地應力作用下隧道爆破周邊孔參數優化研究

劉忠凱 趙長龍 蒲春 廖澤陽

第一作者簡介：劉忠凱（1983-），男，高級工程師。研究方向為道橋工程。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.13.026

摘? 要：為探究在地應力作用下隧道爆破時周邊孔最優參數，以白竹山隧道為工程背景，通過數值模擬方法研究當隧道地應力為5 MPa時的情況，將周邊孔不耦合裝藥系數和空氣間隔裝藥段數進行調整，確定合理的爆破參數指導現場施工。研究表明，在相同藥量情況下，當不耦合系數為1.4時，粉碎區范圍適中，巖體破碎充分，炮孔之間形成良好貫通；周邊孔采用空氣間隔裝藥時，孔底空氣長度為0.6 m，每節藥卷為0.3 m的4段間隔裝藥結構較為合適，能將平均超欠挖厚度控制在20 cm內，爆破效果較好。

關鍵詞：地應力；不耦合系數；空氣間隔裝藥；數值模擬；周邊孔

中圖分類號：TD235? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）13-0107-04

Abstract： In order to explore the optimal parameters of periphery holes during tunnel blasting under ground stress， taking Baizhushan Tunnel as the engineering background， when the ground stress of Baizhushan Tunnel is 5 MPa， the decoupling charge coefficient of periphery holes and the number of air interval charge sections are adjusted to determine reasonable blasting parameters to guide on-site construction. The study shows that in the case of the same charge quantity， when the uncoupling coefficient is 1.4， the range of the crushing area is moderate， the rock mass is fully broken， and a good connection is formed between the blast holes; when the air interval charge is used in the periphery hole， the air length at the bottom of the hole is 0.6 m， and the 4-section interval charge structure of 0.3 m per charge roll is more suitable; the average overbreak and underexcavation thickness can be controlled within 20 cm， and the blasting effect is better.

Keywords： ground stress; uncoupling coefficient; air interval charge; numerical simulation; periphery hole

爆破法已在隧道工程施工中得到廣泛運用，合理的周邊孔布設可以幫助隧道輪廓成型，減少超欠挖現象，也可以減少爆破振動危害[1]。

Mandal等[2]認為圍巖的初始應力場對爆炸荷載有較大影響。段淑倩等[3]分析了各種因素對地應力的影響，研究結果可以為地應力分級研究提供借鑒。徐穎等[4]研究了裝藥不耦合系數對初始地應力下巖石爆破之后裂紋擴展影響，研究成果對于深部巖石爆破研究起著重要作用。康永全等[5]通過大量研究總結了不耦合裝藥及間隔裝藥分類、特點、范圍，通過調整爆炸作用方式、能量利用率、爆炸氣體作用持續時間等，可有效控制爆炸災害。

關振長等[6]基于LS-DYNA平臺建立了雙孔周邊眼空氣間隔裝藥模型，將實際爆炸荷載均化為等效爆炸荷載，既能有效地簡化爆炸荷載，又能反映爆炸荷載的實際特性，也能為數值模擬遠場振動影響奠定基礎。譚元軍等[7]從空氣間隔和不耦合裝藥條件下巖石的破壞機理出發，對沖擊應力波的能量及爆生氣體膨脹能量進行研究，分析間隔裝藥和不耦合裝藥爆破的特點。汪衡等[8]通過確定合理孔底空氣長度，研究孔底不耦合裝藥對孔壁沖擊壓力的影響，確定了各種巖石空氣間隔長度范圍，幫助保證良好的爆破塊度和降低爆破振動。

本文以白竹山隧道為工程背景，對地應力作用下隧道爆破的周邊孔參數進行研究，通過數值模擬的方法確定了恰當的裝藥不耦合系數和空氣間隔裝藥段數，為現場施工提供了指導。

1? 工程背景

白竹山隧道左洞全長2.17 km，其中Ⅳ級圍巖段2 070 m，Ⅴ級圍巖段100 m。現已開挖1.25 km，爆破開挖位置為Ⅳ級圍巖，以層狀板巖為主。在YK17+970～YK18+920洞身段，長度為950 m，平均埋深為190 m，地應力約為5 MPa。

2? 數值模型

2.1? 材料參數選取

2.1.1? 巖石

巖樣是在白竹山隧道的一處工程中采集的，根據協會的規定，將其制作成φ50×100 mm的標準試樣。板巖靜力學參數見表1。

HJC數值模擬方法有關參數[8-10]見表2。

表1? 板巖靜力學參數

2.1.2? 炸藥

乳化炸藥狀態方程式如下

式中：A，B，R1，R2，？棕為材料常數；E0為初始內能；V為體積；P為爆壓。相關參數[11-12]見表3。

2.1.3? 空氣

空氣模型選擇MAT_NULL，狀態方程選擇INEAR_POYNOMLAL作為狀態方程。相關參數[13]見表4。

2.1.4? 炮泥

用MAT_SOIL_AND_FOAM作為炮泥模型，計算參數[14]見表5。

表3? 乳化炸藥基本參數

表4? 空氣材料基本參數

表5? 炮泥材料基本參數

2.2? 模型建立

在隧洞開挖施工中，周邊孔是影響爆破效果的重要因素，直接影響爆破后的超欠挖現象，因此周邊孔參數的設置尤為關鍵。設置了不耦合系數K為1.2、1.4、1.7及藥量不變，裝藥段為2、3、4的裝藥結構，炸藥起爆方式皆為底部起爆。擬以周邊孔為研究對象，除開挖面外的所有面均采用無反射邊界，炸藥、空氣、節理炮泥采用 ALE算法，圍巖采用拉格朗日算法。三維模型如圖1所示。采用關鍵詞*DEFINF定義荷載曲線CURVE，從0開始加載至5 MPa，利用關鍵字*INTERFACE輸出包含地應力信息的dynain文件代替原來的k文件，實現了對模型上下各面5 MPa的應力作用。

（ａ）? 不耦合裝藥結構

（ｂ）? 空氣間隔裝藥

圖1? 三維模型圖

3? 結果分析

3.1? 不耦合系數爆破效果對比

不耦合系數K分別為1.2、1.4、1.7時周邊孔爆破效果圖如圖2所示，巖體損傷程度由藍至紅逐漸加大，紅色范圍表示粉碎區。研究結果顯示，當不耦合系數K=1.2時，粉碎區范圍較大，巖體破碎充分，炮孔之間形成了良好的貫通效果，但由于不耦合系數較小，炸藥爆炸能量衰減不充分，對隧道輪廓線產生較大沖擊，導致出現較大的超挖現象；當不耦合系數K=1.4時，粉碎區范圍適中，巖體破碎充分，炮孔之間形成了良好的貫通效果，且由于爆炸能量衰減，衰減之后能量不會對保留巖體產生較大破壞，有效緩解了隧道爆破產生的超挖現象，爆破效果較好；當不耦合系數K=1.7時，巖石雖然還是可以破碎并且在炮孔之間形成貫通，但由于能量衰減太過嚴重會導致出現欠挖現象。

（a）? K=1.2? ? ? ? ? ? ? ? ? （b）? K=1.4

（c）? K=1.7

圖2? 周邊孔爆破效果圖

3.2? 空氣間隔裝藥爆破效果對比

由3.1節結果得出當不耦合系數K=1.4時，隧道周邊孔爆破效果最佳，以下以K=1.4為例進行空氣間隔裝藥結構的模擬。裝藥段數分別設置為2、3、4段，裝藥結構如圖3所示。

（a）? 2段裝藥

（b）? 3段裝藥

（c）? 4段裝藥

圖3? 裝藥結構圖

為確定最優間隔裝藥結構，選取距離炮孔自由面1、1.5、2、2.5、3、3.5和4 m處有效應力進行分析，如圖4所示，當選用2段裝藥時，各自由面有效應力分別為2.9、17.9、76.7、39.8、34.7、82.2 和16.4 MPa。除了距離自由面1 m處，其余各處有效應力皆大于巖石抗拉強度，但由于連續裝藥導致有效應力過大，可能會對巖體造成過大的破壞。當選用3段裝藥時，各自由面有效應力分別為7.19、11.8、24.2、17.8、31.1、42.1和12.8 MPa。有效應力情況與2段裝藥相似，依然是除1 m處之外的有效應力大于巖石抗拉強度，但有效應力卻顯著降低，可以減輕對輪廓線外巖體的破壞。當選用4段裝藥時，各自由面有效應力分別為12.5、18.6、17.3、16.5、18.2、16.7和14.3 MPa。各處有效應力皆大于巖石抗拉強度，對隧道輪廓線成型起到幫助，且由于炸藥均勻分布，使得有效應力在達到巖石破壞要求的同時，又不會對輪廓線以外的巖體產生過大的破壞，導致嚴重的超挖現象。

（a）? 2段裝藥

（b）? 3段裝藥

（c）? 4段裝藥

圖4? 拱頂有效應力圖

4? 現場應用

為了進一步證實以上結論，以雷榕高速公路白竹山隧道為例，開展了一系列的現場測試。利用非耦合裝藥系數K=1.4、炮泥長度0.6 m、空氣介質0.6 m和單節裝藥量0.3 m的4段間隔裝藥結構，既能確保隧道輪廓線成形，又能均勻地作用于巖體中，大大減輕了超欠挖問題。如圖5所示，通過對周邊孔裝藥結構及爆破參數的優選，超挖最大值為22 cm，最小值為11 cm，平均超挖量為20 cm。

圖5? 超欠挖監控量測結果圖

5? 結論

1）地應力作用下，炸藥破巖效果會受到抑制，合適的不耦合系數可以使得隧道爆破效果得到改善，分別以不耦合系數K為1.2、1.4、1.7進行了數值模擬，以周邊孔爆炸效果作為衡量標準，最后得出當K=1.4時，爆破粉碎區范圍適中，巖體破碎充分，炮孔之間形成了良好的貫通效果。

2）周邊孔連續裝藥會使得爆破應力過大，空氣間隔裝藥可以緩解這一現象，在裝藥量不變的情況下，以裝藥不耦合系數K=1.4，孔底空氣長度為0.6 m，裝藥段分別為2、3、4段進行數值模擬，將有效應力和巖體抗拉強度進行比較，得出當4段空氣間隔裝藥時，所有測量點有效應力皆超過巖石抗拉強度8.9 MPa，隧道輪廓線成型效果最好。

3）對雷榕高速白竹山隧道YK17+970～YK18+920區段進行了現場試驗，超挖最大值和最小值分別為22 cm和11 cm，超欠挖的治理效果良好。

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