垂直節理巖體隧道掘進開挖周邊孔參數優化研究

關瑞士，王 剛，張仁坤，冉 立，周靖堯

（中海建筑有限公司，廣東 深圳 518000）

鉆爆法是我國隧道主要的開挖方法，具有經濟高效的特點，在鉆爆開挖過程中，超欠挖問題一直沒有得到很好的解決，且巖體存在結構面，致使應力波在傳播過程中有反射、折射現象，增大兩節理間的有效應力，造成局部出現更大的超欠挖。超欠挖嚴重影響了爆破質量，增加了施工成本和減緩了施工進度。因此，研究自然界中存在節理裂隙隧道爆破控制技術，對于減少超欠挖十分重要。

目前，國內外學者對此展開了大量的研究，朱紅兵等[1]運用爆轟波理論對空氣間隔裝藥爆破炮孔內的爆轟產物的運動及其相互作用過程進行了推導與分析，解釋了空氣間隔裝藥技術的作用機理，并提出了確定合理空氣層比例的方法。劉江超等[2]采用LS-DYNA 模擬分析水和空氣2 種介質做間隔物時周邊孔爆破效果，并與常規空氣間隔爆破進行對比得出最優的爆破裝藥結構。文獻[3-6]通過理論分析和現場試驗的方法，針對層狀巖隧道拱頂超挖嚴重、邊墻存在欠挖的問題，從炮孔間距、裝藥量和裝藥結構等方面優化了光面爆破參數，對比分析優化前與優化后隧道爆后圍巖特征、最大超欠挖和圍巖變形情況，驗證了掘進爆破優化方法的適用性。楊躍宗等[7]通過有限元軟件LS-DYNA 建立數值模型，對徑向不耦合系數、軸向不耦合裝藥位置、軸向不耦合系數等爆破參數對巖石損傷分布和孔壁壓力分布的影響進行了研究。趙安平等[8]建立一維模型的節理巖體，利用連續-非連續單元方法，分析了節理數量、節理間距、節理傾角等不同參數對爆破效果影響顯著，節理發育程度和爆破效果是負相關關系且在節理之間巖體爆破破碎程度更大。張鳳鵬等[9]研究了不同填充物質對爆破效果的影響，發現填充介質時節理面的反射拉伸波弱于不填充介質的，且填充介質時端部裂紋發展更充分。

上述研究對隧道爆破周邊孔間隔裝藥、不耦合裝藥進行了詳細的研究，同時，也對存在節理面巖體爆破應力波的傳播、節理間距、節理數量和節理填充介質對爆破效果的影響進行了多方面的分析。但對存在節理裂隙巖體爆破時的超欠挖現象的研究較少。本文考慮了巖體存在垂直節理裂隙對爆破應力波傳播的影響，分析了不同不耦合系數和周邊孔間隔裝藥結構在節理裂隙巖體中的爆破效果，優化周邊孔爆破參數，并為施工現場提供指導。

1 工程概況

1.1 現場概況

天城壩隧道為雙線分離式結構，右線全長4 280 m，起止樁號為K108+210—K112+490；左線全長4 258 m，起止樁號為ZK108+250—ZK112+508，均屬于特長隧道，且最大埋深518.41 m。隧道位于桑場背斜北東翼，具有泥巖、泥質粉砂巖、泥質灰巖和煤層等多種不良地層。

施工現場采用上下臺階爆破開挖，開挖斷面面積為98 m2，上臺階高7 m，下臺階高2.59 m。上臺階打孔97 個：其中解炮眼2 個，孔深3 m；掏槽眼12 個，孔深4.8~4.9 m（鉆頭長5 m）；輔助眼38 個、周邊眼36 個、底眼9 個，孔深4.2~4.3 m（鉆頭長4.5 m）。每循環炮孔布置位置基本相同，炮孔數量相差5 個。

1.2 巖體參數確定

巖樣取自天城壩隧道施工現場，據巖石力學學會要求，將巖樣制作成φ50 mm×100 mm 標準試件。開展靜力學實驗，測得板巖的靜力學參數見表1。

表1 板巖靜力學參數

2 數值模型

2.1 材料選擇

2.1.1 巖石

炸藥爆破過程中，炸藥周邊巖石屈服破壞會產生很大的應變。然而HJC 模型適用于大變形、高應變的巖石，其綜合考慮了應變率及損傷演化的影響，能較好地描述巖體在爆破荷載作用下的破碎行為，其相關參數[10-13]見表2。

表2 HJC 相關參數

2.1.2 炸藥

炸藥采用2#乳化炸藥，模型材料選用MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN，需結合狀態方程JWL 聯用，JWL狀態方程為

式中：A、B，R1、R2、ω 為材料常數；E0為初始內能；V 為體積；P 為爆壓。相關參數[14-15]見表3。

表3 炸藥相關參數

2.1.3 空氣、節理

空氣作為流體材料，需結合本構方程和狀態方程聯合描述其行為，空氣模型選用MAT NULL，狀態方程選用LINEAR POYNOMLAL。相關參數[16]：ρ=1 290 kg/m3，C4=C5=0.4，E0=0.25 MPa，V0=1。節理也選用MAT NULL。

2.1.4 炮泥

炮泥選用泡沫模型MAT SOIL AND FOAM 表示，計算參數[17]見表4。其中A0為屈服函數常數；EPS2、EPS3、EPS4 為體積應變；P1、P2、P3 為與體積應變對應的壓力。

表4 炮泥相關參數

2.2 模型建立

含垂直節理隧道在爆破掘進過程中，周邊孔對爆破效果影響顯著，周邊孔的布置直接影響光面爆破效果，超欠挖程度。為減少超欠挖和形成良好的光面爆破效果，采用不耦合裝藥和空氣間隔裝藥聯動防控方法對周邊孔數進行優化。目前天城壩隧道周邊孔不耦合裝藥結構如圖1（a）所示，空氣間隔裝藥結構如圖1（b）所示，藥卷直徑為32 mm。

圖1 裝藥結構

建立以周邊孔為研究對象的三維模型，每條節理裂隙寬度為50 mm，除掌子面之外其余面均定義為無反射邊界，炸藥、空氣、節理炮泥ALE 算法，圍巖采用拉格朗日算法。

3 結果分析

3.1 不耦合系數對爆破的影響規律

在隧道施工中，采取耦合裝藥的方式會使炸藥利用率最高，但對孔壁周圍巖石破壞較嚴重，會形成很大的粉碎區。因此在隧道施工中多采用不耦合裝藥?？諝獠获詈涎b藥通過在炮孔內填充空氣，對爆炸沖擊波起到緩沖作用，使爆炸沖擊波作用于炮孔壁的強度減小，作用時間增長，從而提高爆破效率。

3.2 不同不耦合系數爆破效果對比

巖體中節理裂隙的存在使爆炸應力波傳播至結構面時會發生反射、投射現象，導致爆炸應力波衰減，抑制了垂直于節理方向應力波的傳播與裂紋的發展。為清晰觀察不同不耦合系數下含垂直節理巖體內部損傷演化規律，選取不同不耦合系數作用下的損傷云圖，如圖2 所示。從圖中可以看到，不同不耦合系數對炸藥在爆炸時向巖石傳遞能量影響較大，可以發現，隨著K的增加，粉碎區開始增加，在K=1.31 時最大，然后開始逐漸減小，由于距離炮孔左右兩邊存在寬為50 mm 的節理裂隙，應力波傳播過程中被反射，增加了炮孔周圍有效應力，使粉碎區范圍明顯有平行于節理裂縫方向擴大的趨勢，粉碎區范圍呈現為矩形。K=1.81 時，由于大量空氣的存在，阻礙應力波的傳播，明顯減小了作用于孔壁的峰值應力。

圖2 不同K 值的損傷云圖

取不同K 值下各模型260~600 μs 時間段巖石內部應力圖，可清晰觀察到爆破應力波作用下巖石內部應力變化。在159 μs 時，不同K 值模型的應力分布出現差異，不耦合裝藥存在的空氣柱使炮孔壁周圍存在低壓區，減緩較大沖擊波直接作用于巖石產生粉碎現象，當K=1.31~1.56 時，空氣使沖擊波產生衰減，讓其攜帶均勻能量作用于巖石，產生良好的爆破效果；K=1.81 時，大量的空氣嚴重削減了爆炸能量，導致沒有足夠的能量破碎巖石。在599 μs 時，K=1.31 的應力最大，K=1.56 應力第二，耦合裝藥應力第三，因為耦合裝藥較大沖擊波直接作用孔壁，產生強烈粉碎巖石作用，減小了應力，K=1.81 應力最小。所以，取K=1.31 時爆破效果最好。

3.3 空氣間隔裝藥結構優化

3.3.1 三段裝藥

通過不同不耦合系數的對比得到含垂直節理隧道爆破在K=1.31 時裝藥結構最優，但現場采用周邊孔連續裝藥爆破后產生的應力過大，浪費炸藥，也造成超欠挖嚴重。因此，為得到裝藥結構的最優設計參數，通過調整炮孔兩端空氣介質長度得到3 種裝藥結構，見表5。

表5 三段裝藥參數

為了得到在節理巖石爆破間隔裝藥結構的最優參數，提取在兩炮孔連線中心沿炮孔方向距掌子面0.5、1、2、3、3.5、4 m 處（后處理軟件ls-prepost 中的第一主應力） 和周邊孔處沿平行于掌子面上方0.1、0.15、0.2、0.25 m 處單元的最大拉應力進行分析，并與表1 中巖石的抗拉強度對比，如圖3 所示。由圖3 可見，隨著孔底空氣介質增加和孔口空氣介質的減少，在距離掌子面0.2、0.5 m 處的拉應力開始增加，距離掌子面2、2.5、2.8、3.3 m 處的峰值應力逐漸減小。當孔底空氣介質D=0.6 m 時，孔口的拉應力峰值不能達到巖石的抗拉強度，此時，孔口巖石不能有效破碎，導致拋擲困難；當D=0.9 m、D=1.2 m 時，孔底抗拉強度低于巖石的抗拉強度，不能滿足3.3 m 循環進尺的施工要求。

圖3 有節理的炮孔連線中部單元峰值應力

3.3.2 四段裝藥

將空氣介質間隔數量增加到3 個，藥量保持不變（表6）。同理為了得到最優的裝藥設計參數，對于3 種四段間隔裝藥結構進行模擬，發現裝藥結構不同，起爆后炸藥的應力變化也不同。由圖4 可見，隨著孔底空氣介質的增加和孔口空氣介質的減少，當D<2 m時，峰值抗拉強度逐漸增加，在D=2 m 時峰值抗拉強度最大，然后開始減小。當孔底空氣介質長度為0.3 m時，由于孔口空氣介質長度過大，應力波被空氣介質大量消耗，導致孔口巖石不能有效破碎，當孔底空氣介質長度為0.9 m 時，由于孔底空氣柱過長，孔底的峰值抗拉強度達不到巖石抗拉強度，不能滿足3.3 m 的循環進尺要求。

圖4 有節理的炮孔連線中部單元拉應力峰值

表6 四段裝藥參數

通過上述分析得到孔底空氣介質長度為0.6 m的四段間隔裝藥結構最優，為減少隧道超欠挖現象，提取該裝藥結構周邊孔至隧道輪廓線的垂直線上的單元，分析應力的變化情況，設計周邊孔距離至隧道輪廓線的最優距離。由圖5 可見，周邊孔沿隧道設計輪廓線方向上節理間的拉峰值峰值大于節理外的拉應力峰值，這是因為節理的存在，導致應力波傳播到節理處發生反射和折射現象，增加了兩節理之間的應力。隨著炮孔沿隧道輪廓線方向的距離增加，拉應力峰值逐漸減少，節理外的拉應力峰值在距周邊孔30 cm 處小于巖石的抗拉強度，而兩節理之間的拉應力峰值在距周邊孔35 cm 處小于巖石的抗拉強度。因此，在兩節理外的周邊孔至隧道輪廓線的距離設置為25 cm，節理內周邊孔至隧道輪廓線的距離設置為30 cm，即可保證不欠挖，也能最大限度減少超挖。

4 現場應用

為對上述研究進行驗證，本文通過對天城壩隧道進行現場試驗。采用不耦合裝藥系數K=1.31，孔底空氣介質長度為0.6 m，孔口空氣介質長度為0.6 m 的四段間隔裝藥結構能夠保證3.3 m 循環進尺的施工要求，且使爆破能量更均勻地作用于巖體。周邊孔裝藥結構和爆破參數優化后，最大超挖34 cm，最小超挖為6 cm，平均超挖控制在20 cm 內，如圖6 所示，超欠挖控制效果較好。

圖6 全斷面隧道超挖示意圖

5 結論

1）在相同藥量情況下，對于板巖隧道周邊孔不耦合系數K=1.31 時，能夠使爆破能量更均勻作用于孔壁，對孔壁周圍和節理裂隙巖體的破碎情況要優于其他不耦合系數。

2）對空氣間隔裝藥結構參數進行優化得到當周邊孔采用三段間隔裝藥結構不能滿足3.3 m 的循環進尺要求，采用孔底和孔口空氣介質長度均為0.6 m 的裝藥結構最合適，能夠滿足施工設計要求。

3）對于周邊孔孔底、孔口空氣介質長度均為0.6 m的四段間隔裝藥結構，將理處周邊孔至隧道設計輪廓線的距離控制在25 cm 內，無節理處周邊孔至隧道輪廓線的距離控制在30 cm 內，既能保證不欠挖，同時也能最大限度減少超挖，能將平均超挖控制在20 cm 內，爆破效果較好，降低了混凝土的超耗量。