鐵路隧道機械化裝藥掏槽爆破參數的優化

Parameter Optimization of Mechanized Charging Cut Blasting in Railway Tunnel Construction

GAO Xuan ^（D2） ， YIN Xunjang②， WANG Shuaishai②， MA Logang ^{（1）（2）} ， GU0 Yabin② （204 ① CCCC Second Highway Engineering Co.，Ltd.（Shaanxi Xi'an，710065） ② Research and Development Center on Construction Technology of Long Bridge and Tunnel in Mountain Areas，CCCC（Shaanxi Xi'an，710199）

[ABSTRACT]Inorderto realize theapplicationof intellgent blasting technology intunnels，parameteroptimizationof mechanized chargingcut blasting inrailway tunnel blasting construction wasstudied.Therange of spacing between the hollowhole andthecentral of the holow hole has beendeterminedthrough theoretical calculations.UsingLS-DYNA numerical simulation software，simulation studies were conductedon blasting schemes with a distance of 12.5，22.5cmand 42.5cm betweenthecenterof the hollow holeand the hollow hole within the theoretical range.Efective stress，damage evolution， andblasting vibrationofthebotomcrosectioofthehole，crosectioatadistanceof1/2ofthelengthof theblasthole fromthe detonation center，and thecrossectionat the orifice ineach simulation scheme were analyzed.The results show thatas the distance betweenthecentral hollow holeand the holow hole increases，thepeak effective stress andthedamage areain hecuting areashow atrend offirst increasing and then decreasing，andtheaverage blasting vibration velocity showsadecreasingtrend.Thetheslot penetration gradually becomes worse.Aftercomprehensive analysis ofthree blasting models，the distance between the center cut hole andthe hollow hole was determined tobe2.5cm.Afterapplying theoptimizedblastingparameters toon-siteblasting，itwasfoundthattherock fragmentationratesignificantlydecreased，withan average linear over excavation reduction of 19.23% . The blasting outcome was good.

[KEYWORDS]mixed explosive；distance between empty holes and cavity holes；porosity effect；numerical simulation; effective stress

0 引言

鉆爆法因高效、經濟的優點而被廣泛應用于我國山嶺隧道的建設中，但相較目前已經實現機械化或通過5G技術遠程操作機器實現自動化、智能化的通風、支護、裝碴、運輸等工序，裝藥、爆破工序仍以人工作業為主。為實現隧道全工序智能化施工，可采用乳化炸藥隧道智能裝藥車對山嶺鐵路隧道進行鉆爆開挖。而在鉆爆法中，掏槽爆破是隧道爆破的核心，既決定著光爆效果，又控制著施工成本。因此，合理優化機械化裝藥的爆破參數，對隧道智能爆破技術的發展具有重要意義。

目前，國內外學者對爆破參數設計開展了大量工作。理論計算方面，Yang等提出了爆破載荷下圍巖的損傷本構模型;Park等[2]研究了間隔裝藥與爆破振動的關系；王從銀[3根據直眼掏槽破巖機理，提出了空孔與裝藥孔間距的理論計算公式；戴俊等[4-5]提出了高應力條件下原巖定向斷裂爆破技術的設計方法；謝泰極基于隧道爆破掏槽技術，推導了直孔掏槽炮孔中心至空孔中心距離的計算公式。數值模擬方面，陳亮、張奇等8通過有限元軟件分析并優化了掏槽孔的布孔形式及爆破參數，并通過現場試驗進行了驗證；鄭彥濤等9利用有限元模擬軟件，得到了空氣間隔裝藥對爆破振動的減弱作用;秦桂芳等[1]通過LS-DYNA有限元軟件對徑向不耦合裝藥系數及周邊眼間距等爆破參數進行了優化，獲取了優化參數條件下的爆破成型預測結果。爆破損傷方面，唐海等11建立了不同等爆源距數值模型，提出了爆破振速放大效應與圍巖損傷結合的模型;劉陽等[12]研究發現了靜水地應力工況下地應力對巖石爆破損傷演化的抑制作用。綜上所述，國內外學者對乳化炸藥藥卷的爆破參數、破巖機理、布孔形式、爆破效果等方面進行了廣泛、深入的研究，而對鐵路隧道直孔掏槽混裝炸藥爆破參數的研究較為匱乏。

以西藏某在建鐵路隧道工程為研究背景，根據三臂智能鑿巖臺車的鉆孔速度、掘進工序確定空孔及掏槽孔的孔徑、孔深及間距；通過智能裝藥車輸藥參數確定裝藥長度、裝藥密度等爆破參數；進而采用LS-DYNA軟件建立多孔毫秒延遲爆破條件下，空孔與掏槽孔不同間距的直眼掏槽光面爆破模型，量化分析不同掏槽參數下硬巖的動態應力、圍巖振動響應、爆炸應力云圖、損傷云圖、槽腔擴展過程等；并在現場進行相關試驗，最終為硬巖爆破參數的確定提供參考。

工程概況

1.1 工程地質

某鐵路隧道所在區域的地形、地貌受到區域地質構造的控制，山脈總體走向與構造線一致，隧址區地勢總體為北高南低。試驗地段隧址區底層巖性以片麻狀花崗閃長巖、花崗巖等侵入巖體為主，整體性好，致密堅固，隧道圍巖主要為IⅢI級和IV級圍巖，巖石的物理力學參數如表1所示。

1.2 機械化裝藥施工

該工程采用的混裝炸藥制備工藝為：根據硝銨炸藥配比，在制備站將硝酸銨水溶液、燃料油及乳化劑混合制成乳膠基質；待炸藥及智能裝藥車入場后，將乳膠基質輸送至裝藥車儲罐內；再將敏化劑輸送至敏化劑儲罐內，通過伺服混裝系統調節混裝炸藥的密度，進而得到成品乳化炸藥；最終，由伺服電機驅動，將乳化炸藥泵送至炮孔中。

裝藥流程工藝如圖1（a）所示。

當現場完成鉆孔、排險等工序后，隧道智能裝藥車進人工作面進行裝藥。混裝炸藥含水量較高，爆炸感度較低。因此，將單卷 2^# 巖石乳化炸藥作為起爆藥包，與雷管一起裝入炮孔底部；然后，通過輸藥管將混裝炸藥泵送至炮孔內。

裝藥流程如圖1（b）所示。

2 中空孔直眼掏槽爆破關鍵參數的計算

2.1 空孔效應分析

在掏槽爆破中，空孔會引起周邊巖石應力場發生變化，進而增強掏槽孔的爆破作用，此即為空孔效應，如圖2所示。空孔效應分為空孔卸壓效應、自由面效應、應力集中效應以及碎脹空間效應[13] 。

1-炮孔；2-裂隙區；3-拉伸破壞區;4-空孔；5-環向裂隙;6-徑向裂隙；7-爆生裂紋。

2.2 掏槽孔與空孔間距

根據彈性力學理論，得到空孔孔壁處最大反射拉應力為

式中： L 為炮孔中心與空孔中心的間距； r₂、r_b 分別為空孔半徑及炮孔半徑； λ，α 分別為側應力系數和應力波衰減系數； p 為炮孔孔壁處的投射壓力。

為保證巖石能被破壞，需滿足 σ_emax?σ_e ，由此 可得

式中： σ_e 是巖石抗拉強度。

該工程中，混裝乳化炸藥實測爆速為 4200m s，炮孔直徑為 48mm ，將各參數代人式（2），計算得出 L?580mm 。

3 數值模擬分析

3.1 計算模型

根據現場爆破設計方案，提取掏槽區域炮孔布設位置，如圖3所示。以圖3為基本設計，根據2.2節建立3個模型

模型1：掏槽孔 ① 與中空孔 ② 間距為 12.5cm ：中空孔 ② 與掏槽孔 ③ 間距為 37.5cm ;掏槽孔 ③ 與掏槽孔 ④ 間距為 100.0cm ;掏槽孔 ④ 與掏槽孔 ⑤ 間距為 115.2cm 。

模型2：掏槽孔 ① 與中空孔 ② 間距為 22.5cm ：中空孔 ② 與掏槽孔 ③ 間距為 37.5cm ;掏槽孔 ③ 與掏槽孔 ④ 間距為 100.0cm ;掏槽孔 ④ 與掏槽孔 ⑤ 間距為 105.2cm 。

模型3：掏槽孔 ① 與中空孔 ② 間距為 42.5cm ：中空孔 ② 與掏槽孔 ③ 間距為 37.5cm ;掏槽孔 ③ 與掏槽孔 ④ 間距為 100.0cm ;掏槽孔 ④ 與掏槽孔 ⑤ 間距為 85.2cm 。

建立尺寸為 1 200cm×1 318cm×370cm 的數值模型。巖體采用Lagrange網格。炸藥和空氣采用Euler網格。巖體和空氣采用流-固耦合算法，設置關鍵字 和 * Non_Reflecting，在模型縱向前、后施加法相約束，其余面設置無反射邊界條件。現場通過智能裝藥車調整混裝乳化炸藥的藥量，最終設計掏槽孔的單孔藥量為 5.46kg ，擴槽孔的單孔藥量為 4.26kg ，炸藥起爆點設置于炮孔底部。如圖4所示。

3.2 材料參數

模型采用3種材料。

巖石材料選用*Mat_Johnson_Holmquist_Ce-ramics本構模型，損傷狀態分為線彈性區加載和卸載狀態、塑性過渡區加載和卸載狀態、完全密實區加載和卸載狀態。損傷演化模型方程：

式中： Δε_p 和 Δμ_p 分別為等效塑性應變增量和塑性體積應變; ε^f_p+μ_p^f 為常壓破壞時的塑性應變； p^* 為標準化凈水壓力； T^* 為材料所能承受最大標準化抗拉強度; D₁ 和 D₂ 為材料損傷因子； ε_pmin 為材料發生斷裂時最小塑性應變。

巖石的狀態方程參數如表2所示。

炸藥選用* Mat_High_Explosive 本構模 型，采用EOS_JWL狀態方程，即

式中： p 是爆轟產物內部壓力; V 是相對體積; A，B R₁、R₂ 和 ω 都是炸藥相關常數； E₀ 是初始比內能

現場混裝乳化炸藥材料和狀態方程參數如表3^[14] 所示。

表2 花崗片麻巖 HJC 本構模型參數

空氣選用 模型，采用 * EOS_Linear_Polynomial狀態方程，即

p=C_L0+C_L1δ+C_L2δ²+C_L3δ³+（C_L4+C_L5μ+C_L6μ²）e_2°

式中：δ為體積比系數， δ=1/V-1;p 為壓力； e₂ 為單位體積空氣內能； C₀～C₆ 為相關參數。

在模擬中，假設空氣為理想氣體，主要參數如表4所示。

4模擬結果及分析

4.1 有效應力分析

計算后，可得到3個模型的力學參數及Mises有效應力云圖。圖5為模型1中孔底截面（0-0截面）、距起爆中心1/2炮孔長度截面（1-1截面）孔口截面（2-2截面）對應時刻的二維Mises有效應力云圖。

根據圖5可知：在掏槽孔起爆后，0-0截面有效應力沿徑向迅速增大；隨著后段炸藥的起爆，最大有效應力呈現先驟增至峰值、后逐漸減小的變化趨勢；在 600ms 時，整個截面有效應力呈均勻分布。而圖6為3個模型起爆中心截面的有效應力曲線。由圖6可知，模型2的掏槽孔 ① 和中空孔 ② 間距為 22.5cm ，掏槽爆破過程中有效應力在 200ms 時達到峰值，為 1102.62MPa ;模型1和模型3掏槽孔 ① 和中空孔 ② 間距分別為 12.5cm 和 42.5cm ，峰值有效應力出現在 300ms 時刻，分別為1020.30MPa 和 952.25MPa ，變化幅度較模型2分別減小7.47% 和 13.64% 。

1-1截面和2-2截面分別在 200ms 和 400ms 時，截面有效應力開始增大；但隨著與起爆中心距離增加，掏槽區域的有效應力迅速衰減。

因此，無論掏槽孔與中空孔間距為多少，截面Mises有效應力均與時間呈二次函數關系；峰值有效應力及變化速率隨掏槽孔與中空孔間距的增大呈先增大、后減小的變化趨勢。故在理論上，掏槽孔與中空孔存在最佳間距。

4.2 損傷區的產生及擴展

將計算得到的損傷云圖導人ImageJ圖像處理軟件，分割RGB（紅綠藍像素）通道，提取損傷區域的ROI（記錄位置選區），降噪后得到各截面的損傷區面積如圖7所示

由圖7可得，3個模型的損傷面積由大到小的次序均為：2-2截面、1-1截面、0-0截面。在 0～600 ms內，3個截面損傷面積的增長趨勢有所差別：0-0截面隨爆破時間的增加呈對數型增長；1-1截面隨爆破時間的增加先呈冪指關系增長、后呈對數型增長；2-2截面隨爆破時間的增加呈冪指關系增長。因此，采用反向起爆（起爆點位于炮孔底部）時，爆破損傷分布形如正漏斗，孔口巖體損傷范圍要大于孔底位置，由此證明爆炸能量會偏向爆轟波傳播的正向運輸。

統計得到 600ms 時3個模型各截面的損傷面積如圖8所示。

由圖8可知，各截面的損傷面積隨著中心掏槽孔與中空孔間距的增大呈現先增、后減的變化趨勢。當掏槽孔 ① 和中空孔 ② 間距為 22.5cm 時，模型2的0-0截面、1-1截面和2-2截面的損傷面積分別為4.36m² 、 5.64m² 和 5.82m² ，較模型1分別增大了20.41% 、 21.88% 和 12.50% ，較模型3分別增大了14.62% 、 9.89% 和 3.45% 。由于中空孔直孔掏槽巖體的損傷主要與爆炸應力入射波與空孔孔壁處的反射波疊加有關，當中心掏槽孔與中空孔的間距超過某一閾值后，應力波疊加區域會迅速衰減，導致巖體爆破后的大塊率增加。但這并不會降低掏槽的效果。實際上，掏槽區的大塊巖石會因自重而掉落。

4.3 爆破振動規律分析

爆破產生的地震波由遠及近逐漸由體波轉化為面波，并向外傳播。為探究不同斷面處地震波造成的巖體振動變化規律，選取距離起爆中心0（0-0截面） ?1.85m （1-1截面）和 3.70m（2-2 截面）處隧道輪廓的峰值振速的分布規律，如圖9所示。

根據圖9可得，隧道掏槽區爆破時，在拱頂和拱腰處地震波振速較小，而在拱腳和底板處地震波振速較大。這是由于開挖的隧道為三心圓結構，在隧道的拱腳處產生應力集中。根據應力波理論，某點應力與波阻抗成正比關系，故而拱腳處的峰值振速較大；而底板處由于爆破開挖導致應力重分布，出現卸荷回彈現象，底板應力波的傳播被一定程度放大，故底板處質點的振速較大。

3個模型各截面特征位置處振速的變化規律如表5所示。隨著中心掏槽孔與中空孔間隔距離的增大，拱腳處0-0截面的振速變化不大；拱腳處1-1截面振速呈先驟減、而后趨于平穩的變化趨勢；拐點位置出現在掏槽孔和空孔間距為 22.5cm 時（模型2）。由此說明，爆破振速與掏槽炮孔和中空孔間距整體成反比關系。模型2中，由于爆破產生了較大的破碎區域，導致應力釋放速度加快，從而振速衰減較快。

經過不同中心掏槽孔與中空孔間距的有效應力分析、損傷分析和爆破振動分析，確定了鐵路隧道機械化裝藥中心掏槽孔和中空孔的最優炮孔參數為22.5cm 。

施工現場通過調整BoomerE3C三臂智能鑿巖臺車的鉆孔速度及掘進壓力，精確控制空孔及掏槽孔的孔徑、孔深及間距。以此為基礎，將數值模擬得到的最優爆破參數應用至現場隧道爆破施工中，與原爆破參數產生的爆破效果進行對比，深人分析中空孔直孔掏槽爆破參數的優化對隧道爆破開挖效果的影響。具體爆破參數如表6所示。

在隧道右洞和隧道左洞分別采用原爆破參數和優化后的爆破參數進行5個循環進尺的爆破開挖，獲得爆破開挖斷面。爆破工序結束后，采用三維激光掃描開挖輪廓面，如圖10所示。可以看出，通過調整中心掏槽孔與中空孔間距等優化措施，破碎巖體的大塊率顯著下降

5個進尺循環掌子面的超挖、欠挖數據見表7和表8。由表7、表8可知：采用原設計的光面爆破參數，隧道斷面平均超挖面積為 3.567m² ，平均線性超挖為 17.58cm ;優化后隧道斷面平均超挖面積為 2.876m² ，平均線性超挖為 14.20cm 。對比原設計，隧道斷面平均超挖面積降低了 19.37% ，平均線性超挖降低了 19.23% ，爆破效果良好。同時，優化后的爆破參數能有效降低破碎巖體的大塊率，減少圍巖擾動等，充分發揮了圍巖的強度和自穩能力，確保了施工安全。

6結論

以某鐵路隧道機械化裝藥施工為背景，基于空孔效應分析，根據彈性力學理論，計算得到中心掏槽孔與中空孔的最大理論間距。通過LS-DYNA有限元數值模擬方法，分析了掏槽孔和中空孔間距對隧道爆破效果的影響，得出的主要結論如下：

1）隨著中心掏槽孔與中空孔間距的增大，Mises峰值有效應力及變化速率呈先增大、后減小的變化趨勢。中心掏槽孔與中空孔的間距為 22.5cm 時，掏槽爆破過程中，有效應力在 200ms 時達到峰值，為1 102.62MPa 。2）隧道掏槽區爆破時，在拱頂和拱腰處，地震波振速較小；而在拱腳和底板處，地震波振速較大。隨著中心掏槽孔與中空孔間距的增大，拱腳處1-1截面爆破振速呈先驟減、后平穩的變化趨勢；而底板處爆破振速均勻減小。3）采用混裝乳化炸藥進行鉆爆施工時，當中心掏槽孔與中空孔的間距為 22.5cm 時，隧道斷面的超挖面積降低了 19.37% ，平均線性超挖降低了19.23% ；同時，有效降低了破碎巖體的大塊率，減少了圍巖擾動等，充分發揮了圍巖的強度和自穩能力。總體上，對鐵路隧道機械化裝藥中心掏槽孔和中空孔間距等爆破參數進行了優化。將研究結果應用于現場實際工程中，得到較好的爆破效果。對隧道爆破參數設計具有一定的指導作用。但由于隧道現場工程地質的復雜性，還需對不同圍巖條件下隧道的爆破情況進行進一步研究，以滿足現場需求。

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