光面爆破不耦合裝藥參數(shù)優(yōu)化的試驗研究

張 迅

(中鐵隧道局集團有限公司，廣州 511458)

當前，一般隧道工程施工方法主要有明挖法、盾構法以及鉆爆法(礦山法)，特別是山嶺隧道一般是采用鉆爆法(掘進以爆破技術為主要施工方法)。由于爆破開挖是間歇循環(huán)作業(yè)，循環(huán)進尺是整個隧道工程效率的關鍵。而隧道爆破，因臨空面少且受巖石的夾制作用，爆破較為困難，導致炸藥單耗高、進尺小，產生爆破振動大等問題。針對這些難點，前人從沒間斷相關領域的研究工作。

針對降低爆破振動，文獻[1-2]介紹了隧道掏槽方式的研究，提出降低爆破振動的技術措施。在提高隧道爆破進尺方面，文獻[3-4]報道了不同的掏槽方式對隧道爆破進尺影響的研究成果。文獻[5]介紹了在硬巖隧道中使用楔形深孔掏槽技術。李自強等[6]針對隧道不同爆破進尺下進行了最優(yōu)經濟效益評價，得到Ⅱ級圍巖可采用3.5～4 m的爆破進尺。王振東[7]從炮孔深度、參數(shù)設計、合理施工等方面提出了提高炮孔利用率、保證單循環(huán)進尺的措施。文獻[8]介紹了增加輔助掏槽孔，能提高爆破效果的方法。由于種種原因，施工中的超、欠挖現(xiàn)象不可避免，既對圍巖造成了破壞，使隧道存在一定的安全隱患，又影響了工期和成本。本文結合爆破設計及實際施工情況，介紹了不耦合裝藥系數(shù)對施工影響的研究過程，為隧道爆破施工積累經驗，為國內外同類工程提供借鑒。

1 工程概況

三岔頂隧道是江羅高速的控制性工程，全長3.2 km，其中Ⅱ級圍巖占72.9%；III級圍巖占18.5%，IV級和V級圍巖占8.6%。圍巖以全風化砂巖、花崗巖、微風化砂巖為主。超、欠挖較多，爆破參數(shù)優(yōu)化前，隧道爆破效果不好，半孔殘留率在55%左右(見圖1)，掏槽孔的間距為50～70 cm，軸向裝藥不耦合系數(shù)為1.0～1.5，炸藥較浪費。

圖1 現(xiàn)場試驗前爆破效果Fig.1 Blasting effect before the field test

2 試驗方案優(yōu)化

采用固、水、氣三相不耦合爆破方案進行優(yōu)化，通過調整水袋和炮泥位置、改變掏槽孔和輔助孔的裝藥形式、利用竹片裝藥等措施，不斷進行爆破參數(shù)的調整、優(yōu)化[9]。

炮孔裝藥結構(見圖2)分為徑向和軸向，施工中根據(jù)圍巖情況進行調整，若是巖層較完整，則炸藥在軸向上均勻布置；若是巖層較破碎，則在兩個節(jié)理中間裝藥并在節(jié)理處放置水袋，起到保護節(jié)理的作用，炸藥0.3 kg/節(jié)。優(yōu)化前后裝藥結構如圖3所示。

圖2 裝藥結構Fig.2 Charge structuce

圖3 優(yōu)化前后裝藥結構Fig.3 Charge structure before and after optimization

工程現(xiàn)場常規(guī)爆破改變?yōu)楣獭⑺馊嗖获詈涎b藥爆破，而固、水、氣三相不耦合現(xiàn)場爆破在掏槽形式、炮孔深度、起爆順序等方面與現(xiàn)場優(yōu)化前裝藥參數(shù)相同，所不同的是固、水、氣三相不耦合爆破周邊炮孔中增加了水袋和竹片以及裝藥量和裝藥結構的不同，炮孔布置和斷面炮孔分布分別如圖4和圖5所示，圖中方框內為拱腳處，為保證拱腳開挖順利，拱腳處裝藥量不變。

注：圖中炮孔旁邊數(shù)字代表裝藥節(jié)數(shù)，線上數(shù)字為起爆段位。圖4 炮孔布置Fig.4 Blasthole arrangement

圖5 斷面炮孔分布Fig.5 Section of blasthole distribution

通過試驗效果可得，固、水、氣三相不耦合裝藥技術具有提高炸藥利用率、控制超欠挖、降低施工后通風除塵成本、增強巖層穩(wěn)定性等優(yōu)點，調整裝藥方案后的半孔殘留率高于90%，比以往的軸向空氣不耦合裝藥技術和耦合裝藥效果更佳。優(yōu)化后的光面爆破效果較好，超、欠挖得到了有效控制。

3 爆破計算模型及參數(shù)分析

在爆破參數(shù)優(yōu)化的基礎上，采用ANSYSLS-DYNA軟件對掏槽孔和周邊孔不耦合系數(shù)等數(shù)值進行模擬論證，分析其對爆破效果的影響，即采用固、水、氣三相不耦合計算模型。

1)掏槽孔高效爆破優(yōu)化試驗。優(yōu)化前裝藥形式為軸向裝藥，掏槽孔間距在50～70 cm，不耦合系數(shù)為1.0～1.5，根據(jù)固、水、氣三相不耦合原理來建立計算模型，模型為不堵口工況，試驗模型模擬時采用cm-g-s單位制，模型尺寸選400 cm×460 cm，炮孔深度3 m，炮孔直徑4 cm。模擬方案均采用反向起爆形式。考慮實際爆破圍巖是半無限性質的，因此數(shù)值模型的左、右邊界和底邊界均采用無反射邊界條件，而頂部設定為自由臨空面。實際爆破圍巖是軸對稱立體三維模型，這里為計算方便簡化采用二維計算模型(見圖6)。借鑒文獻[9]的研究經驗，爆破后的沖擊波、爆生氣體和爆生氣體壓力持續(xù)時間設置為300s。采用ANSYSLS-DYNA和LS-PrePost-4.0對模型分別進行了前處理和后處理。

圖6 固、水、氣三相軸向不耦合裝藥數(shù)值模擬模型Fig.6 The numerical simulation model of axial decoupling charge of solid-water-gas three phases

通過理論計算和數(shù)值仿真模擬，根據(jù)優(yōu)化前、后的情況各自建立數(shù)值模型，分別對2種情況下的模型進行數(shù)值模擬運算，得出掏槽孔優(yōu)化前、后的效果(見圖7)，以及整理得到掏槽孔rc與軸向裝藥不耦合系數(shù)kl的關系(見圖8)，rc為圍巖破裂區(qū)半徑值，kl為軸向不耦合系數(shù)。

圖7 數(shù)值模擬結果Fig.7 Numerical simulation results

圖8 掏槽孔rc與kl的關系Fig.8 Relationship between rc and kl

由圖7～圖8可以得出，掏槽孔原裝藥方案在軸向不耦合系數(shù)介于1.0～1.5之間時，爆破效果不佳，圍巖較破碎，炸藥的爆破能量并未得到充分發(fā)揮；當軸向不耦合系數(shù)介于1.5～2.33之間時，裝藥方案較優(yōu)，爆破效果也較好。并且在現(xiàn)場條件允許的情況下，建議采用堵孔爆破施工。

2)周邊孔控制爆破優(yōu)化試驗。周邊孔關系到隧道超、欠挖的控制，周邊孔爆破計算模型的選取同掏槽孔裝藥模型相同的數(shù)值模型，僅改變炮孔的裝藥形式，得到偏心不耦合裝藥下數(shù)值模擬結果(見圖9)，以及整理得到圍巖外側破裂區(qū)半徑rc隨徑向不耦合系數(shù)kr的變化規(guī)律(見圖10)，rc為圍巖破裂區(qū)半徑值，kr為徑向不耦合系數(shù)。

注：不耦合裝藥系數(shù)為2圖9 偏心不耦合裝藥數(shù)值模擬Fig.9 Numerical simulation results of eccentric decouple charge

由圖9可知，水不耦合介質裝藥情況下，圍巖外側破裂區(qū)半徑明顯比空氣不耦合介質大，水不耦合介質相比空氣不耦合介質具有爆破增效的效果；但對于周邊孔控制超、欠挖目的，水不耦合介質裝藥是不利的，因此現(xiàn)場裝藥應該避免采用。

9組方案試驗結果如圖10所示，在裝藥結構、圍巖級別相同時，數(shù)值分析每一組方案都顯示隨著徑向不耦合系數(shù)的增大，圍巖外側破裂區(qū)半徑是不斷減小的；并且模擬結果表明，當偏心不耦合系數(shù)≥2時，圍巖外側破裂區(qū)半徑值穩(wěn)定在炮孔半徑內，即圍巖外側沒有超挖，半孔殘留率得到保障。由此可以得到：在保證不出現(xiàn)爆破掛簾現(xiàn)象或欠挖情況下，現(xiàn)場施工周邊孔裝藥應盡量采用徑向不耦合系數(shù)≥2的裝藥結構。

圖10 圍巖外側rc與 kr 的關系Fig.10 Relationship between rc and kr of outside rock

由圖9～圖10可知，隧道周邊孔在偏心不耦合裝藥的情況下，圍巖的超、欠挖得到有效控制。只有保證周邊孔的偏心不耦合系數(shù)不小于2，才能很好地控制隧道爆破施工中的超、欠挖問題，也才能保證較高的隧道半孔殘留率。因此裝藥方案優(yōu)化后，周邊孔偏心不耦合系數(shù)為2，即藥卷直徑等于隧道周邊孔的半徑時，爆破效果較好，超、欠挖現(xiàn)象得到有效控制，隧道半孔殘留率從優(yōu)化前的50%～60%提高了優(yōu)化后的90%以上，施工時還應注意現(xiàn)場的可操作性和周邊孔不出現(xiàn)欠挖及爆破掛簾等現(xiàn)象。

4 結語

1)通過大量優(yōu)化試驗后得出，三相不耦合裝藥比兩相不耦合裝藥更合理，爆破效果更優(yōu)。

2)隧道周邊孔在偏心不耦合裝藥的情況下，偏心不耦合介質優(yōu)選采用空氣。

3)本工程的爆破參數(shù)軸向不耦合系數(shù)在1.5～2.33之間較為合理，周邊孔采用空氣介質、偏心不耦合系數(shù)為2的裝藥方案，經方案優(yōu)化后，工程隧道每爆破開挖1 m節(jié)省爆破施工費約980元。