層狀節理地層隧道光面爆破技術研究

王 碩，張志強

(西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室，四川成都 610031)

隨國民經濟的快速發展，交通基礎設施延伸到丘陵地貌區和山區，在修建過程中必然會面臨復雜地質條件，其中層狀節理地層是最常遇到的，因節理存在，巖體的強度會發生變化，其動態力學特性也會受到明顯的影響[1]。爆破作為現如今隧道開挖的主要方法之一，當遇見層狀節理地層的存在時，由于經驗不足造成隧道斷面大量超挖與欠挖的現象屢見不鮮。

針對層狀節理地層中爆破時巖體損傷與爆破效果等問題，國內外學者采用理論分析、數值模擬及現場監測等手段進行了研究。WU.C.Q等[2]利用數值方法對節理巖體在爆炸荷載作用下的破壞規律進行了研究, 得出了節理對巖體破壞模式的影響規律。張力民[3]等人采用數值流形方法得出了節理巖體的爆破破壞規律。王明洋,錢七虎[4]結合實際的地質特點，根據斷層與節理裂隙帶的幾何關系，運用應力波通過裂隙傳播理論，分析了應力波通過節理裂隙帶的衰減規律。盡管國內外研究人員對層狀節理地層條件下爆破技術做的大量的研究工作，極大的促進了隧道建設事業的發展，但仍然還存在一些不足之出。

都府隧道所穿越區域工程地質、水文地質條件復雜，穿越層狀節理地層，富水性好，節理裂隙大，在對其進行周邊眼光面爆破過程中，容易造成超挖現象，因此層狀節理地層隧道光面爆破技術是急待研究的。

1 工程概況

都府隧道為三穗至施秉高速公路是貴州省“678網”規劃中“四聯”天柱—三穗—鎮遠—施秉—黃平的重要組成部分。都府隧道起訖樁號為K11+380～K13+750，長2 370 m，屬于全線控制性工程。隧址區雨季地下水豐富，圍巖為厚層狀變余凝灰巖與凝灰質板巖互層，巖體破碎，圍巖呈松散碎裂狀，自穩能力差，屬于富水軟弱破碎圍巖。同時隧道節理裂隙發育，節理裂隙大，為陡傾層軟弱圍巖地層。

都府隧道寬度為8.12 m，高度為9.69 m，開挖進尺為3 m，炮孔直徑為42 mm。都府隧道所經過的區域其發育節理見表1，現場節理存在產狀之一如圖1所示。

圖1 現場節理

表1 都府隧道節理統計

2 數值計算

以30°節理傾角，間距0.45 m情況為例，分析節理裂隙導致光面爆破產生超欠挖原因，忽略斷面內與光爆層不相交的其他節理裂隙存在，研究與周邊眼光爆層相交的節理裂隙。

2.1 計算參數

巖體單元為彈塑性動力學模型，關鍵字段為*MAT_PLASTIC_KINEMATIC，計算考慮失效[5]。根據都府隧道地勘資料，計算參數見表2所示。

表2 圍巖參數

乳化炸藥采用炸藥單元(*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN)模擬，定義其相關狀態方程(*EOS_JWL)，材料參數見表3。

表3 炸藥參數

單孔爆破中存在徑向不耦合系數，因而在炸藥單元與炮孔壁之間存在空隙，需要引入空氣單元(*MAT_NULL)，并定義其相關的狀態方程(*EOS_LINEAR_POLYNOMIAL)，空氣單元材料參數見下表4。

表4 空氣參數

對于節理材料，假定節理為彈塑性體，選取弱化的圍巖參數作為其材料參數，如下表5所示。

表5 節理參數

2.2 計算工況方案設置

隧道爆破過程采用全斷面開挖，即同時起爆所有周邊眼。為實現層狀節理地層光面爆破效果，建立不同周邊眼布局工況下，隧道光面爆破模型，其計算工況如表6所介紹。

表6 計算工況

結合以上兩種工況建立的數值計算模型[6]如圖2(a)、圖2(b)所示。網格單元采用的六面體單元，且均為高質量網格單元，并未出現畸形網格。

(a)工況1隧道斷面模型

2.3 計算結果分析

為了弄清楚節理對光面爆破效果的影響，對工況1情況下的斷面每隔一段時間提前其有效應力云圖，結果如圖3所示。

從各時刻有效應力云圖可知：在33 us之前，炸藥爆炸產生的能量主要以柱面波的形式進行傳播，炸藥彼此之間并未發生波的疊加效應，但此時層狀節理軟弱帶處炮孔周圍產生應力集中。之后在33～233 us之間，位于軟弱帶附近的炸藥產生的應力波開始疊加，節理附近炮孔周圍產生應力集中，軟弱層處應力值要低于其他部位，之后應力波疊加在一起，節理附近的巖體被大面積破壞，并延伸至隧道設計輪廓線以外的位置。233 us之后周邊眼炮孔之間彼此連通，其爆破效果基本成型。

通過對工況1、2隧道邊界周圍落石的清理后，得到節理存在處的超欠挖情況如下圖4所示。

從工況1超欠挖圖上可看出：位于拱頂、左拱肩處及右側墻角處均產生了較大的超挖情況，三者附近最大超挖量均超過了26 cm，其中最大超挖發生在左側拱肩處，超挖超過47.13 cm，遠大于《評定標準》里規定25 cm，且對于其余部位超挖量也均在18 cm以上，斷面平均超挖為22 cm遠大于《評定標準》里規定平均超挖不超過的15 cm。造成工況1左拱肩處超挖和右墻角處超挖主要形成原因是：爆破時產生的應力波疊加后的應力作用于節理的軟弱夾層處，造成軟弱夾層巖土失效，形成裂隙，造成與軟弱帶相連接的部分的巖體的脫落，從而造成較大超欠挖，這種超挖在節理軟弱帶與炮孔連線近似平行時表現最為明顯。

從工況2超欠挖示意圖看，該斷面超挖尺寸要遠遠小于工況1情況，平均線性超挖在12.8 cm，滿足《評定標準》規定不超過15 cm要求，最大線性超挖16.19 cm，出現在仰拱，但小于《評定標準》里規定25 cm。工況2中，節理層因炸藥用量較少，不耦合系數較大，爆破時釋放應力波較小，并未造成節理處軟弱巖層大面積破碎，從而未導致與炮孔連線近似平行處巖體的大面積脫落。

3 結論

通過對隧道周邊眼爆破后圍巖的有效應力及隧道超欠挖情況等進行比較分析，探明層狀節地層對隧道光面爆破效果的影響，可得出以下結論：

圖3 工況1情況下各個時間點有效應力云圖

(a)工況1情況下斷面超欠挖效果

(1)層狀節理地層的軟弱帶附近的炸藥產生的應力波發生疊加，造成節理附近炮孔周圍產生應力集中，導致節理附近的巖體被大面積破壞，并延伸至隧道設計輪廓線以外的位置，這是層狀節理地層產生超挖的主要原因。

(2)對于30°傾角層狀節理地層隧道爆破后的拱頂以及拱頂左側拱肩處以及右側墻角處出現較大超挖的原因為爆破均造成軟弱夾層的巖土失效，形成裂隙，造成與軟弱帶相連接的部分的硬質巖體的脫落。

(3)層狀節理地層下隧道爆破后產生的超挖現象在節理軟弱帶與炮孔連線近似平行時表現最為明顯。在施工時可以采用注漿加固的措施，對與炮孔平行處的節理進行加固，從而減少超挖。

(4)減少周邊眼爆破時的炸藥用量，提高裝藥的不耦合系數，適當減少周邊眼間距，可以在周邊眼爆破時釋放較小應力波，可以有效的減少隧道爆破時的超挖現象，實現光面爆破的目的。