阿扎河隧道水壓光面爆破優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

中圖分類號(hào)：U455.6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2025）13-0122-07

Abstract：Ordinarysmoothblastingtechnologyintunnelconstructionispronetoproblemssuchasover-excavation，under excavation，andighdust，whichisespeciallprominentinterainswithweakinterlayers.Inordertosoletheaboveproblems， relyingontheblastingconstructionoftheAzaheTunnelastheengineringbackground，therocklithologyisdividedintothree categoriesaccordingtotheockfimnesscoeficientbasedonthephysicalperformanceindicatorsoftheon-siterocks（5＼～010＼～ 15，15＼～20）Forrockswithdiferentstrengths，theoreticalbasicanalysisandnumericalsimulationwereusedtofindareasoable waterpressuresmothblastingplanandfieldexperimentalverificationwascariedout.Thefollowingconclusionsweredran：f thechargequantityremainsunchanged，theincreaseinthenumberofchargeswillimprovetheblastingefect;ifthenumberof chargesemainsunchanged，theincreaseinchargewillexpandthedamagerange；astherockfimnesscoeficientincreases，the rock strength becomes larger， and the charge quantity and charge quantity need to be increased.

Keywords： tunnel construction; numerical simulation； blasting damage; field test;blasting parameters

隨著西部大開發(fā)的建設(shè)，云南高速公路建設(shè)進(jìn)入大發(fā)展時(shí)期，但由于云南地形較為復(fù)雜，需要修建大量隧道已達(dá)成通車的目的。鉆爆法作為常用的隧道施工手段，改變不同的施工參數(shù)會(huì)達(dá)到不同的爆破效果。其中光面爆破技術(shù)作為一種爆出的新壁面保持平整而不受明顯破壞的控制爆破技術(shù)被廣泛應(yīng)用于隧道施工。水壓光面爆破采用水袋作為填塞或者間隔部分，能大幅提升光面爆破效果[-。姬傳軍等以西十高鐵秦嶺馬白山隧道圍巖為背景，采用ANSYS軟件模擬對(duì)原施工方案進(jìn)行優(yōu)化；丁祥以中蘭鐵路尖山隧道工程互層段為研究對(duì)象分析得出互層左傾時(shí)超挖主要出現(xiàn)在隧道右側(cè)；Verma等評(píng)估外圍圍巖損傷情況；Cheng等分析地下廠房爆破的參數(shù)優(yōu)化及其對(duì)錨固巖梁的影響；Ma等分析單孔不耦合裝藥爆破下巖體能量演化及裂紋擴(kuò)展，得出在炸藥量相同的條件下，巖體應(yīng)變能、孔壁巖石應(yīng)變率和峰值壓力，以及爆破裂紋面積與裝藥不耦合系數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；劉江超等采用Starfield迭加法將應(yīng)力波的衰減和迭加考慮在內(nèi)，推導(dǎo)孔壁受到的應(yīng)力變化情況并得出在炸藥和水介質(zhì)交界處孔壁受到的應(yīng)力最大，隨著到交界處距離的增加，爆炸應(yīng)力以指數(shù)函數(shù)的形式衰減；關(guān)振長(zhǎng)等建立空氣間隔裝藥的雙孔周邊眼模型，計(jì)算得出炮眼連心線上各測(cè)點(diǎn)的壓力時(shí)程曲線呈現(xiàn)多峰形態(tài)，其壓力峰值相較于裝藥段大幅降低，持時(shí)明顯增長(zhǎng)。

阿扎河隧道是元陽(yáng)至綠春高速公路整個(gè)項(xiàng)目的主要控制性工程，位于紅河縣阿扎河鄉(xiāng)境內(nèi)，隧道區(qū)海拔高程 ，相對(duì)高差 9 3 6 m ，為分離式隧道，進(jìn)、出口均為端墻式洞門，主要圍巖有V級(jí)圍巖、IV級(jí)圍巖、IⅢI級(jí)圍巖，其中主要以V級(jí)、IV級(jí)圍巖為主，隧道穿越區(qū)為康藏“歹\"字形構(gòu)造，構(gòu)造形跡主要為北西西向、北西向及北東向的擠壓性結(jié)構(gòu)面，發(fā)育了一系列的褶皺、斷裂結(jié)構(gòu)，次級(jí)褶皺、斷裂發(fā)育。隧址區(qū)及鄰近發(fā)布的主要褶皺為甲寅-牛角寨背斜、馬良-良心寨向斜；主要斷裂結(jié)構(gòu)為紅河斷裂、哀牢山斷裂及次級(jí)斷裂。其中紅河斷裂、哀牢山斷裂為壓扭性逆斷層。發(fā)育的次級(jí)斷裂主要為逆斷層，在斷層的兩側(cè)多形成巖石糜棱巖化結(jié)構(gòu)。隧道穿越哀牢山北西向構(gòu)造斷裂帶形成中深動(dòng)力變質(zhì)巖帶（以片麻巖、變粒巖、大理石和片巖為主）并發(fā)育有片麻巖狀花崗巖（印支期花崗巖侵入體），中粒黑云二長(zhǎng)花崗巖侵入體、隱伏侵入體、石英脈巖、細(xì)-中粒花崗斑巖侵入巖及中基性輝綠巖和輝綠玢巖巖脈體形成。隧道區(qū)出露地層以元古界袁牢山群區(qū)域動(dòng)力變質(zhì)巖為主。其中紅河斷裂、哀牢山斷裂為壓扭性逆斷層。

1模擬方案設(shè)計(jì)

1.1 材料參數(shù)

1.1.1 巖石材料參數(shù)

當(dāng)材料在面對(duì)爆炸或高速?zèng)_擊問(wèn)題時(shí)，材料自身強(qiáng)度與所受壓力相比將忽略不計(jì)，而此時(shí)材料狀態(tài)轉(zhuǎn)變成一種類似流體狀，所以為獲取材料中此時(shí)的壓力p 需要代人 p-a 狀態(tài)方程來(lái)計(jì)算。

RHT本構(gòu)模型其他參數(shù)中，初始孔隙度可通過(guò)實(shí)驗(yàn)法直接測(cè)得，羅德角相關(guān)參數(shù)、拉伸屈服面參數(shù) 參考前人研究成果[10-1]取 ；部分參數(shù)選用本構(gòu)模型自帶固定量綱常數(shù)，其中損傷參數(shù) 參考?jí)嚎s應(yīng)變率 參考拉伸應(yīng)變率 失效壓縮應(yīng)變率 、失效拉伸應(yīng)變率 。而失效面參數(shù) A 失效面指數(shù) n 、壓縮屈服面參數(shù) 、拉壓子午比參數(shù) 、剪切模量縮減系數(shù) ξ 、初始損傷參數(shù) 、最小失效應(yīng)變 、殘余應(yīng)力強(qiáng)度參數(shù) 與殘余應(yīng)力強(qiáng)度指數(shù) 因?qū)嶒?yàn)獲取途徑過(guò)于復(fù)雜難以確定且考慮到實(shí)驗(yàn)時(shí)間周期過(guò)長(zhǎng)，故引用Riedel所提出的混凝土相關(guān)參數(shù)進(jìn)行模擬，礦體RHT本構(gòu)模型參數(shù)見(jiàn)表1。

1.1.2 水材料參數(shù)

水介質(zhì)采用MAT_NULL材料模型，具體參數(shù)見(jiàn)表2。

1.1.3 空氣材料參數(shù)

空氣介質(zhì)采用MAT_NULL材料模型，其參數(shù)見(jiàn)表3。

1.1.4炸藥材料參數(shù)

數(shù)值模擬中炸藥材料選用LS-DYNA模擬軟件庫(kù)中的高能炸藥材料，其關(guān)鍵字為*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN，獲得乳化炸藥物理力學(xué)參數(shù)及JWL狀態(tài)方程參數(shù)（表5）。

1.2 模型構(gòu)建

依據(jù)阿扎河隧道項(xiàng)目調(diào)研報(bào)告得知：該項(xiàng)目炮孔均為 4 0 m m 孔，使用 φ 3 2 m m 小直徑乳化炸藥裝藥，周邊孔共26個(gè)，上斷面周邊孔孔深 2 m ，孔間距為

6 0 m m ，光爆層厚度為 6 0 m m ;下斷面周邊孔孔深 2 m 孔間距為 ，光爆層厚度為 7 5 m m 。因此，依據(jù)上斷面施工原爆破施工方案及前人經(jīng)驗(yàn)[12-14構(gòu)建4組模型（圖1）進(jìn)行對(duì)比分析。

第一組：填塞 、裝藥總長(zhǎng) 0 . 8 m. 3 段藥包的三孔并排爆破模型。第二組：填塞 、裝藥總長(zhǎng) 段藥包的三孔并排爆破模型。第三組：填塞 、裝藥總長(zhǎng) 0 . 6 m. 2 段藥包的三孔并排爆破模型。第四組：填塞 0 . 2 m 裝藥總長(zhǎng) 段藥包的三孔并排爆破模型。

2模擬方案結(jié)果分析

2.1模型結(jié)果對(duì)比

依據(jù)圖1的模型進(jìn)行模擬計(jì)算，代入材料參數(shù)（表1—表5）假定炸藥同時(shí)起爆，模擬得出4組模型的爆破損傷范圍如圖2一圖5所示。

對(duì)比分析4組模型損傷云圖，第一組模型采用的炸藥量過(guò)多，導(dǎo)致?lián)p傷范圍較大；第二組藥量合適，產(chǎn)生的損傷范圍較小且均勻；第三組與第二組采用相同藥量，但是藥包段數(shù)少，藥量集中，產(chǎn)生的損傷較為集中，導(dǎo)致爆破損傷不夠均勻;第四組藥量最少，所產(chǎn)生的損傷最小，但是其產(chǎn)生的損傷不夠均勻，會(huì)影響爆破后形成的光面效果。

2.2 最佳模型分析

提取縱向模擬損傷結(jié)果如圖6可知：該方案能對(duì)光爆層造成絕大部分損傷，同時(shí)提取該方案的縱向合位移云圖如圖7所示。

分析圖7可知，炮孔偏向圍巖方向產(chǎn)生的合位移幾乎為0，主要位移位于光爆層處，即光爆層受爆破影響發(fā)生完全移動(dòng)，為具體判斷其產(chǎn)生的主要應(yīng)力變化及位移情況，提取不同部位節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析。

提取炮孔壁靠近各炸藥中心相同位置處的應(yīng)力變化（圖8）及各水袋中心處的應(yīng)力變化（圖9）。

分析圖8和圖9可知，炸藥爆炸產(chǎn)生的爆生產(chǎn)物將最先作用于藥包附件的炮孔壁上且在 5 m s 左右達(dá)到峰值應(yīng)力約為 1 . 7 9 G P a ，由于水袋與炮孔壁存在一定間隙，其受到擠壓后才會(huì)作用于炮孔壁上，其在2 5 m s 左右才達(dá)到峰值，存在一定的時(shí)間差，越靠近炸藥處的水袋應(yīng)力越大，炮孔壁從孔口往孔底靠近各水袋中心處受到的峰值應(yīng)力分別為364、324、304和 ，提取炮孔壁靠近孔底處水袋不同位置的應(yīng)力變化如圖10所示。

分析圖10可知，隨著距離不斷遠(yuǎn)離炸藥中心，炮孔壁受到的峰值應(yīng)力會(huì)不斷減小，且其達(dá)到峰值應(yīng)力的時(shí)間也在不斷增加。為分析水壓光面爆破對(duì)炮孔周邊的影響，分別提取藥包附近沿炮孔排列方向及垂直于炮孔排列方向向內(nèi)不同位置等距離處（距離間隔為 0 . 3 m ）的應(yīng)力變化，如圖11及圖12所示。

分析圖11及圖12可知，隨著不斷遠(yuǎn)離炮孔，圍巖受到的峰值應(yīng)力不斷減小，且達(dá)到峰值應(yīng)力的時(shí)間也增加，提取各點(diǎn)峰值應(yīng)力制成表6并進(jìn)行擬合，繪制成峰值應(yīng)力擬合曲線，如圖13所示。

分析表6及圖13，在距離藥包中心同位置處，垂直于炮孔排列方向向內(nèi)的峰值應(yīng)力大于沿炮孔排列方向。兩者峰值應(yīng)力都是逐漸降低，且曲線斜率是由小到大，在距藥包中心 0 m 到 左右的范圍內(nèi)，峰值應(yīng)力急速下降，然后斜率出現(xiàn)拐點(diǎn)，峰值應(yīng)力緩慢下降，依據(jù)圖3可知，該范圍為圍巖損傷區(qū)域，應(yīng)力變化較大。

2.3 無(wú)水爆破模型對(duì)比

為進(jìn)一步判定水壓光面爆破的爆破效果是否遠(yuǎn)高于普通光面爆破，決定進(jìn)行對(duì)照實(shí)驗(yàn)，將第二組模型中的水替換成空氣，進(jìn)行模擬計(jì)算，得出其爆破損傷云圖，如圖14所示。

分析圖3和圖14可知，在采用同樣的藥量及其布置方式下，普通光面爆破中，炮孔之間未能完全貫穿，其產(chǎn)生損傷范圍大概僅為水壓光面爆破產(chǎn)生的1/4，因此采用水壓光面爆破能大大地提升爆破效果，降低成本。

2.4 不同巖性優(yōu)化設(shè)計(jì)

由于工程可能存在不同巖性的巖石，依據(jù)不同的普氏系數(shù)分為3類 進(jìn)行模擬計(jì)算，根據(jù)采用的第二組模型實(shí)驗(yàn)，選用同樣的模型尺寸，采用普氏系數(shù)15～20，進(jìn)行模擬計(jì)算得出損傷云圖，如圖15所示。

分析可知，該模擬方案，炮孔間靠近孔口位置處未完全產(chǎn)生破損，因此決定增加藥量，采用第一組模型進(jìn)行計(jì)算，得出損傷云圖，如圖16所示。

分析可知，其損傷完全，且對(duì)周邊圍巖破壞范圍小，截取其合位移立體圖，如圖17所示。

分析可知，該模型爆破產(chǎn)生的合位移僅為炮孔間光爆層處，圍巖產(chǎn)生的位移幾乎為0，因此，該方案合理

因此，依據(jù)上述分析制成爆破優(yōu)化設(shè)計(jì)表見(jiàn)表7。

3現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

阿扎河隧道采用的原光面爆破方案為所有藥包均位于底部，并從底部開始起爆，由于其藥包位置過(guò)于集中，藥包附近爆破產(chǎn)生的破壞較大，常出現(xiàn)較大的超挖現(xiàn)象，且未能產(chǎn)生明顯半孔痕，光面效果差（圖18）。

依據(jù)2.1、2.2及2.4節(jié)中的模型分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)，重新設(shè)計(jì)爆破方案，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：該方案施工進(jìn)尺達(dá)標(biāo)，且能保證半孔痕的生成，孔痕率達(dá)到 90 % 以上，所形成的光面效果較好，無(wú)較大欠挖、超挖現(xiàn)象（圖19）。

4結(jié)論

依據(jù)模擬實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出以下結(jié)論。

1）由于水的無(wú)法擠壓的性質(zhì)，水能將爆破壓力均勻傳播至炮孔內(nèi)壁，水壓光面爆破效果遠(yuǎn)強(qiáng)于普通無(wú)水光面爆破效果，其產(chǎn)生的損傷范圍較為均勻。2）光面爆破中，隨著炸藥段數(shù)的增加，其產(chǎn)生的損傷范圍會(huì)逐漸均勻且趨向平行于炮孔。3）隨著距炮孔中心距離的增加，在炮孔周邊達(dá)到峰值應(yīng)力的時(shí)間逐漸增加，但峰值應(yīng)力不斷減小，其中取邊緣炮孔分析，在同距離處沿炮孔排列方向的峰值應(yīng)力小于垂直于炮孔排列方向向內(nèi)。4）在圍巖損傷范圍內(nèi)，隨著逐漸遠(yuǎn)離炮孔中心，峰值應(yīng)力急速下降，超出損傷范圍后，峰值應(yīng)力開始緩慢下降。5）光面爆破中隨著巖石強(qiáng)度的提升，在不改變炸藥段數(shù)的情況下，應(yīng)適當(dāng)增加每段炸藥的炸藥量，通過(guò)模擬及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)得出，巖石的普氏系數(shù)每增加 5 ～ 10，線裝藥密度需要增加 0 . 5 k g / m 。

參考文獻(xiàn)：

[1]李廣濤，李大春.隧道掘進(jìn)水壓爆破技術(shù)發(fā)展新階段[J].爆破，

2022，39（3）：82-87.

[2]閆有民，劉國(guó)軍，楊鵬，等.水壓光面爆破在特長(zhǎng)隧道開挖中的應(yīng)用[J].交通工程，2021，21（6）：52-56，62.

[3]姬傳軍，胡新建，熊友亮.秦嶺馬白山隧道硬巖段光面爆破參數(shù)優(yōu)化[J].鐵路技術(shù)創(chuàng)新，2024（1）：128-133.

[4]丁祥.互層巖體隧道爆破超欠挖控制技術(shù)研究[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2022，39（3）：75-80.

[5]VERMA H K，SAMADHIYA N K，SINGH M，et al.Blastinduced rock mass damage around tunnels[J].Tunnelling andUnderground Space Technology，2018，71：149-158.

[6] CHENG L Z，XIN P L. Study on Optimization of BlastingParameters and its Effect on Anchoring Rock Beam of aUnderground Workshop[J].Applied Mechanics and Materials，2011，1446：2045-2052.

[7] MA T，LI F J，YANG Y H，et al.Study on energy evolutionand crack propagation of rock massunder single holeuncoupled charge blasting [J].Applications in EngineeringScience，2022，11：100112.

[8]劉江超，高文學(xué)，張聲輝，等.水間隔裝藥孔壁爆炸應(yīng)力分布規(guī)律[J].兵工學(xué)報(bào)，2021，42（12）：2646-2654.

[9]關(guān)振長(zhǎng)，周宇軒，呂春波，等.空氣間隔裝藥周邊眼爆破精細(xì)化數(shù)值模擬[J].隧道與地下工程災(zāi)害防治，2022，4（4）：11-19.

[10]丁家仁，曹華彰，蔣楠，等.引水隧洞光面爆破參數(shù)優(yōu)化數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究[J].安全與環(huán)境工程，2023，30（5）：46-53.

[11]劉淑鵬，李祥龍，簡(jiǎn)錫明，等.基于損傷的光面爆破參數(shù)優(yōu)化數(shù)值模擬研究[J].中國(guó)礦業(yè)，2023，32（11）：116-125.

[12]全明威.滇中引水洞IV類水平層狀圍巖爆破超挖機(jī)理及控制技術(shù)研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2023.

[13]黃高翔，許國(guó)慶，姚強(qiáng)，等.小斷面隧洞聚能水壓光面爆破試驗(yàn)[J].爆破，2025，42（1）：89-96.

[14]吳瑋琛，郤保平，尚思遠(yuǎn).水壓光面爆破中水袋分布對(duì)圍巖損傷特性的影響研究[J].工程爆破，2023，29（5）：72-78.