯增長。

阿扎河隧道是元陽至綠春高速公路整個項目的主要控制性工程，位于紅河縣阿扎河鄉(xiāng)境內(nèi)，隧道區(qū)海拔高程 ，相對高差 9 3 6 m ，為分離式隧道，進、出口均為端墻式洞門，主要圍巖有V級圍巖、IV級圍巖、IⅢI級圍巖，其中主要以V級、IV級圍巖為主，隧道穿越區(qū)為康藏“歹\"字形構(gòu)造，構(gòu)造形跡主要為北西西向、北西向及北東向的擠壓性結(jié)構(gòu)面，發(fā)育了一系列的褶皺、斷裂結(jié)構(gòu)，次級褶皺、斷裂發(fā)育。隧址區(qū)及鄰近發(fā)布的主要褶皺為甲寅-牛角寨背斜、馬良-良心寨向斜；主要斷裂結(jié)構(gòu)為紅河斷裂、哀牢山斷裂及次級斷裂。其中紅河斷裂、哀牢山斷裂為壓扭性逆斷層。發(fā)育的次級斷裂主要為逆斷層，在斷層的兩側(cè)多形成巖石糜棱巖化結(jié)構(gòu)。隧道穿越哀牢山北西向構(gòu)造斷裂帶形成中深動力變質(zhì)巖帶（以片麻巖、變粒巖、大理石和片巖為主）并發(fā)育有片麻巖狀花崗巖（印支期花崗巖侵入體），中粒黑云二長花崗巖侵入體、隱伏侵入體、石英脈巖、細-中?；◢彴邘r侵入巖及中基性輝綠巖和輝綠玢巖巖脈體形成。隧道區(qū)出露地層以元古界袁牢山群區(qū)域動力變質(zhì)巖為主。其中紅河斷裂、哀牢山斷裂為壓扭性逆斷層。

1模擬方案設(shè)計

1.1 材料參數(shù)

1.1.1 巖石材料參數(shù)

當(dāng)材料在面對爆炸或高速沖擊問題時，材料自身強度與所受壓力相比將忽略不計，而此時材料狀態(tài)轉(zhuǎn)變成一種類似流體狀，所以為獲取材料中此時的壓力p 需要代人 p-a 狀態(tài)方程來計算。

RHT本構(gòu)模型其他參數(shù)中，初始孔隙度可通過實驗法直接測得，羅德角相關(guān)參數(shù)、拉伸屈服面參數(shù) 參考前人研究成果[10-1]取 ；部分參數(shù)選用本構(gòu)模型自帶固定量綱常數(shù)，其中損傷參數(shù) 參考壓縮應(yīng)變率 參考拉伸應(yīng)變率 失效壓縮應(yīng)變率 、失效拉伸應(yīng)變率 。而失效面參數(shù) A 失效面指數(shù) n 、壓縮屈服面參數(shù) 、拉壓子午比參數(shù) 、剪切模量縮減系數(shù) ξ 、初始損傷參數(shù) 、最小失效應(yīng)變 、殘余應(yīng)力強度參數(shù) 與殘余應(yīng)力強度指數(shù) 因?qū)嶒灚@取途徑過于復(fù)雜難以確定且考慮到實驗時間周期過長，故引用Riedel所提出的混凝土相關(guān)參數(shù)進行模擬，礦體RHT本構(gòu)模型參數(shù)見表1。

1.1.2 水材料參數(shù)

水介質(zhì)采用MAT_NULL材料模型，具體參數(shù)見表2。

1.1.3 空氣材料參數(shù)

空氣介質(zhì)采用MAT_NULL材料模型，其參數(shù)見表3。

1.1.4炸藥材料參數(shù)

數(shù)值模擬中炸藥材料選用LS-DYNA模擬軟件庫中的高能炸藥材料，其關(guān)鍵字為*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN，獲得乳化炸藥物理力學(xué)參數(shù)及JWL狀態(tài)方程參數(shù)（表5）。

1.2 模型構(gòu)建

依據(jù)阿扎河隧道項目調(diào)研報告得知：該項目炮孔均為 4 0 m m 孔，使用 φ 3 2 m m 小直徑乳化炸藥裝藥，周邊孔共26個，上斷面周邊孔孔深 2 m ，孔間距為

6 0 m m ，光爆層厚度為 6 0 m m ;下斷面周邊孔孔深 2 m 孔間距為 ，光爆層厚度為 7 5 m m 。因此，依據(jù)上斷面施工原爆破施工方案及前人經(jīng)驗[12-14構(gòu)建4組模型（圖1）進行對比分析。

第一組：填塞 、裝藥總長 0 . 8 m. 3 段藥包的三孔并排爆破模型。第二組：填塞 、裝藥總長 段藥包的三孔并排爆破模型。第三組：填塞 、裝藥總長 0 . 6 m. 2 段藥包的三孔并排爆破模型。第四組：填塞 0 . 2 m 裝藥總長 段藥包的三孔并排爆破模型。

2模擬方案結(jié)果分析

2.1模型結(jié)果對比

依據(jù)圖1的模型進行模擬計算，代入材料參數(shù)（表1—表5）假定炸藥同時起爆，模擬得出4組模型的爆破損傷范圍如圖2一圖5所示。

對比分析4組模型損傷云圖，第一組模型采用的炸藥量過多，導(dǎo)致?lián)p傷范圍較大；第二組藥量合適，產(chǎn)生的損傷范圍較小且均勻；第三組與第二組采用相同藥量，但是藥包段數(shù)少，藥量集中，產(chǎn)生的損傷較為集中，導(dǎo)致爆破損傷不夠均勻;第四組藥量最少，所產(chǎn)生的損傷最小，但是其產(chǎn)生的損傷不夠均勻，會影響爆破后形成的光面效果。

2.2 最佳模型分析

提取縱向模擬損傷結(jié)果如圖6可知：該方案能對光爆層造成絕大部分損傷，同時提取該方案的縱向合位移云圖如圖7所示。

分析圖7可知，炮孔偏向圍巖方向產(chǎn)生的合位移幾乎為0，主要位移位于光爆層處，即光爆層受爆破影響發(fā)生完全移動，為具體判斷其產(chǎn)生的主要應(yīng)力變化及位移情況，提取不同部位節(jié)點進行分析。

提取炮孔壁靠近各炸藥中心相同位置處的應(yīng)力變化（圖8）及各水袋中心處的應(yīng)力變化（圖9）。

分析圖8和圖9可知，炸藥爆炸產(chǎn)生的爆生產(chǎn)物將最先作用于藥包附件的炮孔壁上且在 5 m s 左右達到峰值應(yīng)力約為 1 . 7 9 G P a ，由于水袋與炮孔壁存在一定間隙，其受到擠壓后才會作用于炮孔壁上，其在2 5 m s 左右才達到峰值，存在一定的時間差，越靠近炸藥處的水袋應(yīng)力越大，炮孔壁從孔口往孔底靠近各水袋中心處受到的峰值應(yīng)力分別為364、324、304和 ，提取炮孔壁靠近孔底處水袋不同位置的應(yīng)力變化如圖10所示。

分析圖10可知，隨著距離不斷遠離炸藥中心，炮孔壁受到的峰值應(yīng)力會不斷減小，且其達到峰值應(yīng)力的時間也在不斷增加。為分析水壓光面爆破對炮孔周邊的影響，分別提取藥包附近沿炮孔排列方向及垂直于炮孔排列方向向內(nèi)不同位置等距離處（距離間隔為 0 . 3 m ）的應(yīng)力變化，如圖11及圖12所示。

分析圖11及圖12可知，隨著不斷遠離炮孔，圍巖受到的峰值應(yīng)力不斷減小，且達到峰值應(yīng)力的時間也增加，提取各點峰值應(yīng)力制成表6并進行擬合，繪制成峰值應(yīng)力擬合曲線，如圖13所示。

分析表6及圖13，在距離藥包中心同位置處，垂直于炮孔排列方向向內(nèi)的峰值應(yīng)力大于沿炮孔排列方向。兩者峰值應(yīng)力都是逐漸降低，且曲線斜率是由小到大，在距藥包中心 0 m 到 左右的范圍內(nèi)，峰值應(yīng)力急速下降，然后斜率出現(xiàn)拐點，峰值應(yīng)力緩慢下降，依據(jù)圖3可知，該范圍為圍巖損傷區(qū)域，應(yīng)力變化較大。

2.3 無水爆破模型對比

為進一步判定水壓光面爆破的爆破效果是否遠高于普通光面爆破，決定進行對照實驗，將第二組模型中的水替換成空氣，進行模擬計算，得出其爆破損傷云圖，如圖14所示。

分析圖3和圖14可知，在采用同樣的藥量及其布置方式下，普通光面爆破中，炮孔之間未能完全貫穿，其產(chǎn)生損傷范圍大概僅為水壓光面爆破產(chǎn)生的1/4，因此采用水壓光面爆破能大大地提升爆破效果，降低成本。

2.4 不同巖性優(yōu)化設(shè)計

由于工程可能存在不同巖性的巖石，依據(jù)不同的普氏系數(shù)分為3類 進行模擬計算，根據(jù)采用的第二組模型實驗，選用同樣的模型尺寸，采用普氏系數(shù)15～20，進行模擬計算得出損傷云圖，如圖15所示。

分析可知，該模擬方案，炮孔間靠近孔口位置處未完全產(chǎn)生破損，因此決定增加藥量，采用第一組模型進行計算，得出損傷云圖，如圖16所示。

分析可知，其損傷完全，且對周邊圍巖破壞范圍小，截取其合位移立體圖，如圖17所示。

分析可知，該模型爆破產(chǎn)生的合位移僅為炮孔間光爆層處，圍巖產(chǎn)生的位移幾乎為0，因此，該方案合理

因此，依據(jù)上述分析制成爆破優(yōu)化設(shè)計表見表7。

3現(xiàn)場實驗結(jié)果

阿扎河隧道采用的原光面爆破方案為所有藥包均位于底部，并從底部開始起爆，由于其藥包位置過于集中，藥包附近爆破產(chǎn)生的破壞較大，常出現(xiàn)較大的超挖現(xiàn)象，且未能產(chǎn)生明顯半孔痕，光面效果差（圖18）。

依據(jù)2.1、2.2及2.4節(jié)中的模型分析及優(yōu)化設(shè)計，重新設(shè)計爆破方案，并進行現(xiàn)場實驗。實驗結(jié)果顯示：該方案施工進尺達標，且能保證半孔痕的生成，孔痕率達到 90 % 以上，所形成的光面效果較好，無較大欠挖、超挖現(xiàn)象（圖19）。

4結(jié)論

依據(jù)模擬實驗及現(xiàn)場實驗結(jié)果得出以下結(jié)論。

1）由于水的無法擠壓的性質(zhì)，水能將爆破壓力均勻傳播至炮孔內(nèi)壁，水壓光面爆破效果遠強于普通無水光面爆破效果，其產(chǎn)生的損傷范圍較為均勻。2）光面爆破中，隨著炸藥段數(shù)的增加，其產(chǎn)生的損傷范圍會逐漸均勻且趨向平行于炮孔。3）隨著距炮孔中心距離的增加，在炮孔周邊達到峰值應(yīng)力的時間逐漸增加，但峰值應(yīng)力不斷減小，其中取邊緣炮孔分析，在同距離處沿炮孔排列方向的峰值應(yīng)力小于垂直于炮孔排列方向向內(nèi)。4）在圍巖損傷范圍內(nèi)，隨著逐漸遠離炮孔中心，峰值應(yīng)力急速下降，超出損傷范圍后，峰值應(yīng)力開始緩慢下降。5）光面爆破中隨著巖石強度的提升，在不改變炸藥段數(shù)的情況下，應(yīng)適當(dāng)增加每段炸藥的炸藥量，通過模擬及現(xiàn)場實驗得出，巖石的普氏系數(shù)每增加 5 ～ 10，線裝藥密度需要增加 0 . 5 k g / m 。

參考文獻：

[1]李廣濤，李大春.隧道掘進水壓爆破技術(shù)發(fā)展新階段[J].爆破，

2022，39（3）：82-87.

[2]閆有民，劉國軍，楊鵬，等.水壓光面爆破在特長隧道開挖中的應(yīng)用[J].交通工程，2021，21（6）：52-56，62.

[3]姬傳軍，胡新建，熊友亮.秦嶺馬白山隧道硬巖段光面爆破參數(shù)優(yōu)化[J].鐵路技術(shù)創(chuàng)新，2024（1）：128-133.

[4]丁祥.互層巖體隧道爆破超欠挖控制技術(shù)研究[J].鐵道工程學(xué)報，2022，39（3）：75-80.

[5]VERMA H K，SAMADHIYA N K，SINGH M，et al.Blastinduced rock mass damage around tunnels[J].Tunnelling andUnderground Space Technology，2018，71：149-158.

[6] CHENG L Z，XIN P L. Study on Optimization of BlastingParameters and its Effect on Anchoring Rock Beam of aUnderground Workshop[J].Applied Mechanics and Materials，2011，1446：2045-2052.

[7] MA T，LI F J，YANG Y H，et al.Study on energy evolutionand crack propagation of rock massunder single holeuncoupled charge blasting [J].Applications in EngineeringScience，2022，11：100112.

[8]劉江超，高文學(xué)，張聲輝，等.水間隔裝藥孔壁爆炸應(yīng)力分布規(guī)律[J].兵工學(xué)報，2021，42（12）：2646-2654.

[9]關(guān)振長，周宇軒，呂春波，等.空氣間隔裝藥周邊眼爆破精細化數(shù)值模擬[J].隧道與地下工程災(zāi)害防治，2022，4（4）：11-19.

[10]丁家仁，曹華彰，蔣楠，等.引水隧洞光面爆破參數(shù)優(yōu)化數(shù)值模擬及現(xiàn)場試驗研究[J].安全與環(huán)境工程，2023，30（5）：46-53.

[11]劉淑鵬，李祥龍，簡錫明，等.基于損傷的光面爆破參數(shù)優(yōu)化數(shù)值模擬研究[J].中國礦業(yè)，2023，32（11）：116-125.

[12]全明威.滇中引水洞IV類水平層狀圍巖爆破超挖機理及控制技術(shù)研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2023.

[13]黃高翔，許國慶，姚強，等.小斷面隧洞聚能水壓光面爆破試驗[J].爆破，2025，42（1）：89-96.

[14]吳瑋琛，郤保平，尚思遠.水壓光面爆破中水袋分布對圍巖損傷特性的影響研究[J].工程爆破，2023，29（5）：72-78.