淺孔楔形掏槽爆破技術(shù)在特大斷面小凈距隧道群施工中的應用

張 滿，康欽容，李夢玲，蔣富強，姜永東，劉遠鵬，侯鵬偉，張衛(wèi)中*

1. 武漢工程大學興發(fā)礦業(yè)學院，湖北 武漢430074；

2. 中鐵隧道集團二處有限公司，河北 三河 065201；

3. 重慶大學資源與安全學院，重慶 400044

在特大斷面小凈距隧道群中進行掘進施工作業(yè)時，爆破振動強度過大不僅會引起隧道及相鄰隧道斷面發(fā)生大變形，而且會導致隧道已建成的支護結(jié)構(gòu)和中隔墻發(fā)生失穩(wěn)或破壞，所以在采用鉆爆法時應將爆破振動強度嚴格控制在安全標準以下［1］。多級楔形掏槽爆破具有炮孔鉆眼小、掏槽體積大、炸藥及雷管等單耗較小，且鉆孔設備操作簡單和施工作業(yè)技術(shù)要求低等優(yōu)點，故在大斷面隧道施工過程中被廣泛使用［2］。為使得楔形掏槽爆破技術(shù)能更好的服務于工程項目，諸多專家學者對此展開研究。何闖等［3］在研究中發(fā)現(xiàn)第2、3 級掏槽在5 級掏槽孔布設中是掏槽振速控制的重點，其中第3 級掏槽孔深度宜最大；楊國梁等［4］研究認為復式楔形掏槽爆破有利于炮孔底部巖體的破碎；鄒新寬等［5-6］認為楔形分段掏槽爆破方法可有效降低爆破振動強度，確保隧道施工效率；凌同華等［7］研究得出菱形楔形掏槽爆破技術(shù)形成的多級多段掏槽爆破應力波能有效提高硬巖破碎效率；廖濤等［8］發(fā)現(xiàn)切縫藥包楔形掏槽爆破在巖性變化較大的巖巷中使用能獲得更好的掏槽效果。以上從爆破參數(shù)、掏槽方式、裝藥結(jié)構(gòu)等方面對楔形掏槽爆破在隧道施工中的應用與減振機理的研究還比較全面，但缺乏針對楔形掏槽爆破在特大斷面小凈距隧道群施工中的應用研究。本文以貴安新區(qū)騰訊七星數(shù)據(jù)中心項目為工程案例，采用現(xiàn)場爆破振動監(jiān)測與LS-DYNA 數(shù)值模擬計算相結(jié)合的方法，在特大斷面小凈距隧道群施工中采用淺孔楔形掏槽（shallow hole wedge cut，SHWC）爆破技術(shù)。

1 案例工程概況

騰訊貴安七星數(shù)據(jù)中心位于貴安新區(qū)馬場科技場內(nèi)，項目周圍無重要建筑物及設施。隧道沿棲鳳坡山體橫向布置B1-B5 隧道，隧道中心線線間距為46.0 m，隧道硐室長為276.4 m、凈空寬為16.5 m、凈空高為11.7 m，隧道群為小凈距、大斷面結(jié)構(gòu)，巖體節(jié)理發(fā)育，節(jié)理面結(jié)合差，場區(qū)圍巖等級為Ⅴ級圍巖，隧道群平面布置如圖1 所示。

圖1 隧道群平面布置Fig.1 Overall layout of tunnel group

2 SHWC 爆破應用研究

2.1 SHWC 爆破施工

隧道群施工采用中隔-壁法（簡稱CD 法），施工工序如圖2 所示。將隧道分為左、右兩側(cè)導坑平行施工，掌子面錯開長度不得小于50 m，每側(cè)導坑分四步臺階開挖，上、中上、中下臺階分別為5、3、3 m。采用控制爆破法結(jié)合空間錯位爆破進行施工作業(yè)，后行洞爆破施工與先行洞支護結(jié)構(gòu)震動影響監(jiān)控同步進行。

圖2 CD 法施工工序示意圖Fig.2 Schematic diagram of construction process of CD method

（1）爆破器材選定

爆破施工選用2 號巖石乳化炸藥，Φ32 mm×250 mm。采用1~13 段的非電毫秒雷管起爆，引爆器為塑料導爆管。

（2）掏槽形式選定

采用掏槽眼比其他炮孔超深20 cm 的SHWC槽控制爆破，掏槽眼角度取經(jīng)驗值40°~60°。

（3）裝藥結(jié)構(gòu)及堵塞方式

除周邊眼、底板眼采用間隔裝藥結(jié)構(gòu)外，其余眼均采用連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)。采用炮泥堵塞炮眼。

（4）最大段裝藥量計算

根據(jù)減震爆破理論和薩道夫斯基公式［9］，最大段裝藥量的計算公式如下：

式中：Qmax——最大段裝藥量，kg；

V——標準控制振速，m/s；

R——爆源中心到振速控制點距離，取30 m；

K——與爆破技術(shù)、地震波傳播途徑介質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)的系數(shù)，根據(jù)目前圍巖情況取150；

α——爆破振動衰減指數(shù)，取1.5；

其中K、α的取值需要對同類型結(jié)構(gòu)做大量的現(xiàn)場振動測試，再用數(shù)值回歸的方法確定；或者先用數(shù)值模擬的方法估算，然后計算爆破時單段允許最大裝藥量。

（5）爆破主要參數(shù)

爆破設計參數(shù)應根據(jù)現(xiàn)場試驗的震速效果進行調(diào)整，以尋求既滿足震速要求又能提高工效的優(yōu)化設計，根據(jù)實際情況，設計適合施工要求的爆破布置方法，如圖3、圖4 所示，以斷面1 與斷面2為例，爆破法施工的布置參數(shù)設計如表1 所示。

表1 斷面1 與斷面2 爆破施工參數(shù)簡表Tab.1 Construction parameters of section 1 and section 2 blasting

圖3 爆破平面布置示意圖Fig.3 Schematic diagram of blasting layout

圖4 爆破眼孔布置示意圖（單位：m）Fig.4 Schematic diagram of blasting hole layout（unit：m）

（6）振速檢算

根據(jù)減震爆破理論：當邊界條件相同時，爆破開挖的最大振動速度值不取決于一次起爆的總藥量，而決定于某單段的最大用藥量。由表1 可知，單段最大裝藥量Q=3.6 kg，將各參數(shù)代入式（1）中，求得V=0.39 cm/s，小于10 cm/s，滿足《爆破安全規(guī)程》（GB6722—2014）規(guī)定。

2.2 爆破振動現(xiàn)場監(jiān)測

根據(jù)《爆破安全規(guī)程》相關(guān)規(guī)定［10］和工程爆破作業(yè)實際情況，在距離B5 隧道正面出口約70 m 處進行爆破作業(yè)時，為了保證既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)爆破振動速度峰值控制在4.5 cm/s 以內(nèi)，將B5 隧道正面和背面出口、B3、B4 隧道正面出口四處位置設為爆破振動監(jiān)測點，采用L20（速度）型爆破測振儀及配套的速度傳感器對爆破過程中各監(jiān)測點的振速進行監(jiān)測，各監(jiān)測點最大振速監(jiān)測數(shù)據(jù)見表2。

表2 爆破過程中各監(jiān)測點最大振速Tab.2 Maximum vibration velocities of monitoring points in blasting process

從表2 可知：離爆源最近的B5 隧道正面出口，其質(zhì)點振動速度峰值均為當日各監(jiān)測數(shù)據(jù)中最大，受爆破擾動影響最大，最大值為4 月30 日所測，Vmax=2.45 cm/s；其次是B4 隧道正面出口和B3隧道正面出口處的質(zhì)點振動速度；B5 隧道背面出口距離爆源最遠，其質(zhì)點振動速度也最小。

3 SHWC 爆破數(shù)值模擬研究

3.1 有限元模型及算法

由具體施工工序可知，在每個掘進工作面中左上臺階首先起爆，在僅有1 個自由面情況下，爆炸受巖石夾制作用最大，掏槽爆破所引起的振動最大。采用LS-DYNA 建立長寬高（X、Z、Y）為2 m×0.75 m×2 m 的1/2 上臺階掏槽爆破數(shù)值計算模型。炮孔布置如圖5 所示，其參數(shù)為：第一層掏槽孔傾角45°，裝藥長度0.4 m，堵塞長度0.2 m；第2 層掏槽孔傾角60°，裝藥長度0.3 m，堵塞長度0.2 m。掏槽孔內(nèi)連續(xù)裝藥，第一層掏槽孔與第二層掏槽孔延期時間為50 ms，起爆點設置在各裝藥段底部。

圖5 數(shù)值計算模型Fig.5 Numerical calculation model

采用3D_SOLID_164 單元類型建立模型，包含空氣、炸藥、炮泥和巖石等材料類型。為簡化模型，將炮孔簡化為邊長為3.5 cm 的正方形，且不考慮各物質(zhì)間的接觸問題，以共節(jié)點的方式建立有限元模型，數(shù)值計算模型如圖5 所示。

3.2 控制方程及材料參數(shù)

炸藥的控制方程采用ANSYS/LS-DYNA 中的JWL 狀態(tài)方程，此方程定義了爆轟壓力和炸藥單位體積內(nèi)能與相對體積的關(guān)系［11］，其形式如下：

式中：V為相對體積；E0為內(nèi)能，Pa；R2，ω，B，R1和A是5 個描述JWL 方程的獨立物理函數(shù)。炸藥材料選用2 號巖石乳化炸藥，具體參數(shù)［12］選取為：密度1 310 kg·m-3，爆速5 500 m·s-1，壓力9.9 GPa；狀態(tài)方程參數(shù)為A=214.4 GPa，B=0.182 GPa，R1=4.2，R2=0.9，ω=0.15，E0=4.192 GPa。

在LS-DYNA 中空氣單元采用MAT_NULL 材料來模擬，控制方程選用線性多項式狀態(tài)方程［13］，該方程的形式表述為：

式中：P為壓力；C1~C6為相關(guān)常數(shù)；μ為比體積；E為內(nèi)能與初始體積之比。參考相關(guān)文獻選取空氣密度為：1.252 kg/m3，黏滯系數(shù)為17.456×10-6。炮泥和巖石材料單元選用各向異性彈塑性模型。炮泥物理參數(shù)為：密度ρ=1 850 kg·m-3，剪切模量E=20 MPa，泊松比μ=0.28，內(nèi)摩擦角32.1°，黏聚力C=0.18 MPa。巖石材料參數(shù)為：密度ρ=2 040 kg·m-3，剪切模量E=1.8 MPa，泊松比0.38，內(nèi)摩擦角55.8°，抗拉強度3.0 MPa，抗壓強度30 MPa，黏聚力C=1.46 MPa。

3.3 數(shù)值模擬計算結(jié)果分析

圖6 為SHWC 爆破模型在豎直方向上Y=1.05 m 處沿水平切片后得到的被爆巖體內(nèi)部應力波的傳播過程。

圖6 SHWC 爆破過程應力云圖：（a）0.007 8 ms，（b）0.159 3 ms，（c）0.259 8 ms，（d）0.339 74 ms，（e）2.997 8 msFig.6 SHWC blasting process：（a）0.007 8 ms，（b）0.159 3 ms，（c）0.259 8 ms，（d）0.339 74 ms，（e）2.997 8 ms

楔形掏槽爆破掏槽孔孔底一般采取一次起爆［14-16］，孔底水平間距0.2 m。在爆炸傳播過程中不同爆源處產(chǎn)生的爆炸應力波存在明顯的應力相互作用區(qū)域，在t=0.007 8 ms 時炮孔底部爆炸壓縮應力波出現(xiàn)應力疊加現(xiàn)象，有效應力峰值達到117 MPa；當t=0.159 3 ms 時，開始起爆第二排楔形掏槽孔，第一排炮孔周圍巖體受有效應力峰值基本都在100 MPa 以上，此時，因壓縮應力超過被爆巖體動態(tài)抗壓強度，第一排楔形掏槽孔周圍巖體破壞，并以楔形掏槽孔對稱面為中心繼續(xù)向自由面方向傳播；當t=0.259 8 ms 時，一二排掏槽孔周圍出現(xiàn)應力波疊加現(xiàn)象，加速掏槽部分巖體的破壞，促進槽腔形成；當?shù)谝慌判ㄐ翁筒劭變?nèi)的炸藥基本反應完全后，爆炸壓縮應力波以橢球弧面形式繼續(xù)向自由面方向傳播；當t=0.339 7 ms 時，爆炸壓縮應力波被傳遞至自由面，而后又形成反射拉伸波，并使得掏槽部分自由面處巖體發(fā)生拉裂破壞；當t=2.99 7 ms 時，傳播過程中形成的反射拉伸波繼續(xù)向巖體深部方向傳播，并與正向傳播的爆炸壓縮應力波發(fā)生干涉疊加，使得巖石被拉伸和壓縮而發(fā)生破壞。

楔形掏槽孔呈“V”形結(jié)構(gòu)布置，從應力云圖可明顯看出，有效應力主要集中在掏槽孔底部，使得掏槽區(qū)被爆巖體能有效克服周圍巖石的夾制作用，提高楔形掏槽孔起爆效果；且第一層的掏槽孔起爆后形成的槽腔，能為第二層掏槽孔的起爆提供一個新的自由面，可以進一步擴大掏槽范圍。

為進一步研究楔形掏槽爆破效果，沿炮孔底部和炮孔方向分別間隔0.5 、0.3 m 連續(xù)布置4 個和3 個監(jiān)測點（見圖7），各監(jiān)測點的有效應力時程曲線如圖8 所示。

圖7 監(jiān)測點布置圖Fig.7 Layout of monitoring points

圖8 監(jiān)測單元有效應力時程曲線：（a）炮孔底部方向，（b）炮孔方向Fig.8 Effective stress time history curves of monitoring unit：（a）direction of hole bottom，（b）direction of borehole

結(jié)合圖8 可看出，在1 ms 內(nèi)，各監(jiān)測單元均出現(xiàn)有效應力極值，后反復出現(xiàn)波峰波谷，4 ms 后，有效應力時程曲線趨于平衡，說明炸藥爆炸過程是一個瞬態(tài)過程；在炮孔底部監(jiān)測線上，1 號監(jiān)測單元處于掏槽中心，距離爆心最近，受到的有效應力極值最大，同時，其他監(jiān)測單元出現(xiàn)極值時間較后，說明爆破地震波傳播過程中存在時間上的連續(xù)性；沿炮孔方向布置的監(jiān)測單元處于爆源中心，直面承受爆破沖擊荷載，由圖8 可以發(fā)現(xiàn)對于各監(jiān)測單元有效應力極值、炮孔方向的各監(jiān)測單元有效應力極值均明顯小于炮孔底部的極值，符合一般規(guī)律。

4 結(jié) 論

本文以微差爆破理論為基礎(chǔ)，在貴安數(shù)據(jù)中心隧道群爆破施工工程中，使用SHWC 爆破技術(shù)進行現(xiàn)場控制爆破法作業(yè)，通過對隧道口多處位置進行爆破振動監(jiān)測和有限元軟件LS-DYNA 數(shù)值模擬分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）在具有特大斷面、小凈距和隧道群特點的隧道中使SHWC 爆破技術(shù)可以產(chǎn)生很好的控制作用效果：爆破地震波傳播過程中，在0.007 8 ms 時炮孔底部爆炸壓縮應力波出現(xiàn)應力疊加，有效應力峰值可達117 MPa；在0.159 3 ms 時起爆第二排楔形掏槽孔，第一排楔形掏槽孔周圍巖體破壞；在0.259 8 ms 時，一、二排掏槽孔周圍出現(xiàn)應力波疊加現(xiàn)象，加速了掏槽部分巖體的破壞；時長在0.339 7 ms時，掏槽部分自由面處巖體發(fā)生拉裂破壞。

（2）SHWC 技術(shù)能夠有效控制爆破振動強度，通過爆破振動監(jiān)測得到最大振動速度為2.45 cm/s，符合4.5 cm/s 以內(nèi)的安全允許標準規(guī)定，爆破地震波傳播過程中有效應力存在時間上的連續(xù)性。

（3）楔形掏槽孔使用“Λ”形結(jié)構(gòu)布置，可以使得炸藥爆炸產(chǎn)生的有效應力主要集中在掏槽孔底部，使得掏槽區(qū)被爆巖體能有效克服周圍巖石的夾制作用，從而提高掏槽效果，并能進一步擴大掏槽范圍。