隧道水壓爆破數值模擬分析及應用研究

肖海苑，李俊均

(保利長大工程有限公司，廣州 511431)

水壓爆破技術是用水封和專用設備制作的“炮泥”代替土或巖屑回填堵塞的技術，主要利用水的不可壓縮性和炮泥的堵塞作用，使爆炸能量經過水介質傳遞到炮眼圍巖中，減少爆破應力波在傳播過程中的衰減[1]。與傳統爆破(空氣介質)方法相比較，水壓爆破技術達到了“三提高一保護”的效果，即“提高炸藥能量的有效利用率、提高掘進效率、提高經濟效益、降低粉塵改善作業環境”，解決了傳統純炮泥堵塞炮眼爆破中存在的問題[2]。

水壓爆破最早出現在上世紀初的城市拆除爆破中，經挪威、瑞典和日本等國學者的嘗試及推廣，引入隧道工程。以Bridgman、Cole[3]為代表的美國科學家對TNT、特屈兒和偏托里特等理想炸藥的球形藥包水下爆炸沖擊波進行了系統的研究，得到了水下爆炸場中任意點壓力與初始峰值壓力的關系，并提出了后來被廣泛使用的庫爾經驗公式。鮑姆、薩多夫斯基等[4]前蘇聯和捷克科學家對水中沖擊波的傳播、界面反射、折射作用等爆炸流體動力學問題也進行了系統研究，并提出了著名的鮑姆經驗公式。近年來，日本的Itoh 和 Shigeru等[5]將高速攝影技術用于水下爆炸研究中，用特征線法較好闡釋了沖擊波衰減過程，并模擬了初始沖擊波的傳播規律；褚懷保等[6]通過楔形掏槽爆破試驗，分析了巖石強度和掏槽孔傾角與炮孔利用率、槽腔深度和槽腔體積的關系；張尤平等[7]通過水壓爆破的典型工程試驗，總結了水壓爆破的技術要點和經濟效率；王立川等[8]通過現場試驗和數值模擬手段對隧道含水掏槽孔在不耦合裝藥情況下的爆破振動規律進行了研究；高紅賓[9]將常規爆破和水壓爆破的效果進行對比分析，證明水壓爆破在用藥量、巖石破碎、控制飛石、縮短爆堆距離、提高施工效率、降塵等方面具有的優勢和特點。

在前人研究的基礎上，本文結合高速公路金林隧道前期常規爆破施工開挖中遇到炸藥能量利用率低、掘進效果差、爆破危害性大、爆破作業施工成本高、粉塵濃度大等相關問題，開展相應常規爆破與水壓爆破對比試驗，進行水壓爆破效果分析，探討水壓爆破的實用性，并同步將試驗研究成果運用于此隧道施工中。

1 水壓爆破理論

1.1 水壓爆破機理

水是一種難以壓縮的流體介質，當外界壓力增加1 000 kg/cm2時，水的密度變化Δρ/ρ=5%。若將炸藥包置于受約束的有限水域，爆炸時爆轟波傳到藥包表面及藥包接觸的水層，將引起流體介質強烈壓縮和運動，水的密度會瞬間增大，質點速度可達到1 km/s以上，擾動沿徑向外傳播，引起外層水的壓縮和運動，形成水中沖擊波，利用水中沖擊波來傳遞爆炸能量和壓力的原理，即為水壓爆破機理。

當炮孔堵塞時，沖擊波過后，水還受到爆轟氣體膨脹壓力的推動作用，進一步作用于孔壁。這時水的壓力可認為是準靜態壓力，各方向壓力相等。水的密度遠大于空氣的密度，炸藥在水中爆炸后氣體產物的膨脹速度比在空氣中小得多，隨著波陣面壓力的下降，介質質點速度迅速下降。另外，由于水在爆生裂隙中滲流速度較低，同時也阻礙了爆生氣體的滲流，因而降低了噪音和抑制飛石的產生，起到緩沖作用。滲流到裂縫中的水也會形成“水楔”，另外因水的傳能作用，水攜帶的能量遠高于氣體所攜帶的能量，致使裂縫炸裂擴展得更遠。

1.2 空氣不耦合裝藥時的孔壁初始壓力

空氣密度低、可壓縮性強，炸藥爆后產生的高溫高壓爆生氣體在炮孔中膨脹直接撞擊孔壁，對孔壁巖面形成沖擊壓縮作用，并近似認為這種高速沖擊使孔壁沖擊壓力較炮孔中的爆生氣體膨脹準靜壓力增大了8～11倍，由此得出的孔壁初始沖擊壓力為[10]：

Pi=nPs

(1)

式中：n為壓力增大倍數，取n=8～11；Ps是爆生氣體膨脹炮孔時的準靜態應力[11]，kN。

(2)

式中：ρe、ve分別為炸藥密度與爆速；Kd是炮孔裝藥不耦合系數，Kd=db/dc(db、dc分別為炮孔直徑和裝藥直徑)；k為絕熱指數，一般近似取k=3。

1.3 水不耦合裝藥時的孔壁初始壓力

水介質不耦合裝藥爆破時，水介質的作用使得孔壁所受到的爆炸沖擊壓力有較大變化。當水中沖擊波到達孔壁后會迅速衰減為彈性應力波并以波速Cp在巖石中徑向傳播，沖擊波在孔壁周圍巖體中的壓縮作用范圍很小，因此可忽略巖石中沖擊波的影響，將沖擊波與孔壁巖面的碰撞當作是彈性的。假定沖擊波是以正入射的形式作用在孔壁巖面上，則可用彈性理論近似求解出孔壁上的初始沖擊壓力值[11]：

(3)

式中：ρ1Cp為巖石的波阻抗；ρ0υ1為傳播沖擊波波速為υ1時水介質的波阻抗；Qc、QT分別為給定炸藥的爆炸熱及TNT的爆炸熱。

1.4 不同介質下孔壁初始沖擊壓力對比分析

為了對比空氣不耦合和水不耦合裝藥時的孔壁處初始沖擊壓力，根據現場使用的炸藥和圍巖狀況，選取以下具體的實際爆破參數：ρe=1 250 kg/m3、ρ1=2 530 kg/m3、ρ0=1 000 kg/m3、ve=4 500 kg/m3、Cp=4 390 kg/m3、υ1=2 701 kg/m3、QT=4 200 kg/m3、Qc=3 670 kJ/kg。

根據公式(1)～(3)分別計算出空氣介質和水介質下裝藥爆炸時的孔壁初始壓力Pi和Pd，結果如表1和圖1所示。

由表1和圖1可以看出：

圖1 不同耦合介質裝藥爆炸時的孔壁初始壓力

表1 不同耦合介質裝藥爆炸時的孔壁初始壓力 MPa

1)爆炸時的孔壁初始壓力隨著不耦合系數Kd的增大而減小，因此現場爆破施工時盡量采用較小的不耦合系數Kd，減少爆破應力波在傳播過程中的衰減。

2)不耦合系數Kd相同時，水介質不耦合裝藥爆破(水壓爆破)產生的孔壁初始壓力Pd始終大于空氣介質不耦合裝藥爆破(常規爆破)的孔壁初始壓力Pi，說明在水介質中進行裝藥爆破比在空氣介質中進行爆破效果更好。

3)隨著不耦合系數Kd的增大，水壓爆破的孔壁初始壓力衰減幅度遠小于常規爆破，表明水介質能更好地傳遞爆破能量，炸藥能量利用率高，儲能作用明顯。

2 水壓爆破數值模擬分析

2.1 數值分析模型的建立

2.1.1 算法的選擇

LS-DYNA軟件以Lagrange算法為主，兼有Euler算法、ALE算法，并以顯示求解為主，兼有隱式求解功能。

1)Lagrange算法：以網格單元的變形描述物質的運動界面，能精確地跟蹤材料邊界和界面，一旦Lagrange網格畸變嚴重，計算就難以繼續進行。在巖石爆破等大變形問題的計算中需要定義材料侵蝕失效準則來模擬巖體的破碎、裂紋的發展行為。

2)Euler算法：Euler算法的網格是固定的，變形用物質的輸運和流動來描述，因而從理論上適用于處理大變形問題。本算法操作步驟為：(1)Lagrange計算；(2)重分計算網格。但是Euler算法相對來說計算耗時較長，且存在物質在網格中的流動界面不清晰的缺點。

3)ALE算法：多物質ALE算法在邊界運動處理上借鑒了Lagrange算法，同時在網格的劃分上吸納了Euler方法的長處，因此能有效處理大變形問題，且其計算精度比純Euler算法更高，缺點是存在邊界不光滑及歐拉物質非物理穿透的問題。

隧道開挖爆破在數值模擬中最主要的問題是炸藥、空氣、水、炮泥之間的耦合關系及大變形、大位移問題[12]，為實現流體-固體耦合的動態分析，在數值計算過程中選取ALE算法定義空氣、水、炮泥及炸藥模型，選用Lagrange算法建立巖體模型。

2.1.2 計算模型的建立

假定圍巖是均質的，建立二維數值模型進行爆破模擬。模型幾何尺寸為4 m×3 m，炮孔孔深3.3 m，孔底預留0.7 m保護層；炮孔直徑45 mm，藥卷直徑32 mm，采用從炸藥底部起爆的方式；中間為空氣介質、裝藥部分或者水介質、裝藥部分。為分析不同堵塞方式下的爆破效果差異，在炮孔周圍設置 A～F共8個應力測點，通過求解各測點應力時程曲線獲得各測點的有效應力峰值，并對數據進行對比分析。

2.1.3 材料的本構關系及參數選取

為了能對爆破過程中的巖石及炮泥材料大變形問題進行合理分析、消除不確定因素、保證結論的可靠性，假定巖體與炮泥材料是均質且各向同性。巖石介質采取彈塑性材料模型來定義，并在屈服應力中引入了應變率因子，以便較好地模擬炸藥爆炸近區巖體應變和應變率效應，采用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC材料進行模擬[13]。炸藥采用高能炸藥材料模型(MAT_HIGH_EX-PLO-SIE_BURN)；空氣和水介質均采用MAT_NULL空白材料模型；炮孔堵塞材料采用*MAT_SOIL_AND_FOAM狀態方程確定。在高壓狀態下，空氣與水采用Gruneisen狀態方程描述[14]。

2.1.4 單孔柱狀不耦合裝藥模型工況設置

采用水壓爆破時，炮眼的布置、深度、數量、時間間隔、起爆順序與常規爆破一致，不同的是在每個炮眼中增加了水袋和炮泥，適當減少了裝藥量和改變了裝藥結構。為研究水壓爆破堵塞方式對爆破效果的影響，設置4種裝藥方式進行對比計算分析，水壓爆破裝藥結構如圖2所示，各工況具體裝藥參數如表2所示。

圖2 水壓爆破裝藥結構示意

表2 各工況水壓爆破裝藥結構參數 cm

2.2 模擬計算結果及分析

4種裝藥結構工況下模擬計算得到的炮孔圍巖有效應力云圖(0.28 ms)如圖3所示。對比工況1和其他工況可以看出：在水介質環境下爆破時，炮孔周圍的有效應力分布均勻，爆破效果較好；工況4中，在爆破孔底部采用20 cm的水袋代替了部分炸藥，其有效應力分布情況與工況2中基本類似，說明水壓爆破在達到同樣爆破效果的情況下可減少部分炸藥。

(a)工況1

為進一步研究各工況下的炮孔圍巖有效應力分布，利用后處理程序LS-PREPOST獲得4種工況下各個應力測點對應單元的有效應力時程曲線，并提取了對應的有效應力峰值，結果如表3所示。根據表3繪制出4種工況下沿炮孔軸向應力分布和沿炮孔徑向應力分布，如圖4所示。

表3 各測點有效應力峰值 MPa

(a)沿炮孔軸向應力分布

由表3和圖4可知：

1)在相同藥量與水袋長度情況下，水袋移至炮孔底作為水墊層代替了部分炸藥，其測點應力分布與裝藥時相類似。同時由于孔底的水墊層，炸藥藥柱向爆孔中間移動，炸藥沿炮孔長度分布更加均勻，使炮孔區段裂隙增加，圍巖得到充分破碎。

2)當采用水土復合堵塞時，在總的水袋長度一致時，沿炮孔軸向的水袋分布越分散，則沿炮孔軸向的峰值有效應力衰減越慢，應力作用范圍越大，將水袋分多段裝填有利于均勻破碎巖石，更充分地利用炸藥能量。

3)相同裝藥長度條件下，采用水土復合堵塞并在孔底用水袋代替一部分炸藥的軸向不耦合裝藥能提高能量利用率，提高爆炸應力對巖體的作用，使產生的爆炸應力更均勻作用于巖體，使得巖體更均勻破碎、大塊率降低。

從爆破效果綜合及成本考慮，同等裝藥長度條件下，采用水土復合堵塞并在孔底用水袋代替一部分炸藥的軸向不耦合裝藥結構最優，爆破效果好，節約爆破成本，同時裝藥結構形式簡單，現場可操作性強。

3 現場試驗及效果分析

3.1 工程概況

金林隧道為分離式特長隧道，雙向4車道，設計速度120 km/h。隧道左線長3 448 m，最大埋深約 317 m；隧道右線長3 466 m，最大埋深約 333 m。隧道穿過構造侵蝕中低山地貌，地形起伏大，地面標高 490 m～859 m，最大相對高差約 369 m，山體植被茂密。隧址區地層巖性主要為第四系坡殘積粉質粘土、元古代云開巖群變質砂巖、加里東期花崗巖及其風化層。坡殘積土層、全-強風化巖巖質極軟,遇水易軟化崩解；中風化層破碎，巖質較軟-較硬，微風化層巖質較硬-堅硬，節理裂隙較發育，較破碎-較完整。根據淺層地震折射波，隧道區間覆蓋層層厚在 2.1 m～48.5 m 之間，縱波波速在 390 m/s～1 100 m/s 之間，圍巖較松散，穩定性較差；基巖由中、微風化花崗巖組成，測線隧道區間縱波波速 3 140 m/s～5 290 m/s，根據波速推斷，基巖巖體比較完整，Ⅲ級圍巖占88%，Ⅲ圍巖開挖斷面寬度12.05 m，高度8.5 m，斷面面積90 m2。

3.2 現場爆破試驗方案

以金林隧道Ⅲ級圍巖段(斷面面積90 m2)開展水壓爆破與常規爆破對比試驗。對比基礎以相同開挖斷面面積、炮眼布置和鉆孔深度的條件下開挖為例，按鉆爆設計相關要求進行相應的預設計。

3.2.1 炮眼參數

水壓爆破炮眼參數與常規爆破炮眼布置除周邊眼布置不一樣外，其他炮眼布置相同。水壓爆破周邊眼間距擴大至80 cm(常規爆破50 cm)，常規爆破周邊眼50個，水壓爆破周邊眼32個，其他炮眼數均一樣?，F場爆破炮眼分布如圖5所示，現場爆破試驗參數如表5、表6所示。

表6 現場水壓爆破試驗參數

(a)水壓光面爆破與常規爆破方案比較

3.2.2 裝藥結構

在炮眼底部放置一節20 cm長水袋代替一節乳化炸藥的裝藥結構，各類型炮眼均采用反向起爆方式，其他與常規爆破方案相同。各類型炮眼裝藥結構及參數如表7所示。

表7 水壓爆破炮眼裝藥結構及參數

3.2.3 裝藥方法

裝藥前，先用專用標尺復核炮孔深度及整改到位。爆破持證專業人員按照鉆爆設計確定的裝藥量分片組織自上而下進行裝藥，裝藥單孔根據鉆爆設計參數及順序按要求裝入相應的水袋、藥卷、炮泥。裝藥時，采用人工用木制炮棍裝藥，用炮棍輕輕搗實，避免藥卷之間間隔較大，影響傳爆。在裝藥過程中嚴禁大力用炮棍搗實炸藥，防止用力過猛后使水袋破裂或使裝藥密度過大，造成炸藥壓死拒爆。

3.2.4 水袋制作工藝

往炮眼中注水的工藝是，先把水灌入到塑料袋中，然后把水袋填入炮眼的底部與中上部位。水袋加工封口機采用塑料灌裝封口機，塑料袋為通用的聚乙烯塑料制成，袋厚0.8 mm左右，炮眼直徑為45 mm，水袋直徑為35 mm，袋長200 mm左右，封口機使用前，排空水管內空氣，然后將袋子分別安裝在噴嘴上，水袋灌滿后壓口塑封。合格的水袋要求：飽滿、封口嚴實、不漏水、不滲水，堅實挺拔，便于在炮眼中裝填。

3.2.5 水壓爆破施工工藝

水壓爆破工藝流程與普通爆破基本相同，不同之處在于要事先加工好爆破所需的炮泥及水袋，并在裝藥時按照設計的裝藥結構分次序裝入水袋、炸藥、水袋后，用炮泥堵塞。

1)測畫斷面炮眼定位：首先使用全站儀定出隧道的軸線與圓心，再以半徑長在掌子面用紅油漆畫出開挖輪廓線，最后根據炮眼布置圖畫出炮眼位置，須嚴格控制周邊眼和掏槽眼的測放精度。

2)鉆孔：按測畫斷面炮眼位置進行開眼，開眼的位置要求盡量不偏離設計炮位。其中周邊眼和掏槽眼要求達到“準、平、直、齊”，尤其要控制好以下幾點：(1)控制眼門誤差和眼底誤差，不大于5 cm；(2)周邊眼沿輪廓線調整誤差不大于5 cm，外插腳控制在20°～30°，眼底控制不超出開挖輪廓線10 cm；(3)除掏槽眼較深外，其他眼底落在同一垂直面上。

3)清孔、裝藥、起爆：炮眼鉆好后，用高壓氣體進行清孔，將孔中的鉆渣、小石渣清除干凈，嚴格按水壓爆破設計方案進行裝藥、起爆。

4)爆后檢查及盲炮處理：響炮30 min及排煙后方可進入爆區檢查，并對開挖斷面形狀、輪廓尺寸、爆破效果、爆堆的形狀大小、飛石最大距離及盲炮情況進行現場記錄，適時對爆破設計進行優化調整。如發現盲炮應立即按專項應急預案進行處理。

3.3 水壓爆破效果

經過對掌子面(開挖斷面面積、炮眼布置和鉆孔深度相同的條件下)25個爆破數據統計分析，水壓爆破的優勢主要體現在以下幾個方面：

1)水壓爆破平均循環進尺3.6 m，最高循環進尺可達3.75 m，相比于常規爆破的平均進尺3.35 m提高了0.25 m，水壓爆破平均炮孔利用率92.4%，較常規爆破平均炮孔利用率83.3%提高了9.1%。

2)水壓爆破每循環總裝藥量213.6 kg，常規爆破每循環總裝藥量246.3 kg，每循環節省炸藥32.7 kg。

3)經過10次爆破粉塵濃度監測結果對比分析，水壓爆破比常規爆破粉塵濃度平均降低了42.5%，平均排煙時間由44 min縮短為22 min。

4)水壓爆破巖石破碎粒度相對比較為均勻、大塊率降低、基本不發生爆破飛石，個別飛石可控制在20 m范圍左右，且爆堆集中，便于隧道出渣挖裝和運輸作業，減少出渣時間。

4 結論

1)爆破時，水介質不耦合裝藥爆破產生的孔壁初始壓力始終大于空氣介質不耦合裝藥，孔壁初始壓力隨著不耦合系數Kd的減小而增大，且水壓爆破的孔壁初始壓力衰減幅度遠小于常規爆破?，F場爆破施工時，為充分提高炸藥能量的有效利用率，宜采用較小的不耦合系數的水壓爆破方式。

2)沿炮孔軸向的水袋分布越分散，則沿炮孔軸向的峰值有效應力衰減越慢，應力作用范圍越大。水袋置于孔底時，炸藥藥柱向爆孔中間移動，炸藥沿炮孔長度分布更加均勻，使炮孔區段裂隙增加，巖石得到充分破碎。

3)采用水土復合堵塞并在孔底用20 cm水袋代替部分炸藥的軸向不耦合裝藥結構，在同等開挖進尺情況下，炸藥的使用量少，爆破粉塵濃度低，施工工期短，具有顯著的“節能環保”作用。