鐵路隧道機(jī)械化裝藥掏槽爆破參數(shù)的優(yōu)化

Parameter Optimization of Mechanized Charging Cut Blasting in Railway Tunnel Construction

GAO Xuan ^（D2） ， YIN Xunjang②， WANG Shuaishai②， MA Logang ^{（1）（2）} ， GU0 Yabin② （204 ① CCCC Second Highway Engineering Co.，Ltd.（Shaanxi Xi'an，710065） ② Research and Development Center on Construction Technology of Long Bridge and Tunnel in Mountain Areas，CCCC（Shaanxi Xi'an，710199）

[ABSTRACT]Inorderto realize theapplicationof intellgent blasting technology intunnels，parameteroptimizationof mechanized chargingcut blasting inrailway tunnel blasting construction wasstudied.Therange of spacing between the hollowhole andthecentral of the holow hole has beendeterminedthrough theoretical calculations.UsingLS-DYNA numerical simulation software，simulation studies were conductedon blasting schemes with a distance of 12.5，22.5cmand 42.5cm betweenthecenterof the hollow holeand the hollow hole within the theoretical range.Efective stress，damage evolution， andblasting vibrationofthebotomcrosectioofthehole，crosectioatadistanceof1/2ofthelengthof theblasthole fromthe detonation center，and thecrossectionat the orifice ineach simulation scheme were analyzed.The results show thatas the distance betweenthecentral hollow holeand the holow hole increases，thepeak effective stress andthedamage areain hecuting areashow atrend offirst increasing and then decreasing，andtheaverage blasting vibration velocity showsadecreasingtrend.Thetheslot penetration gradually becomes worse.Aftercomprehensive analysis ofthree blasting models，the distance between the center cut hole andthe hollow hole was determined tobe2.5cm.Afterapplying theoptimizedblastingparameters toon-siteblasting，itwasfoundthattherock fragmentationratesignificantlydecreased，withan average linear over excavation reduction of 19.23% . The blasting outcome was good.

[KEYWORDS]mixed explosive；distance between empty holes and cavity holes；porosity effect；numerical simulation; effective stress

0 引言

鉆爆法因高效、經(jīng)濟(jì)的優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于我國山嶺隧道的建設(shè)中，但相較目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)機(jī)械化或通過5G技術(shù)遠(yuǎn)程操作機(jī)器實(shí)現(xiàn)自動化、智能化的通風(fēng)、支護(hù)、裝碴、運(yùn)輸?shù)裙ば?，裝藥、爆破工序仍以人工作業(yè)為主。為實(shí)現(xiàn)隧道全工序智能化施工，可采用乳化炸藥隧道智能裝藥車對山嶺鐵路隧道進(jìn)行鉆爆開挖。而在鉆爆法中，掏槽爆破是隧道爆破的核心，既決定著光爆效果，又控制著施工成本。因此，合理優(yōu)化機(jī)械化裝藥的爆破參數(shù)，對隧道智能爆破技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對爆破參數(shù)設(shè)計(jì)開展了大量工作。理論計(jì)算方面，Yang等提出了爆破載荷下圍巖的損傷本構(gòu)模型;Park等[2]研究了間隔裝藥與爆破振動的關(guān)系；王從銀[3根據(jù)直眼掏槽破巖機(jī)理，提出了空孔與裝藥孔間距的理論計(jì)算公式；戴俊等[4-5]提出了高應(yīng)力條件下原巖定向斷裂爆破技術(shù)的設(shè)計(jì)方法；謝泰極基于隧道爆破掏槽技術(shù)，推導(dǎo)了直孔掏槽炮孔中心至空孔中心距離的計(jì)算公式。數(shù)值模擬方面，陳亮、張奇等8通過有限元軟件分析并優(yōu)化了掏槽孔的布孔形式及爆破參數(shù)，并通過現(xiàn)場試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證；鄭彥濤等9利用有限元模擬軟件，得到了空氣間隔裝藥對爆破振動的減弱作用;秦桂芳等[1]通過LS-DYNA有限元軟件對徑向不耦合裝藥系數(shù)及周邊眼間距等爆破參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，獲取了優(yōu)化參數(shù)條件下的爆破成型預(yù)測結(jié)果。爆破損傷方面，唐海等11建立了不同等爆源距數(shù)值模型，提出了爆破振速放大效應(yīng)與圍巖損傷結(jié)合的模型;劉陽等[12]研究發(fā)現(xiàn)了靜水地應(yīng)力工況下地應(yīng)力對巖石爆破損傷演化的抑制作用。綜上所述，國內(nèi)外學(xué)者對乳化炸藥藥卷的爆破參數(shù)、破巖機(jī)理、布孔形式、爆破效果等方面進(jìn)行了廣泛、深入的研究，而對鐵路隧道直孔掏槽混裝炸藥爆破參數(shù)的研究較為匱乏。

以西藏某在建鐵路隧道工程為研究背景，根據(jù)三臂智能鑿巖臺車的鉆孔速度、掘進(jìn)工序確定空孔及掏槽孔的孔徑、孔深及間距；通過智能裝藥車輸藥參數(shù)確定裝藥長度、裝藥密度等爆破參數(shù)；進(jìn)而采用LS-DYNA軟件建立多孔毫秒延遲爆破條件下，空孔與掏槽孔不同間距的直眼掏槽光面爆破模型，量化分析不同掏槽參數(shù)下硬巖的動態(tài)應(yīng)力、圍巖振動響應(yīng)、爆炸應(yīng)力云圖、損傷云圖、槽腔擴(kuò)展過程等；并在現(xiàn)場進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，最終為硬巖爆破參數(shù)的確定提供參考。

工程概況

1.1 工程地質(zhì)

某鐵路隧道所在區(qū)域的地形、地貌受到區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造的控制，山脈總體走向與構(gòu)造線一致，隧址區(qū)地勢總體為北高南低。試驗(yàn)地段隧址區(qū)底層巖性以片麻狀花崗閃長巖、花崗巖等侵入巖體為主，整體性好，致密堅(jiān)固，隧道圍巖主要為IⅢI級和IV級圍巖，巖石的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

1.2 機(jī)械化裝藥施工

該工程采用的混裝炸藥制備工藝為：根據(jù)硝銨炸藥配比，在制備站將硝酸銨水溶液、燃料油及乳化劑混合制成乳膠基質(zhì)；待炸藥及智能裝藥車入場后，將乳膠基質(zhì)輸送至裝藥車儲罐內(nèi)；再將敏化劑輸送至敏化劑儲罐內(nèi)，通過伺服混裝系統(tǒng)調(diào)節(jié)混裝炸藥的密度，進(jìn)而得到成品乳化炸藥；最終，由伺服電機(jī)驅(qū)動，將乳化炸藥泵送至炮孔中。

裝藥流程工藝如圖1（a）所示。

當(dāng)現(xiàn)場完成鉆孔、排險(xiǎn)等工序后，隧道智能裝藥車進(jìn)人工作面進(jìn)行裝藥?；煅b炸藥含水量較高，爆炸感度較低。因此，將單卷 2^# 巖石乳化炸藥作為起爆藥包，與雷管一起裝入炮孔底部；然后，通過輸藥管將混裝炸藥泵送至炮孔內(nèi)。

裝藥流程如圖1（b）所示。

2 中空孔直眼掏槽爆破關(guān)鍵參數(shù)的計(jì)算

2.1 空孔效應(yīng)分析

在掏槽爆破中，空孔會引起周邊巖石應(yīng)力場發(fā)生變化，進(jìn)而增強(qiáng)掏槽孔的爆破作用，此即為空孔效應(yīng)，如圖2所示?？湛仔?yīng)分為空孔卸壓效應(yīng)、自由面效應(yīng)、應(yīng)力集中效應(yīng)以及碎脹空間效應(yīng)[13] 。

1-炮孔；2-裂隙區(qū)；3-拉伸破壞區(qū);4-空孔；5-環(huán)向裂隙;6-徑向裂隙；7-爆生裂紋。

2.2 掏槽孔與空孔間距

根據(jù)彈性力學(xué)理論，得到空孔孔壁處最大反射拉應(yīng)力為

式中： L 為炮孔中心與空孔中心的間距； r₂、r_b 分別為空孔半徑及炮孔半徑； λ，α 分別為側(cè)應(yīng)力系數(shù)和應(yīng)力波衰減系數(shù)； p 為炮孔孔壁處的投射壓力。

為保證巖石能被破壞，需滿足 σ_emax?σ_e ，由此 可得

式中： σ_e 是巖石抗拉強(qiáng)度。

該工程中，混裝乳化炸藥實(shí)測爆速為 4200m s，炮孔直徑為 48mm ，將各參數(shù)代人式（2），計(jì)算得出 L?580mm 。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 計(jì)算模型

根據(jù)現(xiàn)場爆破設(shè)計(jì)方案，提取掏槽區(qū)域炮孔布設(shè)位置，如圖3所示。以圖3為基本設(shè)計(jì)，根據(jù)2.2節(jié)建立3個模型

模型1：掏槽孔 ① 與中空孔 ② 間距為 12.5cm ：中空孔 ② 與掏槽孔 ③ 間距為 37.5cm ;掏槽孔 ③ 與掏槽孔 ④ 間距為 100.0cm ;掏槽孔 ④ 與掏槽孔 ⑤ 間距為 115.2cm 。

模型2：掏槽孔 ① 與中空孔 ② 間距為 22.5cm ：中空孔 ② 與掏槽孔 ③ 間距為 37.5cm ;掏槽孔 ③ 與掏槽孔 ④ 間距為 100.0cm ;掏槽孔 ④ 與掏槽孔 ⑤ 間距為 105.2cm 。

模型3：掏槽孔 ① 與中空孔 ② 間距為 42.5cm ：中空孔 ② 與掏槽孔 ③ 間距為 37.5cm ;掏槽孔 ③ 與掏槽孔 ④ 間距為 100.0cm ;掏槽孔 ④ 與掏槽孔 ⑤ 間距為 85.2cm 。

建立尺寸為 1 200cm×1 318cm×370cm 的數(shù)值模型。巖體采用Lagrange網(wǎng)格。炸藥和空氣采用Euler網(wǎng)格。巖體和空氣采用流-固耦合算法，設(shè)置關(guān)鍵字 和 * Non_Reflecting，在模型縱向前、后施加法相約束，其余面設(shè)置無反射邊界條件?，F(xiàn)場通過智能裝藥車調(diào)整混裝乳化炸藥的藥量，最終設(shè)計(jì)掏槽孔的單孔藥量為 5.46kg ，擴(kuò)槽孔的單孔藥量為 4.26kg ，炸藥起爆點(diǎn)設(shè)置于炮孔底部。如圖4所示。

3.2 材料參數(shù)

模型采用3種材料。

巖石材料選用*Mat_Johnson_Holmquist_Ce-ramics本構(gòu)模型，損傷狀態(tài)分為線彈性區(qū)加載和卸載狀態(tài)、塑性過渡區(qū)加載和卸載狀態(tài)、完全密實(shí)區(qū)加載和卸載狀態(tài)。損傷演化模型方程：

式中： Δε_p 和 Δμ_p 分別為等效塑性應(yīng)變增量和塑性體積應(yīng)變; ε^f_p+μ_p^f 為常壓破壞時的塑性應(yīng)變； p^* 為標(biāo)準(zhǔn)化凈水壓力； T^* 為材料所能承受最大標(biāo)準(zhǔn)化抗拉強(qiáng)度; D₁ 和 D₂ 為材料損傷因子； ε_pmin 為材料發(fā)生斷裂時最小塑性應(yīng)變。

巖石的狀態(tài)方程參數(shù)如表2所示。

炸藥選用* Mat_High_Explosive 本構(gòu)模 型，采用EOS_JWL狀態(tài)方程，即

式中： p 是爆轟產(chǎn)物內(nèi)部壓力; V 是相對體積; A，B R₁、R₂ 和 ω 都是炸藥相關(guān)常數(shù)； E₀ 是初始比內(nèi)能

現(xiàn)場混裝乳化炸藥材料和狀態(tài)方程參數(shù)如表3^[14] 所示。

表2 花崗片麻巖 HJC 本構(gòu)模型參數(shù)

空氣選用 模型，采用 * EOS_Linear_Polynomial狀態(tài)方程，即

p=C_L0+C_L1δ+C_L2δ²+C_L3δ³+（C_L4+C_L5μ+C_L6μ²）e_2°

式中：δ為體積比系數(shù)， δ=1/V-1;p 為壓力； e₂ 為單位體積空氣內(nèi)能； C₀～C₆ 為相關(guān)參數(shù)。

在模擬中，假設(shè)空氣為理想氣體，主要參數(shù)如表4所示。

4模擬結(jié)果及分析

4.1 有效應(yīng)力分析

計(jì)算后，可得到3個模型的力學(xué)參數(shù)及Mises有效應(yīng)力云圖。圖5為模型1中孔底截面（0-0截面）、距起爆中心1/2炮孔長度截面（1-1截面）孔口截面（2-2截面）對應(yīng)時刻的二維Mises有效應(yīng)力云圖。

根據(jù)圖5可知：在掏槽孔起爆后，0-0截面有效應(yīng)力沿徑向迅速增大；隨著后段炸藥的起爆，最大有效應(yīng)力呈現(xiàn)先驟增至峰值、后逐漸減小的變化趨勢；在 600ms 時，整個截面有效應(yīng)力呈均勻分布。而圖6為3個模型起爆中心截面的有效應(yīng)力曲線。由圖6可知，模型2的掏槽孔 ① 和中空孔 ② 間距為 22.5cm ，掏槽爆破過程中有效應(yīng)力在 200ms 時達(dá)到峰值，為 1102.62MPa ;模型1和模型3掏槽孔 ① 和中空孔 ② 間距分別為 12.5cm 和 42.5cm ，峰值有效應(yīng)力出現(xiàn)在 300ms 時刻，分別為1020.30MPa 和 952.25MPa ，變化幅度較模型2分別減小7.47% 和 13.64% 。

1-1截面和2-2截面分別在 200ms 和 400ms 時，截面有效應(yīng)力開始增大；但隨著與起爆中心距離增加，掏槽區(qū)域的有效應(yīng)力迅速衰減。

因此，無論掏槽孔與中空孔間距為多少，截面Mises有效應(yīng)力均與時間呈二次函數(shù)關(guān)系；峰值有效應(yīng)力及變化速率隨掏槽孔與中空孔間距的增大呈先增大、后減小的變化趨勢。故在理論上，掏槽孔與中空孔存在最佳間距。

4.2 損傷區(qū)的產(chǎn)生及擴(kuò)展

將計(jì)算得到的損傷云圖導(dǎo)人ImageJ圖像處理軟件，分割RGB（紅綠藍(lán)像素）通道，提取損傷區(qū)域的ROI（記錄位置選區(qū)），降噪后得到各截面的損傷區(qū)面積如圖7所示

由圖7可得，3個模型的損傷面積由大到小的次序均為：2-2截面、1-1截面、0-0截面。在 0～600 ms內(nèi)，3個截面損傷面積的增長趨勢有所差別：0-0截面隨爆破時間的增加呈對數(shù)型增長；1-1截面隨爆破時間的增加先呈冪指關(guān)系增長、后呈對數(shù)型增長；2-2截面隨爆破時間的增加呈冪指關(guān)系增長。因此，采用反向起爆（起爆點(diǎn)位于炮孔底部）時，爆破損傷分布形如正漏斗，孔口巖體損傷范圍要大于孔底位置，由此證明爆炸能量會偏向爆轟波傳播的正向運(yùn)輸。

統(tǒng)計(jì)得到 600ms 時3個模型各截面的損傷面積如圖8所示。

由圖8可知，各截面的損傷面積隨著中心掏槽孔與中空孔間距的增大呈現(xiàn)先增、后減的變化趨勢。當(dāng)掏槽孔 ① 和中空孔 ② 間距為 22.5cm 時，模型2的0-0截面、1-1截面和2-2截面的損傷面積分別為4.36m² 、 5.64m² 和 5.82m² ，較模型1分別增大了20.41% 、 21.88% 和 12.50% ，較模型3分別增大了14.62% 、 9.89% 和 3.45% 。由于中空孔直孔掏槽巖體的損傷主要與爆炸應(yīng)力入射波與空孔孔壁處的反射波疊加有關(guān)，當(dāng)中心掏槽孔與中空孔的間距超過某一閾值后，應(yīng)力波疊加區(qū)域會迅速衰減，導(dǎo)致巖體爆破后的大塊率增加。但這并不會降低掏槽的效果。實(shí)際上，掏槽區(qū)的大塊巖石會因自重而掉落。

4.3 爆破振動規(guī)律分析

爆破產(chǎn)生的地震波由遠(yuǎn)及近逐漸由體波轉(zhuǎn)化為面波，并向外傳播。為探究不同斷面處地震波造成的巖體振動變化規(guī)律，選取距離起爆中心0（0-0截面） ?1.85m （1-1截面）和 3.70m（2-2 截面）處隧道輪廓的峰值振速的分布規(guī)律，如圖9所示。

根據(jù)圖9可得，隧道掏槽區(qū)爆破時，在拱頂和拱腰處地震波振速較小，而在拱腳和底板處地震波振速較大。這是由于開挖的隧道為三心圓結(jié)構(gòu)，在隧道的拱腳處產(chǎn)生應(yīng)力集中。根據(jù)應(yīng)力波理論，某點(diǎn)應(yīng)力與波阻抗成正比關(guān)系，故而拱腳處的峰值振速較大；而底板處由于爆破開挖導(dǎo)致應(yīng)力重分布，出現(xiàn)卸荷回彈現(xiàn)象，底板應(yīng)力波的傳播被一定程度放大，故底板處質(zhì)點(diǎn)的振速較大。

3個模型各截面特征位置處振速的變化規(guī)律如表5所示。隨著中心掏槽孔與中空孔間隔距離的增大，拱腳處0-0截面的振速變化不大；拱腳處1-1截面振速呈先驟減、而后趨于平穩(wěn)的變化趨勢；拐點(diǎn)位置出現(xiàn)在掏槽孔和空孔間距為 22.5cm 時（模型2）。由此說明，爆破振速與掏槽炮孔和中空孔間距整體成反比關(guān)系。模型2中，由于爆破產(chǎn)生了較大的破碎區(qū)域，導(dǎo)致應(yīng)力釋放速度加快，從而振速衰減較快。

經(jīng)過不同中心掏槽孔與中空孔間距的有效應(yīng)力分析、損傷分析和爆破振動分析，確定了鐵路隧道機(jī)械化裝藥中心掏槽孔和中空孔的最優(yōu)炮孔參數(shù)為22.5cm 。

施工現(xiàn)場通過調(diào)整BoomerE3C三臂智能鑿巖臺車的鉆孔速度及掘進(jìn)壓力，精確控制空孔及掏槽孔的孔徑、孔深及間距。以此為基礎(chǔ)，將數(shù)值模擬得到的最優(yōu)爆破參數(shù)應(yīng)用至現(xiàn)場隧道爆破施工中，與原爆破參數(shù)產(chǎn)生的爆破效果進(jìn)行對比，深人分析中空孔直孔掏槽爆破參數(shù)的優(yōu)化對隧道爆破開挖效果的影響。具體爆破參數(shù)如表6所示。

在隧道右洞和隧道左洞分別采用原爆破參數(shù)和優(yōu)化后的爆破參數(shù)進(jìn)行5個循環(huán)進(jìn)尺的爆破開挖，獲得爆破開挖斷面。爆破工序結(jié)束后，采用三維激光掃描開挖輪廓面，如圖10所示?？梢钥闯?，通過調(diào)整中心掏槽孔與中空孔間距等優(yōu)化措施，破碎巖體的大塊率顯著下降

5個進(jìn)尺循環(huán)掌子面的超挖、欠挖數(shù)據(jù)見表7和表8。由表7、表8可知：采用原設(shè)計(jì)的光面爆破參數(shù)，隧道斷面平均超挖面積為 3.567m² ，平均線性超挖為 17.58cm ;優(yōu)化后隧道斷面平均超挖面積為 2.876m² ，平均線性超挖為 14.20cm 。對比原設(shè)計(jì)，隧道斷面平均超挖面積降低了 19.37% ，平均線性超挖降低了 19.23% ，爆破效果良好。同時，優(yōu)化后的爆破參數(shù)能有效降低破碎巖體的大塊率，減少圍巖擾動等，充分發(fā)揮了圍巖的強(qiáng)度和自穩(wěn)能力，確保了施工安全。

6結(jié)論

以某鐵路隧道機(jī)械化裝藥施工為背景，基于空孔效應(yīng)分析，根據(jù)彈性力學(xué)理論，計(jì)算得到中心掏槽孔與中空孔的最大理論間距。通過LS-DYNA有限元數(shù)值模擬方法，分析了掏槽孔和中空孔間距對隧道爆破效果的影響，得出的主要結(jié)論如下：

1）隨著中心掏槽孔與中空孔間距的增大，Mises峰值有效應(yīng)力及變化速率呈先增大、后減小的變化趨勢。中心掏槽孔與中空孔的間距為 22.5cm 時，掏槽爆破過程中，有效應(yīng)力在 200ms 時達(dá)到峰值，為1 102.62MPa 。2）隧道掏槽區(qū)爆破時，在拱頂和拱腰處，地震波振速較??；而在拱腳和底板處，地震波振速較大。隨著中心掏槽孔與中空孔間距的增大，拱腳處1-1截面爆破振速呈先驟減、后平穩(wěn)的變化趨勢；而底板處爆破振速均勻減小。3）采用混裝乳化炸藥進(jìn)行鉆爆施工時，當(dāng)中心掏槽孔與中空孔的間距為 22.5cm 時，隧道斷面的超挖面積降低了 19.37% ，平均線性超挖降低了19.23% ；同時，有效降低了破碎巖體的大塊率，減少了圍巖擾動等，充分發(fā)揮了圍巖的強(qiáng)度和自穩(wěn)能力?？傮w上，對鐵路隧道機(jī)械化裝藥中心掏槽孔和中空孔間距等爆破參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。將研究結(jié)果應(yīng)用于現(xiàn)場實(shí)際工程中，得到較好的爆破效果。對隧道爆破參數(shù)設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)作用。但由于隧道現(xiàn)場工程地質(zhì)的復(fù)雜性，還需對不同圍巖條件下隧道的爆破情況進(jìn)行進(jìn)一步研究，以滿足現(xiàn)場需求。

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