垂直節(jié)理巖體隧道掘進開挖周邊孔參數(shù)優(yōu)化研究

關瑞士，王 剛，張仁坤，冉 立，周靖堯

（中海建筑有限公司，廣東 深圳 518000）

鉆爆法是我國隧道主要的開挖方法，具有經(jīng)濟高效的特點，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體存在結構面，致使應力波在傳播過程中有反射、折射現(xiàn)象，增大兩節(jié)理間的有效應力，造成局部出現(xiàn)更大的超欠挖。超欠挖嚴重影響了爆破質(zhì)量，增加了施工成本和減緩了施工進度。因此，研究自然界中存在節(jié)理裂隙隧道爆破控制技術，對于減少超欠挖十分重要。

目前，國內(nèi)外學者對此展開了大量的研究，朱紅兵等[1]運用爆轟波理論對空氣間隔裝藥爆破炮孔內(nèi)的爆轟產(chǎn)物的運動及其相互作用過程進行了推導與分析，解釋了空氣間隔裝藥技術的作用機理，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)做間隔物時周邊孔爆破效果，并與常規(guī)空氣間隔爆破進行對比得出最優(yōu)的爆破裝藥結構。文獻[3-6]通過理論分析和現(xiàn)場試驗的方法，針對層狀巖隧道拱頂超挖嚴重、邊墻存在欠挖的問題，從炮孔間距、裝藥量和裝藥結構等方面優(yōu)化了光面爆破參數(shù)，對比分析優(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，驗證了掘進爆破優(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)對巖石損傷分布和孔壁壓力分布的影響進行了研究。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)對爆破效果影響顯著，節(jié)理發(fā)育程度和爆破效果是負相關關系且在節(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)對爆破效果的影響，發(fā)現(xiàn)填充介質(zhì)時節(jié)理面的反射拉伸波弱于不填充介質(zhì)的，且填充介質(zhì)時端部裂紋發(fā)展更充分。

上述研究對隧道爆破周邊孔間隔裝藥、不耦合裝藥進行了詳細的研究，同時，也對存在節(jié)理面巖體爆破應力波的傳播、節(jié)理間距、節(jié)理數(shù)量和節(jié)理填充介質(zhì)對爆破效果的影響進行了多方面的分析。但對存在節(jié)理裂隙巖體爆破時的超欠挖現(xiàn)象的研究較少。本文考慮了巖體存在垂直節(jié)理裂隙對爆破應力波傳播的影響，分析了不同不耦合系數(shù)和周邊孔間隔裝藥結構在節(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)場提供指導。

1 工程概況

1.1 現(xiàn)場概況

天城壩隧道為雙線分離式結構，右線全長4 280 m，起止樁號為K108+210—K112+490；左線全長4 258 m，起止樁號為ZK108+250—ZK112+508，均屬于特長隧道，且最大埋深518.41 m。隧道位于桑場背斜北東翼，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)場采用上下臺階爆破開挖，開挖斷面面積為98 m2，上臺階高7 m，下臺階高2.59 m。上臺階打孔97 個：其中解炮眼2 個，孔深3 m；掏槽眼12 個，孔深4.8~4.9 m（鉆頭長5 m）；輔助眼38 個、周邊眼36 個、底眼9 個，孔深4.2~4.3 m（鉆頭長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。

1.2 巖體參數(shù)確定

巖樣取自天城壩隧道施工現(xiàn)場，據(jù)巖石力學學會要求，將巖樣制作成φ50 mm×100 mm 標準試件。開展靜力學實驗，測得板巖的靜力學參數(shù)見表1。

表1 板巖靜力學參數(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產(chǎn)生很大的應變。然而HJC 模型適用于大變形、高應變的巖石，其綜合考慮了應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，其相關參數(shù)[10-13]見表2。

表2 HJC 相關參數(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。相關參數(shù)[14-15]見表3。

表3 炸藥相關參數(shù)

2.1.3 空氣、節(jié)理

空氣作為流體材料，需結合本構方程和狀態(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 為體積應變；P1、P2、P3 為與體積應變對應的壓力。

表4 炮泥相關參數(shù)

2.2 模型建立

含垂直節(jié)理隧道在爆破掘進過程中，周邊孔對爆破效果影響顯著，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)動防控方法對周邊孔數(shù)進行優(yōu)化。目前天城壩隧道周邊孔不耦合裝藥結構如圖1（a）所示，空氣間隔裝藥結構如圖1（b）所示，藥卷直徑為32 mm。

圖1 裝藥結構

建立以周邊孔為研究對象的三維模型，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 結果分析

3.1 不耦合系數(shù)對爆破的影響規(guī)律

在隧道施工中，采取耦合裝藥的方式會使炸藥利用率最高，但對孔壁周圍巖石破壞較嚴重，會形成很大的粉碎區(qū)。因此在隧道施工中多采用不耦合裝藥。空氣不耦合裝藥通過在炮孔內(nèi)填充空氣，對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度減小，作用時間增長，從而提高爆破效率。

3.2 不同不耦合系數(shù)爆破效果對比

巖體中節(jié)理裂隙的存在使爆炸應力波傳播至結構面時會發(fā)生反射、投射現(xiàn)象，導致爆炸應力波衰減，抑制了垂直于節(jié)理方向應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)對炸藥在爆炸時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，應力波傳播過程中被反射，增加了炮孔周圍有效應力，使粉碎區(qū)范圍明顯有平行于節(jié)理裂縫方向擴大的趨勢，粉碎區(qū)范圍呈現(xiàn)為矩形。K=1.81 時，由于大量空氣的存在，阻礙應力波的傳播，明顯減小了作用于孔壁的峰值應力。

圖2 不同K 值的損傷云圖

取不同K 值下各模型260~600 μs 時間段巖石內(nèi)部應力圖，可清晰觀察到爆破應力波作用下巖石內(nèi)部應力變化。在159 μs 時，不同K 值模型的應力分布出現(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K=1.31~1.56 時，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，大量的空氣嚴重削減了爆炸能量，導致沒有足夠的能量破碎巖石。在599 μs 時，K=1.31 的應力最大，K=1.56 應力第二，耦合裝藥應力第三，因為耦合裝藥較大沖擊波直接作用孔壁，產(chǎn)生強烈粉碎巖石作用，減小了應力，K=1.81 應力最小。所以，取K=1.31 時爆破效果最好。

3.3 空氣間隔裝藥結構優(yōu)化

3.3.1 三段裝藥

通過不同不耦合系數(shù)的對比得到含垂直節(jié)理隧道爆破在K=1.31 時裝藥結構最優(yōu)，但現(xiàn)場采用周邊孔連續(xù)裝藥爆破后產(chǎn)生的應力過大，浪費炸藥，也造成超欠挖嚴重。因此，為得到裝藥結構的最優(yōu)設計參數(shù)，通過調(diào)整炮孔兩端空氣介質(zhì)長度得到3 種裝藥結構，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構的最優(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 處單元的最大拉應力進行分析，并與表1 中巖石的抗拉強度對比，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 處的拉應力開始增加，距離掌子面2、2.5、2.8、3.3 m 處的峰值應力逐漸減小。當孔底空氣介質(zhì)D=0.6 m 時，孔口的拉應力峰值不能達到巖石的抗拉強度，此時，孔口巖石不能有效破碎，導致拋擲困難；當D=0.9 m、D=1.2 m 時，孔底抗拉強度低于巖石的抗拉強度，不能滿足3.3 m 循環(huán)進尺的施工要求。

圖3 有節(jié)理的炮孔連線中部單元峰值應力

3.3.2 四段裝藥

將空氣介質(zhì)間隔數(shù)量增加到3 個，藥量保持不變（表6）。同理為了得到最優(yōu)的裝藥設計參數(shù)，對于3 種四段間隔裝藥結構進行模擬，發(fā)現(xiàn)裝藥結構不同，起爆后炸藥的應力變化也不同。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D<2 m時，峰值抗拉強度逐漸增加，在D=2 m 時峰值抗拉強度最大，然后開始減小。當孔底空氣介質(zhì)長度為0.3 m時，由于孔口空氣介質(zhì)長度過大，應力波被空氣介質(zhì)大量消耗，導致孔口巖石不能有效破碎，當孔底空氣介質(zhì)長度為0.9 m 時，由于孔底空氣柱過長，孔底的峰值抗拉強度達不到巖石抗拉強度，不能滿足3.3 m 的循環(huán)進尺要求。

圖4 有節(jié)理的炮孔連線中部單元拉應力峰值

表6 四段裝藥參數(shù)

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

4 現(xiàn)場應用

為對上述研究進行驗證，本文通過對天城壩隧道進行現(xiàn)場試驗。采用不耦合裝藥系數(shù)K=1.31，孔底空氣介質(zhì)長度為0.6 m，孔口空氣介質(zhì)長度為0.6 m 的四段間隔裝藥結構能夠保證3.3 m 循環(huán)進尺的施工要求，且使爆破能量更均勻地作用于巖體。周邊孔裝藥結構和爆破參數(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 結論

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

2）對空氣間隔裝藥結構參數(shù)進行優(yōu)化得到當周邊孔采用三段間隔裝藥結構不能滿足3.3 m 的循環(huán)進尺要求，采用孔底和孔口空氣介質(zhì)長度均為0.6 m 的裝藥結構最合適，能夠滿足施工設計要求。

3）對于周邊孔孔底、孔口空氣介質(zhì)長度均為0.6 m的四段間隔裝藥結構，將理處周邊孔至隧道設計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。