水壓光面爆破中水袋分布對(duì)圍巖損傷特性的影響研究

吳瑋琛,郤保平,2,尚思遠(yuǎn)

(1.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,太原 030002;2.太原理工大學(xué)原位改性采礦教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030002)

隨著國家西部大開發(fā)及“一帶一路”戰(zhàn)略的持續(xù)推進(jìn),我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)重點(diǎn)逐步向西部轉(zhuǎn)移[1-3]。然而,由于我國西部地區(qū)海拔較高,地質(zhì)條件復(fù)雜,交通基礎(chǔ)建設(shè)中橋隧占比極高,以“川藏鐵路”為例,其橋隧段總長度可達(dá)1 413 km,占到線路全長的84%[4-5]。鉆孔爆破以其經(jīng)濟(jì)高效的特點(diǎn),現(xiàn)階段仍是隧道修建中一種重要的開挖方式,且隨著綠色、精細(xì)化爆破概念的提出,水壓爆破正在被廣泛的應(yīng)用于隧道開挖。

相比于常規(guī)爆破開挖,水壓爆破主要是利用水作為傳爆介質(zhì),以提高爆炸能量的利用率,降低粉塵對(duì)環(huán)境的影響[6]。近年來,大量學(xué)者針對(duì)水壓爆破展開相關(guān)研究,如王海洋等[7]通過理論分析及數(shù)值模擬相結(jié)合的方式,研究了層理面位置及其介質(zhì)屬性對(duì)水壓爆破中應(yīng)力波傳播的影響規(guī)律;李真珍等[8]則借助有限元軟件分析了不同地應(yīng)力、不同耦合系數(shù)及不同耦合介質(zhì)條件下,深部煤層水壓爆破裂紋擴(kuò)展規(guī)律;李立功等[9]則分析了小凈距雙洞隧道水壓爆破中,先行洞的爆破振動(dòng)相應(yīng)特性;邵珠山等[10]通過數(shù)學(xué)模型,分析了水壓爆破中沖擊波在水中的作用規(guī)律;吳波等[11]依托金井隧道爆破開挖,研究了聚能水壓爆破的作用機(jī)理及其損傷演化過程;王威等[12]則依托重慶軌道交通五號(hào)線,對(duì)比了常規(guī)爆破及水壓爆破在施工成本及爆破效果方面的優(yōu)劣。

現(xiàn)有關(guān)于水壓爆破作用機(jī)理及其爆破效果影響因素已有大量研究,但水壓爆破中水袋位置及水袋數(shù)量的不同,也會(huì)導(dǎo)致爆破效果的差異,而已有的關(guān)于水袋分布對(duì)爆破效果的研究鮮有報(bào)道。借助有限元軟件AUTODYN,通過SPH-FEM耦合的方式比較了不同水袋分布下,光爆孔爆破的損傷演化特性,并依托秦嶺天臺(tái)山隧道,驗(yàn)證了水袋均勻分布下的爆破效果。研究成果有助于深化對(duì)水壓爆破的進(jìn)一步認(rèn)識(shí),并為隧道水壓光面爆破中爆破參數(shù)的優(yōu)化提供參考。

1 不同水袋分布圍巖損傷特性

1.1 數(shù)值模型與參數(shù)

1)SPH-FEM耦合計(jì)算模型。巖石爆破過程中,炸藥在爆炸的瞬間會(huì)產(chǎn)生高溫高壓的爆生氣體,之后爆生氣體撞擊炮孔壁,形成劇烈的沖擊波,在沖擊波與爆生氣體的共同作用下,炮孔周圍巖體被充分破碎及拋擲。然而,傳統(tǒng)的有限元算法(FEM)在處理巖石爆炸產(chǎn)生的大變形問題時(shí)易形成網(wǎng)格畸變,進(jìn)而導(dǎo)致計(jì)算效率下降,計(jì)算結(jié)果失真。光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)(SPH)方法是由Lucy及Gingold提出的一種無網(wǎng)格理論的拉格朗日粒子法。SPH算法的自適應(yīng)性能夠很自然地處理巖石爆破中的大變形問題,但其計(jì)算效率較低,且難以施加邊界條件。基于以上2種算法的特點(diǎn),在數(shù)值模擬中采用SPH-FEM的計(jì)算方法,即在爆破近區(qū)采用SPH算法模擬巖石的變形開裂,而在爆破遠(yuǎn)區(qū)采用FEM網(wǎng)格建模以提高爆破計(jì)算效率。其中SPH 粒子與FEM網(wǎng)格間采用點(diǎn)-面膠結(jié)的方式進(jìn)行連接,以保證位移及受力信息的有效傳遞[13]。

為計(jì)算隧道水壓光面爆破中,光爆孔爆破巖體的損傷特性,采用SPH-FEM耦合的方式建立數(shù)值計(jì)算模型,如圖1所示。由圖1可知,計(jì)算模型尺寸為5 m×5 m,炮孔直徑為42 mm,炸藥直徑為25 mm,填塞為0.5 m,炮孔長度為3.5 m。炮孔周邊設(shè)置為SPH區(qū)域,并施加邊界為自由面,尺寸為1.0 m×4.0 m,其余區(qū)域設(shè)置為FEM區(qū)域,并施加無反射邊界,參考文獻(xiàn)[14],光爆層厚度設(shè)置為80 mm,水袋及炸藥長度均設(shè)置為200 mm。

圖1 數(shù)值計(jì)算模型Fig.1 Numerical model

2)材料參數(shù)。文中借助JWL 狀態(tài)方程來模擬炸藥的爆轟過程,JWL狀態(tài)方程中炸藥爆轟產(chǎn)物壓力、能量及體積間的關(guān)系可由下式表示:

(1)

式中:Pd為爆轟產(chǎn)物的壓力;A1、B1、R1、R2及ω為與炸藥性質(zhì)相關(guān)的獨(dú)立常數(shù);V為爆轟產(chǎn)物的相對(duì)體積;而E0為初始體積內(nèi)能,參考相關(guān)文獻(xiàn)[15],炸藥的具體參數(shù)取值如表1所示

表1 JWL狀態(tài)方程主要參數(shù)

采用RHT模型模擬巖石本構(gòu),該模型基于HJC本構(gòu),綜合考慮了巖石在破壞過程中的應(yīng)變率敏感性、壓縮損傷軟化特性及應(yīng)變硬化等特性,并引入了彈性極限面、失效面和殘余失效面,被廣泛應(yīng)用于巖石爆破數(shù)值模擬。

具體失效方程見式(2)。

(2)

式中:p為壓力;θ為 Lode角;ε為應(yīng)變率;R3(θ)為偏平面上的角偶函數(shù);Frate(ε)為應(yīng)變率強(qiáng)化因子;Y*TXC(p)為壓縮子午線上的等效應(yīng)力強(qiáng)度;fc為單軸抗壓強(qiáng)度;Pspall為層裂強(qiáng)度;P*spall為標(biāo)準(zhǔn)化靜水壓力;A,N為材料常數(shù)。

RHT模型假定損傷是非彈性應(yīng)變的積累,并借助損傷變量D去描述殘余失效面,具體表達(dá)式如下:

(3)

式中:D1、D2為損傷常數(shù);εpfailure為失效應(yīng)變;εfmin為最小失效應(yīng)變。參考文獻(xiàn)[15],其具體參數(shù)取值如表2所示。

表2 巖石RHT本構(gòu)模型參數(shù)

1.2 數(shù)值模擬結(jié)果

1)不同水袋位置?，F(xiàn)場實(shí)際中,水壓光面爆破中水袋位置一般位于炮孔上下兩側(cè),或在炮孔中均勻分布。為對(duì)比不同水袋位置下巖石的損傷特性,故采用有限元軟件AUTODYNA,開展如下2種工況的數(shù)值模擬。

不同水袋位置下,光爆孔爆破誘發(fā)損傷云圖如圖2所示。從圖中可以看出,不同水袋位置下,炮孔周邊及自由面方向均產(chǎn)生明顯損傷,且受上部自由面反射應(yīng)力波的影響,炮孔上部的裂紋擴(kuò)展范圍相對(duì)較大。當(dāng)水袋位于炮孔上下側(cè)時(shí),保留巖體最大損傷深度為34.8 cm,最小損傷深度為10 cm,爆破損傷的分布沿炮孔軸向變化較大;當(dāng)水袋位于炮孔內(nèi)部均勻分布時(shí),保留巖體最大損傷深度為25 cm,、最小損傷深度為15 cm,損傷分布較為均勻,更有利于形成較為光滑的開挖輪廓。此外,相比水袋上下分布,當(dāng)水袋于炮孔內(nèi)部均勻分布時(shí),抵抗線方向裂紋擴(kuò)展較為均勻,更有利于后期的出渣與運(yùn)輸。

圖2 不同水袋位置下的損傷云圖Fig.2 Damage contour under different locations of water bags

不同水袋位置下炮孔孔壁中間位置的爆破荷載曲線如圖3所示。從圖中可以看出,當(dāng)水袋位于炮孔上下兩側(cè)時(shí),爆破荷載呈三角形分布,荷載峰值為55.1 MPa,持續(xù)時(shí)間為0.16 ms;當(dāng)水袋于炮孔內(nèi)均勻分布時(shí),爆破荷載峰值明顯降低,最大荷載峰值為45.4 MPa,出現(xiàn)在0.28 ms,且荷載持續(xù)時(shí)間更長,約為0.84 ms。這主要是由于當(dāng)水袋位于炮孔上下兩側(cè)時(shí),炮孔內(nèi)部仍以空氣作為主要的傳爆介質(zhì),爆轟產(chǎn)物膨脹速度較快,爆破荷載峰值較大;而當(dāng)水袋于炮孔內(nèi)均勻分布時(shí),炮孔內(nèi)則以水作為主要的傳爆介質(zhì),由于水具有不可壓縮性,且其流動(dòng)黏度較大,水中爆轟產(chǎn)物膨脹速度降低,作用于炮孔壁上的荷載減小,但持續(xù)時(shí)間更長,更有利于形成較為均勻的開挖輪廓。

圖3 不同水袋位置下的孔壁荷載Fig.3 Load of hole wall under different water bag positions

2)不同水袋數(shù)量。為比較水袋于炮孔內(nèi)均勻分布時(shí),不同水袋數(shù)量的影響,又計(jì)算了水袋數(shù)量分別為6段及8段條件下巖石的損傷特性,并與水袋數(shù)量為4段條件下巖石的損傷特性展開對(duì)比分析,具體水袋于炮孔內(nèi)的位置分布如圖4所示。

圖4 不同水袋數(shù)量下的炮孔結(jié)構(gòu)Fig.4 Hole structure under different water bag quantities

不同水袋數(shù)量下,炮孔周邊巖石的損傷云圖如圖5所示,從圖中可以看出,不同水袋數(shù)量下最大損傷深度均出現(xiàn)在炮孔下部,且隨著水袋數(shù)量的增加,最大損傷深度逐漸減小,當(dāng)水袋數(shù)量為4段時(shí),其最大損傷深度為25 cm,而水袋數(shù)量為8段時(shí),其最大損傷深度僅為18 cm。此外,隨著水袋數(shù)量的增加,炮孔周邊巖體的損傷輪廓更為平滑,但在抵抗線方向一定范圍內(nèi)巖體破碎不夠充分,出現(xiàn)較大尺寸的巖塊,不利于后期爆破出渣。

圖5 不同水袋數(shù)量下的損傷云圖Fig.5 Damage cloud under different number of water bags

不同水袋數(shù)量下炮孔孔壁的爆破荷載曲線如圖6所示,由圖6可知,不同水袋數(shù)量下炮孔爆破荷載開始上升時(shí)間基本一致,但隨著水袋數(shù)量的增加,荷載峰值逐漸降低。當(dāng)水袋數(shù)量為4段時(shí),其荷載峰值為45.4 MPa,而當(dāng)水袋數(shù)量為8段時(shí),其荷載峰值下降為34.7 MPa。荷載峰值的下降,使得爆破產(chǎn)生沖擊波強(qiáng)度降低,則由自由面反射形成的拉應(yīng)力波強(qiáng)度隨之下降,進(jìn)而導(dǎo)致抵抗線方向巖體破碎不夠充分。

圖6 不同水袋數(shù)量下的爆破荷載曲線Fig.6 Blasting pressure curves under different quantity of water bags

由此可見,水袋數(shù)量的增加能夠降低作用于炮孔壁上的荷載峰值,從而形成更為光滑的開挖輪廓,但易形成大塊不利于后期的爆破出渣,且水袋數(shù)量的增加將加大施工成本,降低開挖效率。故現(xiàn)場實(shí)際中光爆孔采用了4段水袋均勻分布的裝藥結(jié)構(gòu),并開展相關(guān)現(xiàn)場試驗(yàn),對(duì)其爆破效果進(jìn)行驗(yàn)證。

3)無水袋爆破模擬

為了更好地驗(yàn)證工程實(shí)踐,在炮孔中布置四節(jié)炸藥,并完全以空氣作為耦合介質(zhì),對(duì)無水袋爆破進(jìn)行數(shù)值模擬,如圖7所示。對(duì)巖石造成的損傷云圖如圖8所示。

圖7 無水袋炮孔結(jié)構(gòu)Fig.7 Blasthole structure of no water bag

圖8 無水袋炮孔的損傷云圖Fig.8 Damage cloud of no-water bag blast hole

從圖8可以看出爆破對(duì)巖石造成的損傷程度較為充分,但是爆破形成的輪廓面不夠平整,容易在圍巖處形成超欠挖,可以考慮將其與工程實(shí)踐進(jìn)行對(duì)比。

2 現(xiàn)場試驗(yàn)

2.1 工程概況

秦嶺天臺(tái)山隧道位于陜西省寶雞市鳳縣境內(nèi),全長為15.56 km,斷面凈寬為14 m,凈高為5 m,開挖斷面為129.2 m2,為雙洞六車道,是寶坪高速公路全線重點(diǎn)、控制性工程。隧道所處位置屬剝蝕高中山地貌,多為Ⅲ級(jí)圍巖,山高谷深,地形起伏較大。由于隧道長度較長,由斜井進(jìn)入正洞后獨(dú)頭掘進(jìn)最長達(dá)6.2 km,并且同時(shí)要對(duì)3個(gè)掌子面進(jìn)行開挖,通風(fēng)壓力十分大,故在隧道內(nèi)設(shè)置了多個(gè)風(fēng)機(jī)房。但在風(fēng)機(jī)房送風(fēng)聯(lián)絡(luò)道與排風(fēng)聯(lián)絡(luò)道之間結(jié)構(gòu)變化頻繁,實(shí)施常規(guī)爆破法進(jìn)行施工極易造成超欠挖現(xiàn)象,工序轉(zhuǎn)換多,施工難度大。因此,現(xiàn)場施工中采用水壓光面爆破的方式,以改善隧道爆破開挖環(huán)境,形成光滑的開挖輪廓。

2.2 爆破設(shè)計(jì)及結(jié)果分析

結(jié)合某次隧道爆破開挖,對(duì)水袋數(shù)量為4段,并于炮孔內(nèi)均勻布置時(shí)的爆破效果展開驗(yàn)證分析。現(xiàn)場爆破炮孔布置如圖9所示,從圖中可以看出,本次試驗(yàn)共包含61個(gè)炮孔,其中掏槽孔4個(gè),炮孔間距為1.0 m;掘進(jìn)孔22個(gè),炮孔間距為0.7 m;底板孔7個(gè),炮孔間距為0.9 m;周邊孔28個(gè),炮孔間距為0.5 m。炮孔直徑均為42 mm,單次掘進(jìn)進(jìn)尺為2.6 m,為形成良好的爆破槽腔,掏槽孔相比于其他炮孔增加了5%～20%的鉆進(jìn)深度。周邊孔內(nèi)設(shè)置水袋,以降低粉塵形成光滑的開挖輪廓?，F(xiàn)場爆破開挖輪廓如圖10所示。

圖9 炮孔布置平面Fig.9 Layout of blastholes

圖10 現(xiàn)場爆破開挖輪廓Fig.10 Blasting contour of onsite blasting

由圖10a可知,采用水壓爆破的條件下,形成了較為光滑的開挖輪廓,且并無明顯的超欠挖現(xiàn)場,最大超欠挖深度控制在10 cm左右。圖10b則為常規(guī)爆破條件下現(xiàn)場爆破開挖輪廓,輪廓表面出現(xiàn)了較為明顯的超欠挖,最大可達(dá)20 cm。此外,采用水壓光面爆破,爆破產(chǎn)生粉塵濃度顯著降低,巖石大塊率也明顯下降。

3 結(jié)論

1)相比于水袋于炮孔上下兩側(cè)分布,當(dāng)水袋于炮孔內(nèi)均勻分布時(shí),炮孔孔壁荷載峰值降低,荷載持續(xù)時(shí)間更長,且爆破損傷較為均勻,易形成較為光滑的開挖輪廓。

2)水壓光面爆破中,隨著水袋數(shù)量的增加,炮孔孔壁荷載峰值隨之降低,但荷載的持續(xù)時(shí)間基本相同,損傷分布更為均勻,但易在抵抗線方向形成大塊,不利于后期爆破出渣。水壓光面爆破中,應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際選擇水袋數(shù)量,以保證開挖效率,提高爆破開挖質(zhì)量。

3)文中僅分析了水壓光面爆破中不同水袋分布單個(gè)炮孔的損傷演化特征,而實(shí)際工程中,多個(gè)光爆孔往往同時(shí)起爆,不同炮孔間應(yīng)力作用也更為復(fù)雜,建議針對(duì)多個(gè)炮孔齊發(fā)爆破損傷演化特征展開分析,以便獲得更為普適性的結(jié)論。

致謝:作者向中鐵十二局的同事們表示感謝,在現(xiàn)場試驗(yàn)的過程中,他們給予了無私的幫助和支持,謝謝!