高地應力互層軟巖隧道爆破控制技術研究

朱耀璋

(中鐵十四局集團第三工程有限公司 濟寧市 272100)

0 引言

在爆破施工中，準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]。周邊眼的爆破質量，可以直接反映隧道爆破的成形效果。在實際運用中，普通的爆破方式難以達到理想的爆破效果，實際工程中隧道的控制爆破主要為預裂爆破和光面爆破[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定性，可以充分發揮圍巖自身的承載力。姚洪瑞[4]以巖屋沖一號隧道為依托，針對現場富水軟巖工程特性提出短進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；張運良等[5]以某實際隧道工程為背景，采用ANSYS/LS-DYNA對軟弱夾層隧道的光面爆破效果進行研究，最終提出一種概化模型可運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，并根據光面爆破評價標準優化爆破方案；劉墩文等[7]以某山嶺隧道為背景，類比相關工程并結合現場地質提出一種穿越破碎帶斷層的山嶺隧道光面爆破方案。

目前國內關于高地應力作用下隧道爆破施工的研究還較少，而關于互層隧道爆破控制技術的掌控還不是很全面，爆破動力學課題的研究，由于影響因素多，研究過程復雜，試驗費用高，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。

1 工程背景

尖山隧道位于甘肅省白銀市平川區大營水至水泉鎮附近，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)，隧道進出口淺埋段長約300m。地層巖性主要為沉積巖、變質巖兩種巖性。主要包括志留系下馬溝營組變質砂巖夾千枚巖、砂巖夾片巖、板巖互層等。地應力測試結果顯示隧道洞軸線附近地應力值最高為21.08MPa，按照《工程巖體分級標準》，隧道所處為高地應力區域。

2 互層軟巖隧道周邊眼爆破控制數值模擬

2.1 計算模型

數值模擬在實際工況的基礎之上再加之簡化，進行建模計算。光面爆破的周邊眼炮孔布置在隧道輪廓線上，建模在考慮實際斷面的同時需要考慮光爆層厚度。因為依托工程為大斷面馬蹄形隧道，隧道的開挖寬度為13.36 m，隧道的開挖高度為11.74 m，考慮周邊眼炮孔數量及模型的網格數量，取隧道上臺階5.36 m高度為研究對象，設置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對動力分析結果的影響，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，模型網格情況見圖2，巖體及軟弱夾層材料參數見表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

2.2 工況設置

根據對互層軟巖光面爆破中周邊眼的控制進行模擬計算分析，對比在不同的炮眼直徑、炮眼間距下，隧道的超欠挖程度，根據結果選出最優的控制超欠挖的光面爆破參數，以此作為指導現場爆破施工的依據。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 光爆控制數值模擬工況

2.3 計算結果分析

數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計輪廓線進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計隧道輪廓線進行對比，得出各工況超欠挖的數據，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的爆破模型基礎上，通過對工況1的周邊眼炮眼直徑和炮眼間距進行調整，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行對比分析，得到：

工況2至工況5，單點線性最小超挖均出現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 工程應用

根據之前分析，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中光面爆破參數對爆破方案進行優化。現場采用Leica TCA全站儀對爆后隧道超欠挖情況進行監測，圖5為采用優化后的光面爆破參數情況下隧道輪廓面典型成形狀況，由于地應力和次生裂隙面的影響，現場最大線性超挖值較數值模擬結果偏大，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定的重要指標，采用優化爆破參數前后的隧道拱頂沉降和拱腰收斂對比如圖6所示，橫坐標為監測天數。采用優化光面爆破參數后，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%，之后圍巖趨于穩定。

圖6 爆破參數優化前后圍巖位移量對比

4 結論

對互層軟巖隧道光面爆破的超欠挖控制進行了研究，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行模擬計算，并得到以下結論：

(1)隧道爆破主要的兩種方式分別為預裂爆破和光面爆破。預裂爆破由于在實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，因為可以更好地控制超欠挖得以廣泛的使用。

(2)對控制互層軟巖隧道光面爆破的超欠挖進行了研究，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行模擬計算，發現當在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)互層圍巖的地質特點導致圍巖在施工爆破后易沿結構面及軟弱破壞面破壞，形成較難人為控制的超欠挖現象，從炮孔布置、裝藥結構和裝藥量等方面優化和完善控制爆破技術，采用優化光面爆破參數后，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%。