中等砂化白云巖小斷面隧洞控制爆破技術:以滇中引水工程玉溪段隧洞為例

趙澤昌, 張翼翔, 劉萬林, 晏啟祥*, 代崇銳, 張開紅, 唐忠輝

(1.西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室, 成都 610031; 2.中鐵開發投資集團有限公司, 昆明 650200;3.中鐵二局第一工程有限公司, 貴陽 550007)

白云巖砂化現象是一種特殊的地質現象,是白云巖巖溶作用的結果。白云巖常含有方解石等易溶性礦物,由于方解石在白云巖中分散分布,易被地下水溶解形成眾多孔隙,地下水不斷滲入并循環作用于孔隙中,使得孔隙不斷增大,白云巖塊體積不斷減小,最終形成散粒狀的白云石粉,形似粉細砂[1-2],這種特殊的溶蝕現象稱為白云巖“砂化”現象。

中等砂化白云巖巖體呈塊狀破碎結構,具有爆破、超欠挖控制難,施工風險高等特點,特別是小斷面隧洞工程控制難度極大。許多學者多通過LS-DYNA數值模擬方法針對爆破參數展開研究,陳正林等[3]基于X射線衍射和室內試驗獲得圍巖物理力學參數,并對近水平砂泥互層圍巖隧道進行了爆破優化數值模擬,優化了設計參數;戴俊等[4]模擬雙孔爆破裂紋擴展過程,得出炮孔間距越大,孔間裂隙越難貫通,爆破效果越差的結論;唐景文等[5]、趙曉明等[6]分別分析了光爆層厚度、最優藥卷間距對光面爆破的影響,并得出了適宜參數;張曉平等[7]進行露天深孔空氣間隔裝藥爆破的模擬,得出最優上下裝藥比例為3∶7,空氣間隔占比為15%的結論;趙國軍等[8]通過理論分析與模型試驗,探究了爆破荷載下的圍巖裂隙發展規律,提供了理論依據。此外,對于不同地質狀況下的爆破方案設計研究,國內學者進行了有益探索。劉敦文等[9]、謝超群[10]等分別提出了適用于穿越破碎斷層帶隧道、軟弱圍巖大斷面隧道的爆破方案;張鴻等[11]結合軟巖隧道光面爆破設計,提出運用上一循環的邊墻處和下一循環拱頂處的周邊孔同時起爆的措施,有效解決了軟巖隧道超欠挖問題;滿軻等[12]計算出適宜甘肅北山坑探設施項目爆破的周邊孔間距為50 cm,并通過施工驗證了其合理性;徐幫樹等[13]優化了節理裂隙發育的水平層狀巖體大斷面隧道掘進爆破參數,明顯減小了超挖量和圍巖的位移。

以上研究所依托的地層以軟巖地層或斷裂帶為主,而在砂化白云巖地層下的爆破控制技術研究較少,缺乏系統的理論參數與施工體系,現采用LS-DYNA有限元軟件進行周邊孔爆破模型數值模擬,研究不同周邊孔間距、徑向不耦合系數和最小抵抗線距離對巖體爆破裂紋擴展的影響,提出相應的合理取值范圍,并應用于現場試驗,在此基礎上總結形成相應控制爆破技術。

1 工程概況

依托工程為云南省滇中引水工程玉溪段隧洞。滇中引水工程的輸水線路全長664.236 km,其中玉溪段全長77.069 km。玉溪段工程沿線主要穿越泥巖、灰巖、白云巖、板巖、玄武巖等地層,沿線在老尖山隧洞、扯那苴隧洞、大塘子隧洞出口等地段主要穿越Zbdn、Zbd白云巖地層,如圖1所示。工程區所在位置受多處斷裂帶的夾持作用,其所在地的地質構造運動強烈,在斷裂、褶皺構造附近出現大量白云巖砂化現象。加之工程所在地的水文氣候影響,白云巖巖體節理、微裂隙發育明顯,導致巖體破碎,巖體以碎裂結構為主,其隧洞掌子面處的白云巖呈現包裹狀、條帶狀等寬度不等的砂化特征,如圖2所示。

圖1 扯納苴隧洞工程地質平面圖Fig.1 Engineering geological plan of Chenaju Tunnel

圖2 中等砂化白云巖特征Fig.2 Characteristics of medium sanded dolomite

2 數值模型與材料參數

2.1 數值計算模型

模型由巖體、空氣、炸藥3種介質組成,巖體采用固體網格Lagrange算法模擬,空氣和炸藥采用流體網格任意拉格朗日歐拉(arbitrary Lagrange-Euler,ALE)算法模擬。在模擬不同周邊孔間距E、徑向不耦合系數K對裂紋擴展的影響時,采用的數值計算模型如圖3所示。假設炮孔同時起爆,采用工程實際裝藥參數,炮孔直徑4.2 cm,藥卷直徑3.2 cm,模型尺寸為 300 cm×300 cm×1 cm,模型四周設置無反射邊界,計算時間1 000 μs。變量為周邊孔間距時,徑向不耦合系數K=1.3;變量為徑向不耦合系數時,周邊孔間距E=40 cm。

圖3 不同周邊孔間距、不耦合系數爆破模型Fig.3 Blasting model with different peripheral hole spacings or uncoupling coefficients

在模擬最小抵抗線距離W對裂紋擴展的影響時,采用的數值計算模型如圖4所示,模型底部設置為自由邊界,炮孔至自由邊界的距離即為最小抵抗線距離W,其余3個邊界設置為無反射邊界。徑向不耦合系數K=1.3,周邊孔間距E=40 cm,其余參數不變。

圖4 不同最小抵抗線距離爆破模型Fig.4 Blasting model with different minimum resistance line distances

2.2 材料參數

炸藥爆破是一個瞬時且伴隨高能量釋放的過程,在LS-DYNA有限元軟件中,炸藥通過*MAT_HIGH_ EXPLOSIVE_BURN材料模擬,同時輔以JWL狀態方程來描述炸藥,其函數表達式如式(1)所示。

(1)

式(1)中:Peos為狀態方程壓力;V為相對體積;E0為初始內能密度;A、B、R1、R2、ω為JWL狀態方程參數。該工程采用2號巖石乳化炸藥進行巖體的爆破開挖,相關參數如表1所示。

表1 二號巖石乳化炸藥參數

空氣材料通過*MAT_NULL材料模擬,該狀態方程的表達式如式(2)所示。

P=C0+C1V+C2V2+C3V3+

(C4+C5V+C6V2)E0

(2)

式(2)中:C0～C6為材料線性參數;V為相對初始體積;E0為內能參數。根據上述的空氣材料與狀態方程的選用,空氣材料的相關參數如表2所示。

表2 空氣材料參數

采用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC塑型強化模型可模擬處于爆破沖擊高應變率下的巖體。通過Cowper-Symonds模型描述應變率對于巖體強度的影響,對于應變率和屈服應力的關系,如式(3)所示。

(3)

表3 砂化白云巖圍巖參數

3 結果與討論

3.1 周邊孔間距對裂紋擴展影響

分別取周邊孔間距E為30、40、50、60、70、80 cm共6種工況,其裂紋的最終擴展情況如圖5所示。

圖5 不同周邊孔間距爆破裂紋擴展圖Fig.5 Crack propagation diagram of blasting with different peripheral hole spacing

由圖5可以看出,隨著周邊孔間距的增加,兩炮孔爆破產生的應力波的疊加效應逐漸減弱,孔間裂紋發展區域的面積逐漸減小。對于孔間裂紋的貫通情況,在周邊孔的炮孔間距E為30～70 cm時,孔間會形成貫通的裂縫,同時形成的次生裂紋數量會隨著周邊孔間距的增大而逐漸減少。當周邊孔間距E為80 cm時,兩炮孔的爆破疊加效應已不足以使炮孔連線處的裂縫貫通,兩炮孔產生的裂紋隨著炮孔間距的增大逐漸轉變為兩個獨立炮孔的裂紋發展模式。

為進一步探究巖體應力分布及裂隙擴展特征,從左側炮孔至兩炮孔連線中心處設置4個監測點[4]。其中為避免炮孔壓碎圈對監測數值影響,A點設置在距炮孔10 cm處,隨后至炮孔連線中心處等距離取B、C、D點,D點為炮孔連線中心。監控點位示意圖如圖6所示。

圖6 炮孔連線監測點位示意圖Fig.6 Schematic diagram of monitoring points for blasthole connection

提取不同周邊孔間距工況下炮孔連線中心4個監測點位的Y向應力峰值[14],繪制其變化曲線如圖7所示。

圖7 不同周邊孔間距監測點Y向應力峰值變化曲線Fig.7 Y-direction peak stress change curve of monitoring points with different peripheral hole spacing

由圖7可以看出,當炮孔間距從30 cm增加至80 cm時,由于A點靠近炮孔區域,其Y向峰值應力數值接近,沒有隨著炮孔間距的改變而產生明顯的變化趨勢,其數值在32.44～37.43 MPa波動。而B、C、D點的Y向峰值應力隨著炮孔間距變大而逐漸減小。當應力波在炮孔連線中心相遇并疊加時,D點的Y向峰值應力有所提高。4個監測點位的Y向應力最小值出現在C點。

當Y向應力大于巖體的抗拉強度6.5 MPa時,巖體將產生徑向裂縫發生破壞。由圖7分析可知,當炮孔間距為30～70 cm時,各監測點位的Y向應力峰值均大于巖體抗拉強度,炮孔間的裂縫貫通。當炮孔間距達到80 cm后,監測點C的Y向應力為6.17 MPa,D點的Y向應力為6.54 MPa,裂縫在C點之后停止擴展。

通過改變周邊孔炮孔間距的爆破模擬結果表明,周邊孔炮孔間距在30～70 cm時相鄰炮孔之間的裂紋能夠順利貫通,其合理取值范圍為7d～16.5d,d為炮孔直徑。

3.2 不耦合系數對爆破裂紋擴展的影響研究

在光面爆破參數設計中,周邊孔的不耦合系數是光面爆破產生的輪廓線是否出現超欠挖的重要影響因素。分別取周邊孔徑向不耦合系數K為1.1、1.3、1.6、1.9、2.3、2.6共6種工況,其爆破后的裂紋擴展結果如圖8所示。

圖8 不同不耦合系數爆破裂紋擴展圖Fig.8 Crack propagation diagram of blasting with different uncoupling coefficients

由圖8可以看出,在炮孔間距一定的情況下,炮孔徑向不耦合系數較小時,炮孔壁與炸藥間空氣間隔較少,炸藥爆炸導致兩炮孔產生的壓碎圈范圍較大,炮孔連線處和炮孔兩端的裂隙區裂紋發展較為密集。炮孔間主裂紋貫通后,周圍還將形成較多的次生裂紋,容易出現超挖現象。隨著徑向不耦合系數的增大,壓碎圈范圍逐漸減小,同時由于應力波在巖體中疊加作用減弱,炮孔連線處除貫通主裂縫外,產生的徑向裂紋數量也逐漸減少,孔間裂紋貫通區域寬度也隨之減小。當徑向不耦合系數K為2.6時,巖體破壞范圍較小,孔間裂縫此時無法貫通。

為了更加準確地描述不同不耦合系數工況下的孔間裂紋擴展情況,提取不同徑向不耦合系數下兩炮孔中心連線處4個監測點的Y向應力,繪制其變化曲線如圖9所示。

圖9 不同不耦合系數監測點Y向應力峰值變化曲線Fig.9 Y-direction peak stress change curve of monitoring points with different uncoupling coefficients

由圖9可知,徑向不耦合系數從1.1增加至2.6時,沖擊波在巖體中的作用逐漸減小,炮孔連線中心4個監測點處巖體所受的Y向應力均呈減小的趨勢。當徑向不耦合系數K=2.6時,C點的Y向應力為5.68 MPa,D點的Y向應力為6.14 MPa,均小于巖體的抗拉強度6.5 MPa,裂紋在C點處停止擴展,相鄰周邊孔間的裂縫不能貫通。

通過改變不耦合系數的爆破模擬結果表明,在砂化白云巖的光面爆破參數設計中,周邊孔的徑向不耦合系數K<2.6為宜。

3.3 最小抵抗線距離對爆破裂紋擴展的影響研究

最小抵抗線的距離決定了爆炸產生的入射波和反射波的作用時間長短,其中反射波的作用時間決定了層裂區的裂紋發展與爆破漏斗的形成時間。分別取最小抵抗線距離W為30、40、50、60、70、80 cm共6種工況,其在爆破完成后的裂紋擴展情況如圖10所示。

圖10 不同最小抵抗線距離爆破裂紋擴展圖Fig.10 Crack propagation diagram of blasting with different minimum resistance line distances

由圖10可以看出,在最小抵抗線距離為30～70 cm時,隨著最小抵抗線距離的增加,爆破應力波傳遞至自由面的入射時間增加,反射拉伸波的反射時間減少,導致層裂區的層裂裂縫和徑向裂縫數量減少,進而導致炮孔裂隙區裂紋和層裂區徑向裂紋相互貫通的數量逐漸減少,爆破完成后巖體破碎的塊度變大。當最小抵抗線距離達到80 cm時,炮孔附近的裂紋與層裂區產生的徑向裂紋已無法貫通形成爆破漏斗。

考慮爆破漏斗形成與爆破塊度,選取兩條參考線,第一條參考線在距離炮孔連線中心10 cm處設置A點,垂直至自由面處等距取B、C、D點,共4個監測點;第二條線在右側炮孔產生的爆破漏斗線至自由面處距離炮孔10 cm處設置L1點,延伸至自由面等距離取L2、L3、L4共3個點,共4個監測點,監測點位的示意圖如圖11所示。

圖11 監測點位示意圖Fig.11 Schematic diagram of monitoring points

通過X向應力表征切向拉應力的變化情況[15],提取兩條參考線的X向應力峰值,繪制其隨最小抵抗線距離的變化曲線,如圖12所示。

圖12 不同最小抵抗線距離X向應力變化曲線圖Fig.12 X-direction stress change curve with different minimum resistance line distances

由圖12可以看出,對于同一最小抵抗線的巖體監測點,由于反射拉伸波與初始應力波的疊加作用,位于自由面附近的巖體所受X向應力會有所提高(如D點、L4點)。對于不同最小抵抗線的監測點,靠近炮孔和炮孔連線處的監測點X向應力受影響較小(如A點、L1點),隨著最小抵抗線距離的增加,應力波在巖體中傳播時間增加,到達后續監測點位的應力逐漸減小。當最小抵抗線距離W=70 cm時,其爆破漏斗線上的X向應力均超過巖體抗拉強度6.5 MPa,能夠形成爆破漏斗,但是其內部巖體B、C監測點處巖體均未發生開裂,說明其爆破漏斗線內部破碎裂紋少,爆破產生的塊度較大。當最小抵抗線距離W為80 cm時,爆破漏斗線上的監測點X向應力開始小于6.5 MPa,已經無法形成爆破漏斗。綜合考慮爆破漏斗形成與爆破漏斗線內部巖體裂紋發展,認為在中等砂化白云巖小斷面隧洞爆破時,最小抵抗線距離取30～60 cm時爆破效果良好。

為綜合考慮周邊孔間距和最小抵抗線距離對爆破輪廓線的影響作用,在控制爆破參數中定義周邊孔密集系數m這一概念,計算公式為

(4)

式(4)中:m為周邊孔密集系數;E為周邊孔間距;W為抵抗線距離。

根據計算結果,在周邊孔密集系數0.6

4 控制爆破參數選定、設計與施工

4.1 爆破參數選定

控制爆破設計的核心問題是控爆參數的確定以及掏槽方式的選擇,其直接決定了爆破效果及斷面進尺。依托工程為滇中引水工程玉溪段扯那苴隧洞前段。由于炮孔間距越大,孔間裂紋越難以形成,爆破效果越差,結合數值模擬結果以及本工程圍巖現狀,經施工中通過多次試驗、優化與調整,選取炮孔間距和最小抵抗線距離最大為50 cm,最終確定了如表4所示的適合本工程的控制爆破參數。

表4 周邊眼控制爆破參數表

4.2 爆破設計

根據白云巖控制爆破參數表,扯那苴隧洞中等砂化白云巖爆破炮孔布置圖如圖13所示,爆破參數表如表5所示。

表5 鉆眼及裝藥數量統計表

4.3 爆破施工

4.3.1 施工工藝流程

中等砂化白云巖小斷面隧洞工程控制爆破施工工藝流程如圖14所示。

圖14 施工工藝流程圖Fig.14 Construction process flow chart

4.3.2 操作要點

1)測量放線及布孔

采用全站儀激光導向測量中線與開挖輪廓線頂部中心點,通過人工按照鉆爆設計進行布孔,人工布孔如圖15 (a) 所示。

圖15 爆破施工操作要點圖Fig.15 Diagram of the key points of blasting construction

2)鉆孔

(1)周邊眼:按炮眼布置和設計角度、深度鉆孔,周邊眼按40～50 cm間距控制,周邊眼的開眼誤差控制在±5 cm以內,外插角宜控制在3°～5°;周邊眼鉆進如圖15 (b) 所示。

(2)內圈眼:按炮眼布置及設計深度鉆孔,內圈眼按30 cm間距控制,內圈眼的開眼誤差控制在±5 cm以內。

(3)掘進眼、掏槽眼:采用斜眼掏槽按炮眼布置與設計角度、深度鉆孔,可根據爆破效果進行調整。

(4)抵抗線(控爆層):指周邊眼至內圈眼垂距,抵抗線距離按30 cm控制,誤差控制在±5 cm以內。抵抗線可根據爆破效果進行調整。

3)裝藥與起爆

(1)周邊眼:采用連續裝藥,周邊眼裝藥量可根據爆破效果進行裝藥量調整。

(2)內圈眼、掘進眼、底板眼、掏槽眼:按爆破設計藥量進行裝藥,采用連續裝藥,根據爆破效果進行裝藥量調整。

(3)裝藥作業采取定人、定位、定段,按順序裝藥;按爆破設計裝藥結構和藥量裝藥;按爆破設計進行爆破網路聯接,導爆索的連接方向和連接點應牢固。

(4)嚴格按爆破設計進行雷管連接;孔內非電毫秒雷管15～20個為一組,采用同段非電雷毫秒管雙發簇連,用膠布將引爆雷管包扎在最后簇導爆管自由端10 cm處。爆破網路聯好后,檢查驗收合格后方可起爆。網路連接如圖15 (c) 所示。起爆順序:掏槽眼→輔助眼→周邊眼。

4.4 超欠挖分析

在隧道等地下洞室開挖過程中,應當嚴格控制超欠挖量以及爆破參數,以保證爆破成型效果。在隧洞超挖分析中,通常采用超挖量、平均線性超挖和最大超挖來描述隧洞的超挖情況。基于模擬結果提取隧洞不同位置爆破后的超挖情況如表6所示,并繪制超欠挖數據圖如圖16所示,數值模擬及現場爆破的超欠挖控制效果如圖17所示。

表6 超欠挖統計表

圖16 超欠挖數據圖Fig.16 Data graph of over excavation and under excavation

圖17 超欠挖控制效果圖Fig.17 Rendering of over excavation and under excavation control

綜合表6、圖16、圖17可以看出,在隧洞爆破后,拱頂和邊墻均未出現欠挖情況。隧洞從拱頂、邊墻至隧底的超挖量和平均線性超挖逐漸下降。其中最大超挖出現在拱頂右側位置,數值為14.25 cm。

對于邊墻而言,邊墻中部位置超挖量較大,左右邊墻的最大超挖分別為9.78 cm和9.66 cm。隧底的最大超挖為13.37 cm。并出現少量欠挖,欠挖最大值為2.23 cm。均小于評定標準中的相關規定,爆破效果良好。施工爆破結果與模擬結果相一致,超挖量均小于15 cm,超挖量得到明顯控制,拱頂、邊墻中點部位的超欠挖情況應重點關注。

5 結論

基于ANSYS/LS-DYNA軟件,分析了不同光面爆破參數對應力波傳播及裂紋擴展的影響,并應用至現場施工,得出以下結論。

(1)確定了適用于中等砂化白云巖小斷面隧洞控制爆破設計參數合理取值范圍,周邊孔炮孔間距在30～70 cm時相鄰炮孔之間的裂紋能夠順利貫通,其合理取值范圍為7d～16.5d,d為炮孔直徑;周邊孔的徑向不耦合系數K<2.6為宜;最小抵抗線距離為30～60 cm時爆破漏斗能夠形成,且爆破漏斗內部巖體裂紋發育良好,破碎塊度較好,此時對應周邊孔密集系數取值范圍為0.6

(2)將模擬得到的光面爆破參數的合理取值范圍應用至現場施工中,通過多次試驗、優化與調整,總結出中等砂化白云巖小斷面隧洞控制爆破技術。實踐證明,在隧洞爆破后,拱頂和邊墻均未出現欠挖情況,最大超挖出現在拱頂右側位置,超挖量均小于15 cm,爆破效果良好。此外,開挖斷面、圍巖產狀、是否滲水等因素同樣影響中等砂化白云巖隧洞爆破效果,需要結合現場工程地質與水文地質對爆破參數進行動態優化與調整。