隧道掘進(jìn)周邊孔間隔裝藥結(jié)構(gòu)選取及優(yōu)化*

劉江超，高文學(xué)，張聲輝

(北京工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，北京 100124)

目前空氣間隔裝藥結(jié)構(gòu)在隧道光面爆破中得到大量應(yīng)用，它能夠保證開挖輪廓的光滑平整減小對圍巖的損傷，以及圍巖的完整性和自身承載力[1,2]。國內(nèi)外研究人員通過數(shù)值模擬、理論分析和相關(guān)實驗等多種方法對其進(jìn)行了研究。謝烽等在炸藥單耗相同的情況下對三種不同孔徑的合理空氣間隔長度進(jìn)行研究，結(jié)果表明采用空氣間隔爆破形成的大塊率及級配情況好于連續(xù)裝藥[3]；張迅結(jié)合爆破設(shè)計及實際施工情況，介紹了不耦合裝藥系數(shù)對施工的影響[4]；王圣濤等在施工現(xiàn)場進(jìn)行多次空氣間隔光面爆破試驗[5]，通過不斷優(yōu)化爆破參數(shù)提出了適合的爆破方案；Fourney W L和Moxon N T也先后通過實驗、理論進(jìn)行了空氣間隔爆破技術(shù)的研究及應(yīng)用[6,7]。

后來發(fā)現(xiàn)水介質(zhì)相對空氣具有不可壓縮性，傳遞爆炸能量的效果更好而且爆炸后形成的水霧能夠降低爆破粉塵，因此水間隔裝藥在隧道掘進(jìn)過程中得到了應(yīng)用。劉江超等對常見的三種水封爆破裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬并結(jié)合現(xiàn)場試驗，得到了最優(yōu)的水封爆破裝藥結(jié)構(gòu)[8]；李啟月等采用預(yù)留光爆層水壓爆破技術(shù)進(jìn)行爆破施工，有效的解決了線性超挖大、光爆效果差等問題[9]，證明預(yù)留光爆層水壓爆破技術(shù)對大斷面特長公路隧道掘進(jìn)爆破危害控制的可行性。萬嗣鵬等從水壓爆破、掏槽形式和延時時間三個方面對爆破方案進(jìn)行優(yōu)化[10]，結(jié)果表明水壓爆破技術(shù)結(jié)合準(zhǔn)直眼掏槽形式能較好地改善爆破效果，形成較好的隧道輪廓和掏槽效果。

上述研究主要針對炮孔中存在水或空氣單一介質(zhì)時的間隔裝藥爆破過程及效果，而在實際施工過程中采用水間隔爆破時，裝藥結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，同時涉及到空氣和水兩種介質(zhì)作為間隔物。當(dāng)這兩種介質(zhì)同時存在時，爆破裝藥結(jié)構(gòu)以及參數(shù)對爆破效果的影響有待進(jìn)一步研究。因此本文以延崇高速溫泉隧道為工程背景，采用LS-DYNA模擬分析水和空氣兩種介質(zhì)做間隔物時周邊孔爆破效果，并與常規(guī)空氣間隔爆破進(jìn)行對比得出最優(yōu)的爆破裝藥結(jié)構(gòu)，然后進(jìn)行裝藥結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化為工程施工提供參考。

1 工程背景

1.1 場地概況

以延崇高速公路為工程背景，該公路是北京和張家口聯(lián)合舉辦2022年冬奧會的重點配套工程。進(jìn)京線樁號：ZK21+044～ZK26+111，全長5067 m；出京線樁號：YK21+105～YK26+141，全長5036 m。其中主要結(jié)構(gòu)溫泉隧道出京線2376 m，進(jìn)京線2345 m，其中Ⅴ級圍巖占比40%，Ⅳ級圍巖占比45%，Ⅲ級圍巖占比15%，圍巖性質(zhì)較差。

1.2 爆破設(shè)計參數(shù)

由于隧道圍巖性質(zhì)較差，為了保證施工安全，采用上下臺階法進(jìn)行施工。其中上臺階循環(huán)進(jìn)尺為3 m，輔助孔、周邊孔深度為3.3 m，掏槽孔深度3.5 m，炮孔孔徑42 mm，炮孔布置以及起爆順序如圖1所示。

圖 1 炮孔布置及起爆順序(雷管段別)Fig. 1 Blast hole layout and initiation sequence (detonator segment)

2 模型建立及參數(shù)的選取

2.1 模型建立

在隧道掘進(jìn)爆破過程中，周邊孔對最終的爆破效果具有重要影響。為了形成良好的光爆效果，周邊孔通常采用空氣間隔進(jìn)行施工。目前溫泉隧道周邊孔空氣間隔裝藥結(jié)構(gòu)如圖2(a)，為了進(jìn)行對比在藥量相同情況下的爆破情況，周邊孔水間隔爆破裝藥結(jié)構(gòu)如圖2(b)。爆破相關(guān)參數(shù)為：循環(huán)進(jìn)尺3 m，炮孔長度3.3 m，直徑42 mm；單個藥卷長度0.3 m(共4個藥卷，1.2 kg)，直徑32 mm。裝藥結(jié)構(gòu)隨間隔介質(zhì)的不同進(jìn)行變化，采用空氣間隔裝藥結(jié)構(gòu)時，空氣間隔為0.4 m。當(dāng)采用水間隔時，孔口水介質(zhì)長0.4 m，其余間隔長度均為0.3 m。

圖 2 四段炸藥裝填結(jié)構(gòu)(單位：m)Fig. 2 Four stage explosive loading structure(unit:m)

以周邊孔為研究對象建立三維立體模型如圖3所示，長×寬×高=10 m×0.8 m×7 m，其中寬度是以光爆層厚度為依據(jù)，孔間距為0.6 m。將上方和后方界面定義為自由邊界，左右、下方和前方界面定義為無反射邊界。計算時炸藥、水和空氣采用多物質(zhì)ALE算法，圍巖采用常規(guī)拉格朗日算法。

圖 3 數(shù)值模型(單位：m)Fig. 3 Numerical model(unit:m)

2.2 材料本構(gòu)模型與參數(shù)

(1)巖石

在炸藥爆炸過程中，臨近炸藥的部分巖石發(fā)生屈服形成破碎區(qū)，此時巖石應(yīng)變很大，應(yīng)變率效應(yīng)非常明顯，JHC模型適用于高應(yīng)變率、大變形的混凝土和巖石，其等效屈服強(qiáng)度是與壓力、應(yīng)變率以及損傷的函數(shù)，其相關(guān)參數(shù)為[11,12]：密度ρ=2586 kg/m3，剪切模量G=6.52 GPa，A=0.79，B=1.6，C=0.007，N=0.61，fc=0.048 GPa，T=0.004 GPa，Ef min=0.01，Sf max=7，Pcrush=0.016 GPa，ucrush=0.001，Plock=0.8 GPa，ulock=0.1，D1=0.04，D2=1，k1=85 GPa，k2=-171 GPa，k3=208 GPa，EPS0=1E-6。

(2)炸藥

采用2#巖石乳化炸藥，材料模型選用MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN，該材料模型需與JWL狀態(tài)方程聯(lián)用，JWL方程為

(1)

式中:P為壓力；V為初始相對體積(P無量綱量)；E0為初始比內(nèi)能[12]；A、B、R1、R2、ω為試驗確定的參數(shù)，炸藥相關(guān)參數(shù)為：密度ρ=1240 kg/m3、爆速D=3200 m/s、爆壓PCJ=7.4 GPa、A=214.4 GPa、B=0.182 GPa、R1=4.2、R2=0.9、ω=0.15、E0=4.192 GPa、V=1.0。

(3)炮泥

炮泥選擇土壤和泡沫模型MAT_SOIL_AND_FOAM來表示，炮泥計算參數(shù)：密度ρ=1800 kg/m3、剪切模量G=0.02 GPa、體積模量B=0.035 GPa、A0=0.161 GPa、EPS2=0.05、EPS3=0.09、EPS4=0.11、P2=34 GPa、P3=45 GPa、P4=66 GPa。其中A0為塑性屈服函數(shù)的屈服函數(shù)常數(shù)；EPS2、EPS3、EPS4為體積應(yīng)變值；P2、P3、P4為與體積應(yīng)變值相對應(yīng)的壓力。

(4)水

水作為一種流體材料，一般需要本構(gòu)方程和狀態(tài)方程來描述其行為，水采用空物質(zhì)材料本構(gòu)MAT_NULL，狀態(tài)方程采用Gruneisen方程，其相關(guān)參數(shù)為：密度ρ=1000 kg/m3、C=1480、S1=2.56、S2=-1.986、S3=0.227、GAMAO=0.5、A=1.3937、E1=256、V0=1.0。其中E1為初始內(nèi)能；V0為初始相對體積[12]。

(5)空氣

空氣與水介質(zhì)一樣采用空物質(zhì)材料本構(gòu)MAT_NULL表示，狀態(tài)方程采用LINEAR_POLYNOMIAL_TITLE，其相關(guān)參數(shù)為：密度ρ=1.29 kg/m3，C4=0.4，C5=0.4，初始內(nèi)能E0=0.25 MPa。

3 水間隔爆破與空氣爆破對比

由圖4可以看到，炸藥完全起爆以后在圍巖中主要以拉應(yīng)力的形式存在，同時伴隨少量的壓應(yīng)力。其中水間隔爆破完全起爆后，除藥柱周圍存在壓應(yīng)力以外，在間隔水介質(zhì)周圍同樣存在一定的壓應(yīng)力，這是因為水作為一種不可壓縮介質(zhì)，能夠?qū)⒈芰坑行У膫鬟f到炮孔圍巖中，起到了等效藥柱的作用。空氣間隔爆破完全起爆后，爆炸形成的壓應(yīng)力幾乎全部集中在藥柱周圍。因此采用水間隔裝藥進(jìn)行爆破能夠?qū)⒈芰勘容^均勻的傳遞到孔壁，爆破效果更好。

圖 4 水間隔與空氣間隔爆破應(yīng)力云圖Fig. 4 Stress nephogram of water and air interval blasting

巖石作為一種抗壓不抗拉的介質(zhì)，在爆破過程中以拉應(yīng)力破壞為主。當(dāng)炸藥完全起爆時，水間隔爆破炮孔周圍和上部的拉應(yīng)力作用范圍大于空氣間隔爆破，孔底拉應(yīng)力作用范圍小于空氣間隔爆破。當(dāng)爆炸應(yīng)力波繼續(xù)傳播至自由面后，水間隔爆破炮孔周圍和炮孔上部的拉應(yīng)力作用范圍依然大于空氣間隔爆破，孔底拉應(yīng)力作用范圍小于空氣間隔爆破。說明采用水間隔爆破對孔壁周圍和炮孔上部的圍巖破碎情況要好于空氣間隔爆破，同時還能降低對掌子面后方圍巖的擾動以及損傷，保證新開挖掌子面的平整，減少后續(xù)施工壓力。

為了更加準(zhǔn)確的研究圍巖爆破破碎效果，需要對圍巖的受力和圍巖的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行對比從而進(jìn)行判斷。通過參考文獻(xiàn)[13、14]進(jìn)行計算得到相關(guān)力學(xué)參數(shù)如表1。

表 1 斑狀花崗巖動態(tài)力學(xué)參數(shù)

巖石爆破過程中以拉應(yīng)力破壞為主，因此在兩個炮孔連心線中部以及光爆層處沿炮孔軸向在距離自由面0.2 m、0.4 m、1.9 m、3 m、3.3 m處提取單元進(jìn)行拉應(yīng)力分析，并提取峰值應(yīng)力與表1中的巖石動態(tài)抗拉強(qiáng)度對比，具體見圖5。

圖 5 水間隔與空氣間隔爆破拉應(yīng)力峰值對比Fig. 5 Comparison of peak tensile stress between water interval and air interval blasting

由圖5可以看到，除了水間隔裝藥在光爆層處距離自由面3.3 m的拉應(yīng)力峰值小于圍巖的動態(tài)抗拉強(qiáng)度12.32 MPa外，兩種裝藥結(jié)構(gòu)爆炸后在其它單元處形成的拉應(yīng)力峰值均大于圍巖的動態(tài)抗拉強(qiáng)度12.32 MPa，說明都能夠滿足設(shè)計要求的3 m循環(huán)進(jìn)尺同時對圍巖進(jìn)行有效破碎。但是空氣間隔裝藥由于炸藥直接放置在孔底，所以對炮孔底部圍巖破壞較大容易導(dǎo)致破裂，給后續(xù)施工(如鉆孔、支護(hù)等)帶來不便。

此外，水間隔爆破在距離自由面0.2 m、0.4 m、1.9 m、3 m處生成的拉應(yīng)力峰值均大于空氣間隔爆破，說明同等裝藥條件下采用水間隔爆破時，巖石破碎效果優(yōu)于空氣間隔爆破，形成的碎石塊度更小，能量利用率更高。

4 水間隔爆破裝藥結(jié)構(gòu)優(yōu)化

4.1 三段炸藥裝填

通過第3節(jié)可以看到采用水間隔裝藥進(jìn)行爆破優(yōu)于空氣間隔裝藥，但是現(xiàn)場周邊孔采用的裝藥量爆破后產(chǎn)生的應(yīng)力整體偏大，造成炸藥浪費。因此減少裝藥量，將藥卷數(shù)量減少至3個，藥卷間距為0.3 m，裝藥結(jié)構(gòu)如圖6。

圖 6 三段炸藥裝填結(jié)構(gòu)(單位：m)Fig. 6 Three stage explosive loading structure(unit:m)

為了得到最優(yōu)的裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)(主要為炮孔兩端的水介質(zhì)長度)，通過調(diào)整炮孔兩端水介質(zhì)長度共得到六種裝藥參數(shù)，見表2。

對上述六種裝藥參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬，由于裝藥結(jié)構(gòu)不同，炸藥起爆后在相同時刻的應(yīng)力變化情況也不相同。為了更好的進(jìn)行對比，以爆炸應(yīng)力在自由面反射后的應(yīng)力云圖為對象進(jìn)行分析，孔底水介質(zhì)長度0.3～0.8 m裝藥結(jié)構(gòu)爆破應(yīng)力云圖如圖7。

通過對比分析看到，隨著孔底水介質(zhì)長度的增大，孔底的高應(yīng)力作用范圍不斷減小且向炮孔上方逐步收縮，意味著對孔底圍巖造成的損傷逐步減小。而孔口的高應(yīng)力區(qū)域不斷增大，導(dǎo)致孔口圍巖破壞程度增大。炮孔周圍爆炸形成的高應(yīng)力整體區(qū)域隨著孔底水介質(zhì)長度的增大而減小，說明當(dāng)孔底水介質(zhì)長度過長時，炸藥爆炸能量開始流失。為了得到最優(yōu)的裝藥參數(shù)，在兩個炮孔連心線中部以及光爆層處沿炮孔軸向在距離自由面0.2 m、0.4 m、1.9 m、3 m、3.3 m處提取單元進(jìn)行拉應(yīng)力分析，并提取峰值應(yīng)力與表1中的巖石動態(tài)抗拉強(qiáng)度對比，具體見圖8。

表 2 三段裝藥參數(shù)

圖 7 三段裝藥爆炸應(yīng)力云圖Fig. 7 Stress nephogram of three stage charge

圖 8 三段裝藥不同結(jié)構(gòu)拉峰值應(yīng)力Fig. 8 Tensile peak stress of different structures of three stage charge

由圖8可知，隨著孔底水介質(zhì)長度的增大以及孔口水介質(zhì)長度的減小，距離自由面0.2 m、0.4 m處圍巖受到的拉應(yīng)力峰值增大，距離自由面3 m、3.3 m處圍巖受到的拉應(yīng)力峰值減小，距離自由面1.9 m處的圍巖由于藥卷位置的變化受到的拉應(yīng)力峰值隨之變化。當(dāng)孔底水間隔長度為0.7～0.8 m時，距離自由面3 m處圍巖的拉應(yīng)力峰值小于圍巖的動態(tài)抗拉強(qiáng)度12.32 MPa，此時已不能滿足爆破施工要求的3m循環(huán)進(jìn)尺。當(dāng)孔底水間隔長度為0.6 m時，光爆層距離自由面3m處圍巖受到的拉應(yīng)力峰值小于圍巖的動態(tài)抗拉強(qiáng)度12.32 MPa，同樣不能進(jìn)行有效爆破。當(dāng)孔底水介質(zhì)長度為0.5 m時，能夠滿足施工要求的循環(huán)進(jìn)尺同時對圍巖進(jìn)行有效破碎。因此選擇孔底水介質(zhì)長度為0.5 m，孔口水介質(zhì)長度為0.8 m較為合適。

4.2 兩段炸藥裝填

通過第4.1節(jié)可以看到將藥卷數(shù)量減少至3個能夠滿足設(shè)計需求，那么繼續(xù)減少藥量是否還能滿足設(shè)計要求需要進(jìn)行探討。因此繼續(xù)減小藥量，將藥卷數(shù)量降低至兩個，藥卷間距設(shè)置為0.5 m，裝藥基本結(jié)構(gòu)如圖9。

圖 9 兩段炸藥裝填結(jié)構(gòu)(單位：m)Fig. 9 Two stage explosive loading structure(unit：m)

同理為了得到最優(yōu)的裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)(主要為炮孔兩端的水介質(zhì)長度)，通過調(diào)整炮孔兩端水介質(zhì)長度共得到六種裝藥參數(shù)，具體參數(shù)見表3。

表 3 兩段裝藥參數(shù)

對上述六種裝藥參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬，由于裝藥結(jié)構(gòu)不同，炸藥起爆后在相同時刻的應(yīng)力變化情況也不相同。同樣選擇爆炸應(yīng)力在自由面反射后的應(yīng)力云圖進(jìn)行分析，孔底水介質(zhì)長度0.3～0.8 m裝藥結(jié)構(gòu)爆破應(yīng)力云圖如圖10。

可以看到爆炸應(yīng)力變化情況與三段炸藥裝藥結(jié)構(gòu)一樣，隨著孔底水介質(zhì)長度的增大，孔底的高應(yīng)力作用范圍逐步向上收縮，孔底圍巖損傷逐步減小。同時孔口的高應(yīng)力作用范圍增大，導(dǎo)致孔口圍巖破壞程度增大。而且在相同情況下爆炸形成的高應(yīng)力區(qū)域和三段藥卷爆炸相比明顯減小。在兩個炮孔連心線中部以及光爆層處沿炮孔軸向在距離自由面0.2 m、0.4 m、1.9 m、3 m、3.3 m處提取單元進(jìn)行拉應(yīng)力分析，并提取峰值應(yīng)力與表1中的巖石動態(tài)抗拉強(qiáng)度對比，具體見圖11。

由圖11可知，隨著孔底水介質(zhì)長度的增大以及孔口水介質(zhì)長度的減小，孔底水介質(zhì)長度為0.6 m、0.7 m、0.8m已不能滿足爆破施工要求的3 m循環(huán)進(jìn)尺。當(dāng)孔底水介質(zhì)長度為0.3 m、0.4 m、0.5 m時，由于孔口水介質(zhì)長度的增加導(dǎo)致孔口圍巖不能有效破碎。因此當(dāng)周邊孔采用水間隔爆破時，兩段裝藥已經(jīng)不能滿足施工要求。

5 工程應(yīng)用

為了對上述結(jié)果進(jìn)行驗證，選取溫泉隧道作為水間隔爆破試驗地點，在施工現(xiàn)場進(jìn)行爆破測試，并與空氣間隔爆破效果進(jìn)行對比。溫泉隧道作為2022年冬奧會配套工程之一，圍巖主要為斑狀花崗巖，其密度為2586 kg/m3，彈性模量為16.55 GPa，泊松比0.267，爆破效果見圖12。

圖 11 兩段裝藥不同結(jié)構(gòu)峰值應(yīng)力Fig. 11 Tensile peak stress of different structures of two stage charge

圖 12 爆破效果Fig. 12 Blasting effect

通過圖12的現(xiàn)場爆破效果可以看到，采用孔底水介質(zhì)長度0.5 m，孔口水介質(zhì)長度0.8 m，藥卷間距0.3 m的三段裝藥結(jié)構(gòu)能夠達(dá)到施工設(shè)計要求的3 m循環(huán)進(jìn)尺，同時可以看到殘留的炮孔壁，相較空氣間隔裝藥形成更好的光爆效果，說明采用上述裝藥結(jié)構(gòu)是合理可行的。而且相比空氣間隔采用的四段裝藥，裝藥量減少降低了炸藥單耗，節(jié)約了施工成本。

6 結(jié)論

(1)在藥量相同的情況下，周邊孔采用水間隔爆破能夠?qū)⒈芰勘容^均勻的傳遞到孔壁，對孔壁周圍和炮孔上部的圍巖破碎情況要好于空氣間隔爆破，說明達(dá)到相同的爆破效果，采用水間隔爆破裝藥結(jié)構(gòu)能夠降低炸藥單耗。

(2)對水間隔裝藥時的裝藥結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化得到當(dāng)周邊孔裝藥量為三段藥卷時，相比四段藥卷對孔壁圍巖的損傷明顯減小，當(dāng)孔底水介質(zhì)長度為0.5 m，孔口水介質(zhì)長度為0.8 m較為合理，能夠達(dá)到爆破設(shè)計要求。

(3)通過現(xiàn)場試驗證明周邊孔采用三段藥卷，孔底水介質(zhì)長度為0.5 m，孔口水介質(zhì)長度為0.8 m能夠達(dá)到施工設(shè)計要求的3 m循環(huán)進(jìn)尺，同時形成較好的光爆效果。相比空氣間隔采用的四段裝藥，裝藥量減少降低了炸藥單耗，節(jié)約了施工成本。