緩傾層狀巖體半斷面控制爆破研究

摘要 針對緩傾層狀巖體存在大量軟弱面的特性，文章首先通過現場調研了解現場的光爆效果，分析了影響光面爆破效果的影響因素；然后，利用通用有限元軟件LS-DYNA對其進行了數值模擬，并結合現有的爆破理論對其破巖過程進行了分析；最后，針對空孔對控制爆破裂紋擴展及應力波傳播的影響進行了分析，建立多組模型對節理強度、節理厚度及距離爆源的遠近進行了分析。

關鍵詞 緩傾層狀巖體；光面爆破；爆破機理；影響因素；參數優化

中圖分類號 TP393.1 文獻標志碼 A 文章編號 2096-8949（2025）03-0111-04

0 引言

在鐵路隧道施工中，鉆爆法仍然是掘進方法中的主流，其施工效率高、開挖快，具有明顯的優點[1]。隨著隧道的不斷增多，隧道難免穿越特殊的地質條件，如穿越節理裂隙發育的水平層狀巖體，其在受力變形方面具有明顯的各向異性[2]。未來隧道穿越特殊地質條件的情況會越來越多，而水平層狀巖體也是其中的一部分，在隧道建設中不可避免[3]。

何碧波[4]通過研究水平層狀紅砂巖隧道掘進爆破過程中的振動、振動傳播規律及對隧道超欠挖的影響，以此為依據優化了光爆參數；張斌[5]對穿越層狀軟弱圍巖地質條件的隧道進行了爆破方案的優化設計，應用流體動力學和氣液兩相流動理論，建立了爆破過程中的運動力學分析模型，提出采用半管爆破技術和在炮孔中安裝電子雷管的結合，分析了爆破后塑形區域的受力情況，得到了該隧道的最佳方案；蔡振宇等[6]基于區間重疊隧道爆破開挖的實際工程項目，通過理論計算進行論證，采用非爆破方法進行開挖，保證最小凈距段的結構安全；徐幫樹等[7]通過現場爆破試驗，并結合水平巖層的破壞機理進行了分析，優化了掏槽孔的布設及最大裝藥量參數，優化后的上臺階平均超挖面積減小59.3%；張運良等[8]通過公式推導對應力波的傳播進行了研究，得出夾層對應力波的傳播起阻隔作用，在拱頂處由于裂縫沿著軟弱夾層形成，因此容易形成平板狀輪廓。

上述研究成果在實際工程中取得了較好的控制效果，對于光面爆破技術的發展具有重要作用，而在Ⅳ級圍巖中層狀巖體半斷面的控制爆破措施仍然較少。

該文針對緩傾層狀巖體的半斷面開挖工法進行優化，提出了一種控制拱頂平頂、減少拱腰超挖的方法。基于單雙孔爆破的裂紋擴展機理與應力波傳播機理，進而對比了節理對裂紋擴展及應力波傳遞的影響；并通過對比不同的影響因素，探究光面爆破輪廓的控制方法；在現場通過爆破參數的調整試驗，提出了針對拱頂拱腰超挖的爆破參數，通過現場多次試驗驗證了該方法的準確性。

1 工程概況

西延高鐵延安段的富縣隧道位于陜西省延安市富縣鎮及茶坊鎮境內，全長16.29 km，為國內少有的特長隧道。富縣隧道4#斜井位于茶坊街道后余家溝村后，臨近310國道，通過施工便道出入，交通較為便利。

隧址區地層主要為第四系全新統人工素填土、黏質黃土、第三系上新統泥巖、砂巖、礫巖，下伏三疊系上統砂巖、頁巖、泥巖、煤層。

2 隧道施工方案

西延高鐵富縣隧道4#斜井采用上下兩臺階進行開挖，提供了寬敞的作業區域，有利于部署大型的機械化設備，從而提升施工效率。由于工序簡化且干擾降低，施工組織和管理也更為便捷。此外，這種開挖方式還具有較大的施工工作面，使得鉆爆法施工更加高效，能夠加速掘進進程。同時，由于對圍巖震動次數的減少，有助于維持圍巖的穩定性，這對于確保施工安全和質量至關重要。

2.1 光面爆破開挖實例

現場隧道爆破試驗段里程為DK228+162.4～DK227+907.4，采用二臺階的光面爆破開挖方法，上臺階開挖高度為7.8～8.0 m，每次開挖3.6 m。現場使用手持風鉆進行鉆孔，孔徑為4.2 cm。Ⅳa+開挖斷面放大15 cm，開挖方量為148.91 m3；下臺階高度為3.1～3.3 m，仰拱高度為1.4 m。

按仰拱初支距掌子面60 m計算，采用三臺階法施工仰拱初支封閉的成環時間約20 d，而采用半斷面臺階法施工，仰拱初支封閉的成環時間約15 d，能夠有效加快初支封閉的成環。

2.2 現場爆破開挖存在的問題分析

通過現場調研，記錄了基于原始爆破設計方案的現場試驗成果。由于層狀巖體本身的層理結構、層間黏合力較低，出現了爆破后拱頂巖體沿層面分離的平頂現象，拱頂輪廓為波折形分布，輪廓四周圍巖炮孔殘痕較少，巖塊掉落分界面位置存在局部超挖現象，最大線性超挖約為30 cm；同時，兩側拱腰處由于層間結合較差，亦存在臺階型的不規則超挖現象。

針對拱頂及拱腰處出現的離層及超挖現象，通過現場調研進行統計，在該試驗段拱頂位置的層狀巖體厚度應以10～20 cm為主。

3 緩傾層狀巖體光面爆破影響因素

針對現場爆破中出現的拱頂平頂及拱腰處的超挖問題，對影響層狀巖體爆破的多種因素進行研究。

3.1 空孔對裂紋導向的作用

使用ANSYS-LSDYNA進行數值模擬，建立400×300×1 cm的平面模型，設置無反射的邊界條件。炮孔直徑為4.2 cm，耦合裝藥，炮孔間距為60 cm，并在兩炮孔中間布置1個相同尺寸的空孔，不裝藥。炮孔布置圖如圖1所示：

3.2 對裂紋擴展的結果分析

選取爆破過程中具有代表性的裂紋擴展及應力傳播，如圖2～3所示。

在100 μs時，炮孔的粉碎區基本形成，產生的幾條主裂縫以炮孔為中心向四周擴展，此時裂縫的生長方向較為均勻，而空孔處受應力集中的影響開始產生裂紋；在140 μs時，應力波疊加并反射拉伸，兩炮孔之間的裂紋生長迅速，受應力波的影響出現了豎向的拉伸裂紋，在空孔處較密集，同時兩孔之間的主裂紋方向受空孔的影響，方向發生改變；在189 μs時，裂紋持續擴展，炮孔連線中間的裂紋圍繞空孔發展；在600 μs時，裂紋生長基本結束，炮孔連線范圍內的裂紋基本圍繞空孔附近進行擴展生長。

3.3 多種因素對爆破效果的影響

針對不同的節理厚度、節理強度、與炮孔的距離進行數值模擬，以研究節理對巖體裂紋擴展及應力傳播的影響。

對于計算模型，采用平面應變設計，模型尺寸為300 cm×300 cm，計算方法與前面一致。炸藥起爆方式為中心起爆，選取不同寬度、不同強度及距離爆源不同遠近的層理進行模擬分析，上部節理距離炸藥10 cm，下部節理距離炸藥中心20 cm。為研究其中的應力時程曲線，取4個監測點，A點在上節理面，B點在炮孔上方70 cm處，而C點與D點在下節理的對應位置。節理材料如表1所示：

炮孔上下節理距離炮孔分別為10 cm、20 cm，節理寬度為5 cm、10 cm和15 cm及不同強度-節理Ⅰ、節理Ⅱ和節理Ⅲ，共九組模型進行對比分析。選取有代表性的幾組工況，如圖4～6所示。

（1）節理Ⅱ-工況5 cm

（2）節理Ⅱ-工況10 cm

（3）節理Ⅱ-工況15 cm

通過分析裂紋擴展圖片可得，對比同一節理下不同節理厚度的爆生裂紋擴展情況，可以明顯觀察到距離炮孔較近的一側，在100 μs時有效應力已穿透節理并向外傳播，而另一側并未穿透；600 μs時形成的最終結果顯示，在距離為10 cm的一側節理已產生明顯變形，背側巖石產生兩條主裂隙，并產生分支，在距離為20 cm的一側節理并未出現明顯形變，也無裂紋擴展到背側巖石。

與此同時，兩條節理內部的裂紋分布也與完整巖石有明顯區別，從水平方向來看，在接近爆源處，仍是向四周擴散的裂紋，在距離爆源稍遠處產生以橫向裂紋為主的裂紋，而在最遠處產生以豎向裂紋為主的較密集裂紋；從豎直方向來看，發生形變較明顯的是距離爆源較近的一側節理，裂縫穿過此節理，并持續不規則擴展，而在另一側則少有裂紋生成。

如圖7～8所示，應力峰值對比可得如下結論：在節理巖體的爆破過程中，節理的強度和寬度對爆破效果具有顯著影響。具體來說，節理的強度越低，應力峰值在穿透節理時的降低幅度越大，這表明節理對應力波傳播的阻隔作用越強。當節理與周圍巖石的波阻抗差異越大時，應力波峰值的衰減也越明顯。同樣，節理的寬度越大，應力峰值在穿透過程中的降低幅度也就越顯著。數值模擬結果與現有的理論研究成果保持一致，為優化光面爆破技術提供了參考與依據。

3.4 現場調研

通過現場調研，將模擬結果與現場爆破殘留的炮孔圖像進行對比分析，如圖9所示：

由圖9可觀察到，水平方向的裂隙沿著節理面擴展，并存在拉伸破壞下的豎向裂紋，豎直方向的裂紋以炸藥為中心向四周呈放射狀生長。

通過對比數值模擬結果與現場影像資料，印證了數值模擬的準確性。

4 緩傾層狀巖體超欠挖控制技術

4.1 優化分析

該工程中為常見的泥巖、砂巖，并存在少量的煤質夾層，拱頂巖層厚度以10～20 cm為主，拱腰處較厚，但層間結合較差。從現場爆破效果來看，隧道爆破效果較差，超欠挖現象較嚴重；在爆破開挖中，最后的斷面形狀受到水平層理結構的影響較大，炸藥對于層狀節理的擾動是主要原因，直觀表現為超挖現象，主要集中在拱頂處出現平頂現象，而拱腰處局部出現超挖，存在鋸齒狀斷面。

超挖主要原因是炮孔與層理面的距離較近，迎爆側的巖石破壞較嚴重，裂紋擴展加快，使得裂紋穿過層理面，形成向上、具有一定角度、相對較長的裂隙。在爆破振動的作用下，加之層理面結合較差，拱頂巖石脫落，從而出現平頂現象，導致超挖。除此之外，對于周邊孔來說，節理與炮孔連心線夾角不同，這是造成拱腰處超挖的主要原因。

綜合理論分析、數值模擬結果與現場實際情況，為優化爆破效果，應考慮節理強度和炮孔連心線與層理結構面夾角的相互作用，對此隧道的不同部位進行特殊設計，具體如下：

（1）針對拱頂的平頂問題，調整拱頂處周邊的孔裝藥量。

（2）為改善層理面與炮孔連心線夾角而導致的爆破效果不佳問題，在拱肩和拱腰區域適度縮小孔間距，并將周邊孔位置調整向內，以避免因外插角過大而造成的超挖。

（3）在相鄰周邊孔之間增設空孔，利用其導向作用和應力集中效應促進爆炸裂紋的貫通。

（4）在拱腰區域，根據層理分布適當擴大周邊孔間距，并增加空孔數量。對于隧道拱腳區域，由于層理結構面與炮孔連心線近乎垂直，爆破效果相對較好，因此可適度增加孔距，并同樣將周邊孔向內調整。

4.2 現場效果

經過爆破參數的調整，爆破后的超欠挖效果相對優化前效果變好，具體表現為拱頂未出現平頂現象，拱腰處也并未出現明顯的臺階狀斷面。

5 結論

依托穿越緩傾層狀巖體地層的西延高鐵富縣隧道工程，采用數值模擬、理論分析并結合現場調研的手段，對層狀巖體的爆破參數進行了優化研究，得到的主要結論和成果如下：

（1）采用LS-DYNA對兩炮孔之間存在空孔的工況進行模擬，由于應力集中作用使得空孔處率先產生裂紋，并對之后的裂紋擴展產生導向作用，使得裂紋集中在空孔附近，而垂直于炮孔連線方向的裂紋則減少。

（2）影響隧道爆破效果的參數很多，選擇了節理厚度、節理強度與距離炮孔的遠近進行研究，其中節理強度依次改變，并在炮孔上下的不同距離設置不同厚度的節理，共9組模擬進行數值分析，得到了節理強度越低、節理厚度越大、節理距離越遠，對應力波的影響越大的結論。

（3）通過現場調研，將現場圖像與數值模擬的圖像進行對比，印證了數值模擬的準確性。

（4）針對現場平頂及拱腰超欠挖問題，將優化后的爆破方案應用到Ⅳ級圍巖緩傾巖層的爆破中，經過多次循環驗證，爆破成形效果較好，拱頂平頂與拱腰處階梯形的超挖問題得到了有效控制。

參考文獻

[1]吳渤.層狀巖體隧道圍巖擾動區演化與錨固機理研究[D].北京：中國地質大學， 2016.

[2]張振剛，張鴻儒，張昀青，等.層狀圍巖隧道施工爆破與錨固研究[J].中國公路學報， 2003（2）：74-77.

[3]李術才，李克先，雷剛，等.近距離下穿在建地鐵隧道施工爆破變形及控制方法研究[J].巖土力學， 2014（S2）：284-289.

[4]何碧波.水平層狀紅砂巖隧道掘進爆破振動效應研究[J].鐵道建筑技術， 2011（1）：23-25+58.

[5]張斌.水平層狀圍巖隧道優化爆破方案研究[D].重慶：重慶交通大學， 2015.

[6]蔡振宇，黃旭.重慶軌道交通6號線大龍山站—花卉園站區間中厚水平層狀巖小凈距重疊隧道爆破開挖時序探討[J].隧道建設， 2014（5）：478-483.

[7]徐幫樹，張萬志，石偉航，等.節理裂隙層狀巖體隧道掘進爆破參數試驗研究[J].中國礦業大學學報， 2019（6）：1248-1255.

[8]張運良，曹偉，王劍，等.水平層狀巖體隧道超欠挖控制爆破技術[J].鐵道科學與工程學報， 2010（5）：70-74.

收稿日期：2025-01-24

作者簡介：王鋒濤（1984—），男，本科，工程師，主要從事工程技術管理工作。