水壓光面爆破中水袋分布對圍巖損傷特性的影響研究

吳瑋琛,郤保平,2,尚思遠

(1.太原理工大學礦業工程學院,太原 030002;2.太原理工大學原位改性采礦教育部重點實驗室,太原 030002)

隨著國家西部大開發及“一帶一路”戰略的持續推進,我國基礎設施建設重點逐步向西部轉移[1-3]。然而,由于我國西部地區海拔較高,地質條件復雜,交通基礎建設中橋隧占比極高,以“川藏鐵路”為例,其橋隧段總長度可達1 413 km,占到線路全長的84%[4-5]。鉆孔爆破以其經濟高效的特點,現階段仍是隧道修建中一種重要的開挖方式,且隨著綠色、精細化爆破概念的提出,水壓爆破正在被廣泛的應用于隧道開挖。

相比于常規爆破開挖,水壓爆破主要是利用水作為傳爆介質,以提高爆炸能量的利用率,降低粉塵對環境的影響[6]。近年來,大量學者針對水壓爆破展開相關研究,如王海洋等[7]通過理論分析及數值模擬相結合的方式,研究了層理面位置及其介質屬性對水壓爆破中應力波傳播的影響規律;李真珍等[8]則借助有限元軟件分析了不同地應力、不同耦合系數及不同耦合介質條件下,深部煤層水壓爆破裂紋擴展規律;李立功等[9]則分析了小凈距雙洞隧道水壓爆破中,先行洞的爆破振動相應特性;邵珠山等[10]通過數學模型,分析了水壓爆破中沖擊波在水中的作用規律;吳波等[11]依托金井隧道爆破開挖,研究了聚能水壓爆破的作用機理及其損傷演化過程;王威等[12]則依托重慶軌道交通五號線,對比了常規爆破及水壓爆破在施工成本及爆破效果方面的優劣。

現有關于水壓爆破作用機理及其爆破效果影響因素已有大量研究,但水壓爆破中水袋位置及水袋數量的不同,也會導致爆破效果的差異,而已有的關于水袋分布對爆破效果的研究鮮有報道。借助有限元軟件AUTODYN,通過SPH-FEM耦合的方式比較了不同水袋分布下,光爆孔爆破的損傷演化特性,并依托秦嶺天臺山隧道,驗證了水袋均勻分布下的爆破效果。研究成果有助于深化對水壓爆破的進一步認識,并為隧道水壓光面爆破中爆破參數的優化提供參考。

1 不同水袋分布圍巖損傷特性

1.1 數值模型與參數

1)SPH-FEM耦合計算模型。巖石爆破過程中,炸藥在爆炸的瞬間會產生高溫高壓的爆生氣體,之后爆生氣體撞擊炮孔壁,形成劇烈的沖擊波,在沖擊波與爆生氣體的共同作用下,炮孔周圍巖體被充分破碎及拋擲。然而,傳統的有限元算法(FEM)在處理巖石爆炸產生的大變形問題時易形成網格畸變,進而導致計算效率下降,計算結果失真。光滑粒子流體動力學(SPH)方法是由Lucy及Gingold提出的一種無網格理論的拉格朗日粒子法。SPH算法的自適應性能夠很自然地處理巖石爆破中的大變形問題,但其計算效率較低,且難以施加邊界條件。基于以上2種算法的特點,在數值模擬中采用SPH-FEM的計算方法,即在爆破近區采用SPH算法模擬巖石的變形開裂,而在爆破遠區采用FEM網格建模以提高爆破計算效率。其中SPH 粒子與FEM網格間采用點-面膠結的方式進行連接,以保證位移及受力信息的有效傳遞[13]。

為計算隧道水壓光面爆破中,光爆孔爆破巖體的損傷特性,采用SPH-FEM耦合的方式建立數值計算模型,如圖1所示。由圖1可知,計算模型尺寸為5 m×5 m,炮孔直徑為42 mm,炸藥直徑為25 mm,填塞為0.5 m,炮孔長度為3.5 m。炮孔周邊設置為SPH區域,并施加邊界為自由面,尺寸為1.0 m×4.0 m,其余區域設置為FEM區域,并施加無反射邊界,參考文獻[14],光爆層厚度設置為80 mm,水袋及炸藥長度均設置為200 mm。

圖1 數值計算模型Fig.1 Numerical model

2)材料參數。文中借助JWL 狀態方程來模擬炸藥的爆轟過程,JWL狀態方程中炸藥爆轟產物壓力、能量及體積間的關系可由下式表示:

(1)

式中:Pd為爆轟產物的壓力;A1、B1、R1、R2及ω為與炸藥性質相關的獨立常數;V為爆轟產物的相對體積;而E0為初始體積內能,參考相關文獻[15],炸藥的具體參數取值如表1所示

表1 JWL狀態方程主要參數

采用RHT模型模擬巖石本構,該模型基于HJC本構,綜合考慮了巖石在破壞過程中的應變率敏感性、壓縮損傷軟化特性及應變硬化等特性,并引入了彈性極限面、失效面和殘余失效面,被廣泛應用于巖石爆破數值模擬。

具體失效方程見式(2)。

(2)

式中:p為壓力;θ為 Lode角;ε為應變率;R3(θ)為偏平面上的角偶函數;Frate(ε)為應變率強化因子;Y*TXC(p)為壓縮子午線上的等效應力強度;fc為單軸抗壓強度;Pspall為層裂強度;P*spall為標準化靜水壓力;A,N為材料常數。

RHT模型假定損傷是非彈性應變的積累,并借助損傷變量D去描述殘余失效面,具體表達式如下:

(3)

式中:D1、D2為損傷常數;εpfailure為失效應變;εfmin為最小失效應變。參考文獻[15],其具體參數取值如表2所示。

表2 巖石RHT本構模型參數

1.2 數值模擬結果

1)不同水袋位置。現場實際中,水壓光面爆破中水袋位置一般位于炮孔上下兩側,或在炮孔中均勻分布。為對比不同水袋位置下巖石的損傷特性,故采用有限元軟件AUTODYNA,開展如下2種工況的數值模擬。

不同水袋位置下,光爆孔爆破誘發損傷云圖如圖2所示。從圖中可以看出,不同水袋位置下,炮孔周邊及自由面方向均產生明顯損傷,且受上部自由面反射應力波的影響,炮孔上部的裂紋擴展范圍相對較大。當水袋位于炮孔上下側時,保留巖體最大損傷深度為34.8 cm,最小損傷深度為10 cm,爆破損傷的分布沿炮孔軸向變化較大;當水袋位于炮孔內部均勻分布時,保留巖體最大損傷深度為25 cm,、最小損傷深度為15 cm,損傷分布較為均勻,更有利于形成較為光滑的開挖輪廓。此外,相比水袋上下分布,當水袋于炮孔內部均勻分布時,抵抗線方向裂紋擴展較為均勻,更有利于后期的出渣與運輸。

圖2 不同水袋位置下的損傷云圖Fig.2 Damage contour under different locations of water bags

不同水袋位置下炮孔孔壁中間位置的爆破荷載曲線如圖3所示。從圖中可以看出,當水袋位于炮孔上下兩側時,爆破荷載呈三角形分布,荷載峰值為55.1 MPa,持續時間為0.16 ms;當水袋于炮孔內均勻分布時,爆破荷載峰值明顯降低,最大荷載峰值為45.4 MPa,出現在0.28 ms,且荷載持續時間更長,約為0.84 ms。這主要是由于當水袋位于炮孔上下兩側時,炮孔內部仍以空氣作為主要的傳爆介質,爆轟產物膨脹速度較快,爆破荷載峰值較大;而當水袋于炮孔內均勻分布時,炮孔內則以水作為主要的傳爆介質,由于水具有不可壓縮性,且其流動黏度較大,水中爆轟產物膨脹速度降低,作用于炮孔壁上的荷載減小,但持續時間更長,更有利于形成較為均勻的開挖輪廓。

圖3 不同水袋位置下的孔壁荷載Fig.3 Load of hole wall under different water bag positions

2)不同水袋數量。為比較水袋于炮孔內均勻分布時,不同水袋數量的影響,又計算了水袋數量分別為6段及8段條件下巖石的損傷特性,并與水袋數量為4段條件下巖石的損傷特性展開對比分析,具體水袋于炮孔內的位置分布如圖4所示。

圖4 不同水袋數量下的炮孔結構Fig.4 Hole structure under different water bag quantities

不同水袋數量下,炮孔周邊巖石的損傷云圖如圖5所示,從圖中可以看出,不同水袋數量下最大損傷深度均出現在炮孔下部,且隨著水袋數量的增加,最大損傷深度逐漸減小,當水袋數量為4段時,其最大損傷深度為25 cm,而水袋數量為8段時,其最大損傷深度僅為18 cm。此外,隨著水袋數量的增加,炮孔周邊巖體的損傷輪廓更為平滑,但在抵抗線方向一定范圍內巖體破碎不夠充分,出現較大尺寸的巖塊,不利于后期爆破出渣。

圖5 不同水袋數量下的損傷云圖Fig.5 Damage cloud under different number of water bags

不同水袋數量下炮孔孔壁的爆破荷載曲線如圖6所示,由圖6可知,不同水袋數量下炮孔爆破荷載開始上升時間基本一致,但隨著水袋數量的增加,荷載峰值逐漸降低。當水袋數量為4段時,其荷載峰值為45.4 MPa,而當水袋數量為8段時,其荷載峰值下降為34.7 MPa。荷載峰值的下降,使得爆破產生沖擊波強度降低,則由自由面反射形成的拉應力波強度隨之下降,進而導致抵抗線方向巖體破碎不夠充分。

圖6 不同水袋數量下的爆破荷載曲線Fig.6 Blasting pressure curves under different quantity of water bags

由此可見,水袋數量的增加能夠降低作用于炮孔壁上的荷載峰值,從而形成更為光滑的開挖輪廓,但易形成大塊不利于后期的爆破出渣,且水袋數量的增加將加大施工成本,降低開挖效率。故現場實際中光爆孔采用了4段水袋均勻分布的裝藥結構,并開展相關現場試驗,對其爆破效果進行驗證。

3)無水袋爆破模擬

為了更好地驗證工程實踐,在炮孔中布置四節炸藥,并完全以空氣作為耦合介質,對無水袋爆破進行數值模擬,如圖7所示。對巖石造成的損傷云圖如圖8所示。

圖7 無水袋炮孔結構Fig.7 Blasthole structure of no water bag

圖8 無水袋炮孔的損傷云圖Fig.8 Damage cloud of no-water bag blast hole

從圖8可以看出爆破對巖石造成的損傷程度較為充分,但是爆破形成的輪廓面不夠平整,容易在圍巖處形成超欠挖,可以考慮將其與工程實踐進行對比。

2 現場試驗

2.1 工程概況

秦嶺天臺山隧道位于陜西省寶雞市鳳縣境內,全長為15.56 km,斷面凈寬為14 m,凈高為5 m,開挖斷面為129.2 m2,為雙洞六車道,是寶坪高速公路全線重點、控制性工程。隧道所處位置屬剝蝕高中山地貌,多為Ⅲ級圍巖,山高谷深,地形起伏較大。由于隧道長度較長,由斜井進入正洞后獨頭掘進最長達6.2 km,并且同時要對3個掌子面進行開挖,通風壓力十分大,故在隧道內設置了多個風機房。但在風機房送風聯絡道與排風聯絡道之間結構變化頻繁,實施常規爆破法進行施工極易造成超欠挖現象,工序轉換多,施工難度大。因此,現場施工中采用水壓光面爆破的方式,以改善隧道爆破開挖環境,形成光滑的開挖輪廓。

2.2 爆破設計及結果分析

結合某次隧道爆破開挖,對水袋數量為4段,并于炮孔內均勻布置時的爆破效果展開驗證分析。現場爆破炮孔布置如圖9所示,從圖中可以看出,本次試驗共包含61個炮孔,其中掏槽孔4個,炮孔間距為1.0 m;掘進孔22個,炮孔間距為0.7 m;底板孔7個,炮孔間距為0.9 m;周邊孔28個,炮孔間距為0.5 m。炮孔直徑均為42 mm,單次掘進進尺為2.6 m,為形成良好的爆破槽腔,掏槽孔相比于其他炮孔增加了5%～20%的鉆進深度。周邊孔內設置水袋,以降低粉塵形成光滑的開挖輪廓。現場爆破開挖輪廓如圖10所示。

圖9 炮孔布置平面Fig.9 Layout of blastholes

圖10 現場爆破開挖輪廓Fig.10 Blasting contour of onsite blasting

由圖10a可知,采用水壓爆破的條件下,形成了較為光滑的開挖輪廓,且并無明顯的超欠挖現場,最大超欠挖深度控制在10 cm左右。圖10b則為常規爆破條件下現場爆破開挖輪廓,輪廓表面出現了較為明顯的超欠挖,最大可達20 cm。此外,采用水壓光面爆破,爆破產生粉塵濃度顯著降低,巖石大塊率也明顯下降。

3 結論

1)相比于水袋于炮孔上下兩側分布,當水袋于炮孔內均勻分布時,炮孔孔壁荷載峰值降低,荷載持續時間更長,且爆破損傷較為均勻,易形成較為光滑的開挖輪廓。

2)水壓光面爆破中,隨著水袋數量的增加,炮孔孔壁荷載峰值隨之降低,但荷載的持續時間基本相同,損傷分布更為均勻,但易在抵抗線方向形成大塊,不利于后期爆破出渣。水壓光面爆破中,應結合現場實際選擇水袋數量,以保證開挖效率,提高爆破開挖質量。

3)文中僅分析了水壓光面爆破中不同水袋分布單個炮孔的損傷演化特征,而實際工程中,多個光爆孔往往同時起爆,不同炮孔間應力作用也更為復雜,建議針對多個炮孔齊發爆破損傷演化特征展開分析,以便獲得更為普適性的結論。

致謝:作者向中鐵十二局的同事們表示感謝,在現場試驗的過程中,他們給予了無私的幫助和支持,謝謝!