緩傾層狀巖體半斷面控制爆破研究

摘要 針對(duì)緩傾層狀巖體存在大量軟弱面的特性，文章首先通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研了解現(xiàn)場(chǎng)的光爆效果，分析了影響光面爆破效果的影響因素；然后，利用通用有限元軟件LS-DYNA對(duì)其進(jìn)行了數(shù)值模擬，并結(jié)合現(xiàn)有的爆破理論對(duì)其破巖過程進(jìn)行了分析；最后，針對(duì)空孔對(duì)控制爆破裂紋擴(kuò)展及應(yīng)力波傳播的影響進(jìn)行了分析，建立多組模型對(duì)節(jié)理強(qiáng)度、節(jié)理厚度及距離爆源的遠(yuǎn)近進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞 緩傾層狀巖體；光面爆破；爆破機(jī)理；影響因素；參數(shù)優(yōu)化

中圖分類號(hào) TP393.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2025）03-0111-04

0 引言

在鐵路隧道施工中，鉆爆法仍然是掘進(jìn)方法中的主流，其施工效率高、開挖快，具有明顯的優(yōu)點(diǎn)[1]。隨著隧道的不斷增多，隧道難免穿越特殊的地質(zhì)條件，如穿越節(jié)理裂隙發(fā)育的水平層狀巖體，其在受力變形方面具有明顯的各向異性[2]。未來(lái)隧道穿越特殊地質(zhì)條件的情況會(huì)越來(lái)越多，而水平層狀巖體也是其中的一部分，在隧道建設(shè)中不可避免[3]。

何碧波[4]通過研究水平層狀紅砂巖隧道掘進(jìn)爆破過程中的振動(dòng)、振動(dòng)傳播規(guī)律及對(duì)隧道超欠挖的影響，以此為依據(jù)優(yōu)化了光爆參數(shù)；張斌[5]對(duì)穿越層狀軟弱圍巖地質(zhì)條件的隧道進(jìn)行了爆破方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)，應(yīng)用流體動(dòng)力學(xué)和氣液兩相流動(dòng)理論，建立了爆破過程中的運(yùn)動(dòng)力學(xué)分析模型，提出采用半管爆破技術(shù)和在炮孔中安裝電子雷管的結(jié)合，分析了爆破后塑形區(qū)域的受力情況，得到了該隧道的最佳方案；蔡振宇等[6]基于區(qū)間重疊隧道爆破開挖的實(shí)際工程項(xiàng)目，通過理論計(jì)算進(jìn)行論證，采用非爆破方法進(jìn)行開挖，保證最小凈距段的結(jié)構(gòu)安全；徐幫樹等[7]通過現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)，并結(jié)合水平巖層的破壞機(jī)理進(jìn)行了分析，優(yōu)化了掏槽孔的布設(shè)及最大裝藥量參數(shù)，優(yōu)化后的上臺(tái)階平均超挖面積減小59.3%；張運(yùn)良等[8]通過公式推導(dǎo)對(duì)應(yīng)力波的傳播進(jìn)行了研究，得出夾層對(duì)應(yīng)力波的傳播起阻隔作用，在拱頂處由于裂縫沿著軟弱夾層形成，因此容易形成平板狀輪廓。

上述研究成果在實(shí)際工程中取得了較好的控制效果，對(duì)于光面爆破技術(shù)的發(fā)展具有重要作用，而在Ⅳ級(jí)圍巖中層狀巖體半斷面的控制爆破措施仍然較少。

該文針對(duì)緩傾層狀巖體的半斷面開挖工法進(jìn)行優(yōu)化，提出了一種控制拱頂平頂、減少拱腰超挖的方法。基于單雙孔爆破的裂紋擴(kuò)展機(jī)理與應(yīng)力波傳播機(jī)理，進(jìn)而對(duì)比了節(jié)理對(duì)裂紋擴(kuò)展及應(yīng)力波傳遞的影響；并通過對(duì)比不同的影響因素，探究光面爆破輪廓的控制方法；在現(xiàn)場(chǎng)通過爆破參數(shù)的調(diào)整試驗(yàn)，提出了針對(duì)拱頂拱腰超挖的爆破參數(shù)，通過現(xiàn)場(chǎng)多次試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的準(zhǔn)確性。

1 工程概況

西延高鐵延安段的富縣隧道位于陜西省延安市富縣鎮(zhèn)及茶坊鎮(zhèn)境內(nèi)，全長(zhǎng)16.29 km，為國(guó)內(nèi)少有的特長(zhǎng)隧道。富縣隧道4#斜井位于茶坊街道后余家溝村后，臨近310國(guó)道，通過施工便道出入，交通較為便利。

隧址區(qū)地層主要為第四系全新統(tǒng)人工素填土、黏質(zhì)黃土、第三系上新統(tǒng)泥巖、砂巖、礫巖，下伏三疊系上統(tǒng)砂巖、頁(yè)巖、泥巖、煤層。

2 隧道施工方案

西延高鐵富縣隧道4#斜井采用上下兩臺(tái)階進(jìn)行開挖，提供了寬敞的作業(yè)區(qū)域，有利于部署大型的機(jī)械化設(shè)備，從而提升施工效率。由于工序簡(jiǎn)化且干擾降低，施工組織和管理也更為便捷。此外，這種開挖方式還具有較大的施工工作面，使得鉆爆法施工更加高效，能夠加速掘進(jìn)進(jìn)程。同時(shí)，由于對(duì)圍巖震動(dòng)次數(shù)的減少，有助于維持圍巖的穩(wěn)定性，這對(duì)于確保施工安全和質(zhì)量至關(guān)重要。

2.1 光面爆破開挖實(shí)例

現(xiàn)場(chǎng)隧道爆破試驗(yàn)段里程為DK228+162.4～DK227+907.4，采用二臺(tái)階的光面爆破開挖方法，上臺(tái)階開挖高度為7.8～8.0 m，每次開挖3.6 m。現(xiàn)場(chǎng)使用手持風(fēng)鉆進(jìn)行鉆孔，孔徑為4.2 cm。Ⅳa+開挖斷面放大15 cm，開挖方量為148.91 m3；下臺(tái)階高度為3.1～3.3 m，仰拱高度為1.4 m。

按仰拱初支距掌子面60 m計(jì)算，采用三臺(tái)階法施工仰拱初支封閉的成環(huán)時(shí)間約20 d，而采用半斷面臺(tái)階法施工，仰拱初支封閉的成環(huán)時(shí)間約15 d，能夠有效加快初支封閉的成環(huán)。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)爆破開挖存在的問題分析

通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，記錄了基于原始爆破設(shè)計(jì)方案的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)成果。由于層狀巖體本身的層理結(jié)構(gòu)、層間黏合力較低，出現(xiàn)了爆破后拱頂巖體沿層面分離的平頂現(xiàn)象，拱頂輪廓為波折形分布，輪廓四周圍巖炮孔殘痕較少，巖塊掉落分界面位置存在局部超挖現(xiàn)象，最大線性超挖約為30 cm；同時(shí)，兩側(cè)拱腰處由于層間結(jié)合較差，亦存在臺(tái)階型的不規(guī)則超挖現(xiàn)象。

針對(duì)拱頂及拱腰處出現(xiàn)的離層及超挖現(xiàn)象，通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，在該試驗(yàn)段拱頂位置的層狀巖體厚度應(yīng)以10～20 cm為主。

3 緩傾層狀巖體光面爆破影響因素

針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)爆破中出現(xiàn)的拱頂平頂及拱腰處的超挖問題，對(duì)影響層狀巖體爆破的多種因素進(jìn)行研究。

3.1 空孔對(duì)裂紋導(dǎo)向的作用

使用ANSYS-LSDYNA進(jìn)行數(shù)值模擬，建立400×300×1 cm的平面模型，設(shè)置無(wú)反射的邊界條件。炮孔直徑為4.2 cm，耦合裝藥，炮孔間距為60 cm，并在兩炮孔中間布置1個(gè)相同尺寸的空孔，不裝藥。炮孔布置圖如圖1所示：

3.2 對(duì)裂紋擴(kuò)展的結(jié)果分析

選取爆破過程中具有代表性的裂紋擴(kuò)展及應(yīng)力傳播，如圖2～3所示。

在100 μs時(shí)，炮孔的粉碎區(qū)基本形成，產(chǎn)生的幾條主裂縫以炮孔為中心向四周擴(kuò)展，此時(shí)裂縫的生長(zhǎng)方向較為均勻，而空孔處受應(yīng)力集中的影響開始產(chǎn)生裂紋；在140 μs時(shí)，應(yīng)力波疊加并反射拉伸，兩炮孔之間的裂紋生長(zhǎng)迅速，受應(yīng)力波的影響出現(xiàn)了豎向的拉伸裂紋，在空孔處較密集，同時(shí)兩孔之間的主裂紋方向受空孔的影響，方向發(fā)生改變；在189 μs時(shí)，裂紋持續(xù)擴(kuò)展，炮孔連線中間的裂紋圍繞空孔發(fā)展；在600 μs時(shí)，裂紋生長(zhǎng)基本結(jié)束，炮孔連線范圍內(nèi)的裂紋基本圍繞空孔附近進(jìn)行擴(kuò)展生長(zhǎng)。

3.3 多種因素對(duì)爆破效果的影響

針對(duì)不同的節(jié)理厚度、節(jié)理強(qiáng)度、與炮孔的距離進(jìn)行數(shù)值模擬，以研究節(jié)理對(duì)巖體裂紋擴(kuò)展及應(yīng)力傳播的影響。

對(duì)于計(jì)算模型，采用平面應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)，模型尺寸為300 cm×300 cm，計(jì)算方法與前面一致。炸藥起爆方式為中心起爆，選取不同寬度、不同強(qiáng)度及距離爆源不同遠(yuǎn)近的層理進(jìn)行模擬分析，上部節(jié)理距離炸藥10 cm，下部節(jié)理距離炸藥中心20 cm。為研究其中的應(yīng)力時(shí)程曲線，取4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，A點(diǎn)在上節(jié)理面，B點(diǎn)在炮孔上方70 cm處，而C點(diǎn)與D點(diǎn)在下節(jié)理的對(duì)應(yīng)位置。節(jié)理材料如表1所示：

炮孔上下節(jié)理距離炮孔分別為10 cm、20 cm，節(jié)理寬度為5 cm、10 cm和15 cm及不同強(qiáng)度-節(jié)理Ⅰ、節(jié)理Ⅱ和節(jié)理Ⅲ，共九組模型進(jìn)行對(duì)比分析。選取有代表性的幾組工況，如圖4～6所示。

（1）節(jié)理Ⅱ-工況5 cm

（2）節(jié)理Ⅱ-工況10 cm

（3）節(jié)理Ⅱ-工況15 cm

通過分析裂紋擴(kuò)展圖片可得，對(duì)比同一節(jié)理下不同節(jié)理厚度的爆生裂紋擴(kuò)展情況，可以明顯觀察到距離炮孔較近的一側(cè)，在100 μs時(shí)有效應(yīng)力已穿透節(jié)理并向外傳播，而另一側(cè)并未穿透；600 μs時(shí)形成的最終結(jié)果顯示，在距離為10 cm的一側(cè)節(jié)理已產(chǎn)生明顯變形，背側(cè)巖石產(chǎn)生兩條主裂隙，并產(chǎn)生分支，在距離為20 cm的一側(cè)節(jié)理并未出現(xiàn)明顯形變，也無(wú)裂紋擴(kuò)展到背側(cè)巖石。

與此同時(shí)，兩條節(jié)理內(nèi)部的裂紋分布也與完整巖石有明顯區(qū)別，從水平方向來(lái)看，在接近爆源處，仍是向四周擴(kuò)散的裂紋，在距離爆源稍遠(yuǎn)處產(chǎn)生以橫向裂紋為主的裂紋，而在最遠(yuǎn)處產(chǎn)生以豎向裂紋為主的較密集裂紋；從豎直方向來(lái)看，發(fā)生形變較明顯的是距離爆源較近的一側(cè)節(jié)理，裂縫穿過此節(jié)理，并持續(xù)不規(guī)則擴(kuò)展，而在另一側(cè)則少有裂紋生成。

如圖7～8所示，應(yīng)力峰值對(duì)比可得如下結(jié)論：在節(jié)理巖體的爆破過程中，節(jié)理的強(qiáng)度和寬度對(duì)爆破效果具有顯著影響。具體來(lái)說，節(jié)理的強(qiáng)度越低，應(yīng)力峰值在穿透節(jié)理時(shí)的降低幅度越大，這表明節(jié)理對(duì)應(yīng)力波傳播的阻隔作用越強(qiáng)。當(dāng)節(jié)理與周圍巖石的波阻抗差異越大時(shí)，應(yīng)力波峰值的衰減也越明顯。同樣，節(jié)理的寬度越大，應(yīng)力峰值在穿透過程中的降低幅度也就越顯著。數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)有的理論研究成果保持一致，為優(yōu)化光面爆破技術(shù)提供了參考與依據(jù)。

3.4 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研

通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，將模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)爆破殘留的炮孔圖像進(jìn)行對(duì)比分析，如圖9所示：

由圖9可觀察到，水平方向的裂隙沿著節(jié)理面擴(kuò)展，并存在拉伸破壞下的豎向裂紋，豎直方向的裂紋以炸藥為中心向四周呈放射狀生長(zhǎng)。

通過對(duì)比數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)影像資料，印證了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。

4 緩傾層狀巖體超欠挖控制技術(shù)

4.1 優(yōu)化分析

該工程中為常見的泥巖、砂巖，并存在少量的煤質(zhì)夾層，拱頂巖層厚度以10～20 cm為主，拱腰處較厚，但層間結(jié)合較差。從現(xiàn)場(chǎng)爆破效果來(lái)看，隧道爆破效果較差，超欠挖現(xiàn)象較嚴(yán)重；在爆破開挖中，最后的斷面形狀受到水平層理結(jié)構(gòu)的影響較大，炸藥對(duì)于層狀節(jié)理的擾動(dòng)是主要原因，直觀表現(xiàn)為超挖現(xiàn)象，主要集中在拱頂處出現(xiàn)平頂現(xiàn)象，而拱腰處局部出現(xiàn)超挖，存在鋸齒狀斷面。

超挖主要原因是炮孔與層理面的距離較近，迎爆側(cè)的巖石破壞較嚴(yán)重，裂紋擴(kuò)展加快，使得裂紋穿過層理面，形成向上、具有一定角度、相對(duì)較長(zhǎng)的裂隙。在爆破振動(dòng)的作用下，加之層理面結(jié)合較差，拱頂巖石脫落，從而出現(xiàn)平頂現(xiàn)象，導(dǎo)致超挖。除此之外，對(duì)于周邊孔來(lái)說，節(jié)理與炮孔連心線夾角不同，這是造成拱腰處超挖的主要原因。

綜合理論分析、數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，為優(yōu)化爆破效果，應(yīng)考慮節(jié)理強(qiáng)度和炮孔連心線與層理結(jié)構(gòu)面夾角的相互作用，對(duì)此隧道的不同部位進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，具體如下：

（1）針對(duì)拱頂?shù)钠巾攩栴}，調(diào)整拱頂處周邊的孔裝藥量。

（2）為改善層理面與炮孔連心線夾角而導(dǎo)致的爆破效果不佳問題，在拱肩和拱腰區(qū)域適度縮小孔間距，并將周邊孔位置調(diào)整向內(nèi)，以避免因外插角過大而造成的超挖。

（3）在相鄰周邊孔之間增設(shè)空孔，利用其導(dǎo)向作用和應(yīng)力集中效應(yīng)促進(jìn)爆炸裂紋的貫通。

（4）在拱腰區(qū)域，根據(jù)層理分布適當(dāng)擴(kuò)大周邊孔間距，并增加空孔數(shù)量。對(duì)于隧道拱腳區(qū)域，由于層理結(jié)構(gòu)面與炮孔連心線近乎垂直，爆破效果相對(duì)較好，因此可適度增加孔距，并同樣將周邊孔向內(nèi)調(diào)整。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)效果

經(jīng)過爆破參數(shù)的調(diào)整，爆破后的超欠挖效果相對(duì)優(yōu)化前效果變好，具體表現(xiàn)為拱頂未出現(xiàn)平頂現(xiàn)象，拱腰處也并未出現(xiàn)明顯的臺(tái)階狀斷面。

5 結(jié)論

依托穿越緩傾層狀巖體地層的西延高鐵富縣隧道工程，采用數(shù)值模擬、理論分析并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研的手段，對(duì)層狀巖體的爆破參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化研究，得到的主要結(jié)論和成果如下：

（1）采用LS-DYNA對(duì)兩炮孔之間存在空孔的工況進(jìn)行模擬，由于應(yīng)力集中作用使得空孔處率先產(chǎn)生裂紋，并對(duì)之后的裂紋擴(kuò)展產(chǎn)生導(dǎo)向作用，使得裂紋集中在空孔附近，而垂直于炮孔連線方向的裂紋則減少。

（2）影響隧道爆破效果的參數(shù)很多，選擇了節(jié)理厚度、節(jié)理強(qiáng)度與距離炮孔的遠(yuǎn)近進(jìn)行研究，其中節(jié)理強(qiáng)度依次改變，并在炮孔上下的不同距離設(shè)置不同厚度的節(jié)理，共9組模擬進(jìn)行數(shù)值分析，得到了節(jié)理強(qiáng)度越低、節(jié)理厚度越大、節(jié)理距離越遠(yuǎn)，對(duì)應(yīng)力波的影響越大的結(jié)論。

（3）通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，將現(xiàn)場(chǎng)圖像與數(shù)值模擬的圖像進(jìn)行對(duì)比，印證了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。

（4）針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)平頂及拱腰超欠挖問題，將優(yōu)化后的爆破方案應(yīng)用到Ⅳ級(jí)圍巖緩傾巖層的爆破中，經(jīng)過多次循環(huán)驗(yàn)證，爆破成形效果較好，拱頂平頂與拱腰處階梯形的超挖問題得到了有效控制。

參考文獻(xiàn)

[1]吳渤.層狀巖體隧道圍巖擾動(dòng)區(qū)演化與錨固機(jī)理研究[D].北京：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)， 2016.

[2]張振剛，張鴻儒，張昀青，等.層狀圍巖隧道施工爆破與錨固研究[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào)， 2003（2）：74-77.

[3]李術(shù)才，李克先，雷剛，等.近距離下穿在建地鐵隧道施工爆破變形及控制方法研究[J].巖土力學(xué)， 2014（S2）：284-289.

[4]何碧波.水平層狀紅砂巖隧道掘進(jìn)爆破振動(dòng)效應(yīng)研究[J].鐵道建筑技術(shù)， 2011（1）：23-25+58.

[5]張斌.水平層狀圍巖隧道優(yōu)化爆破方案研究[D].重慶：重慶交通大學(xué)， 2015.

[6]蔡振宇，黃旭.重慶軌道交通6號(hào)線大龍山站—花卉園站區(qū)間中厚水平層狀巖小凈距重疊隧道爆破開挖時(shí)序探討[J].隧道建設(shè)， 2014（5）：478-483.

[7]徐幫樹，張萬(wàn)志，石偉航，等.節(jié)理裂隙層狀巖體隧道掘進(jìn)爆破參數(shù)試驗(yàn)研究[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)， 2019（6）：1248-1255.

[8]張運(yùn)良，曹偉，王劍，等.水平層狀巖體隧道超欠挖控制爆破技術(shù)[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)， 2010（5）：70-74.

收稿日期：2025-01-24

作者簡(jiǎn)介：王鋒濤（1984—），男，本科，工程師，主要從事工程技術(shù)管理工作。