隧道鉆爆炸藥量對富水巖體開挖突水突泥現象的影響研究

中圖分類號：U455.41文獻標識碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.01.045

文章編號：1673-4874（2025）01-0153-03

0 引言

我國隧道建設正向地形和地質條件復雜的西部山區轉移。此類地區地質有著“高應力、高水壓、復雜結構、災害頻發”等特點。隧道開挖中“鉆爆”易導致富水巖體突水情況，其引發的大型地質災害占隧道工程大型安全事故的 。造成隧道突水突泥災害的原因主要是地質構造差異。目前研究大致將地質儲水結構分為巖溶管道、地下河、其他含水構造、含水體4種類型儲水構造[2]。不良的地質構造在與地下隧道工程活動的相互作用下，誘發隧道突水突泥災害的發生。因此，設計富水巖體中鉆爆突水模型，研究富水巖體中鉆爆突水形成機理，認識、預測突水發生的概率和危害程度，以及制定相應的防范措施具有重要意義。

1試驗設計

1. 1 試驗目的

突水是指大量地下水突然集中涌入井巷的現象。目前模擬研究多采用靜態仿真模擬3，研究爆轟波在水中的傳導規律，對于水下物體傳導規律的研究較少，對于水下物體爆破后在水壓力的相互作用下物塊伴隨水運動規律的研究更少[4]。本研究設計和分析隧道鉆爆中富水巖體突水模型，采用建立物理模型方法，結合試驗數據和現場觀測數據，建立鉆爆突水模型，并對模型進行分析和驗證。通過研究，探討富水巖體中的鉆爆突水機理，分析突水的影響因素，提出相應的預防和控制措施。

1.2 試驗原理

圖1所示為隧道鉆爆中富水巖體突水模型。本次試驗采用尺寸為 12c m×12c m×10cm的方形模型為隧道鉆爆的目標爆破石塊。該模型由沙子和水泥按照 2：1 的比例混合制成的小型方塊（尺寸為 ）堆積而成，模型中安放了尺寸為 2c m×1 cm的藥包。將該模型放置在采用透明亞克力板組裝而成的水箱中（用于模擬隧道的剖面，可以從側面觀測發生突水情況后的水位變化和其運動軌跡）。隧道的支護采用木板代替，用熱熔膠加固，儲水結構采用向斜儲水盆地構造，側面巖面采用定制木板并用熱熔膠進行焊接，保證其儲水性。采用電起爆的方式引爆炸藥，引爆后水壓力對隔水層的施壓，導致突水情況的發生，觀測其水位的下降速度和隧道中水泥的運動規律，從而得出結論。

1.3 試驗方案

本次試驗旨在模擬實際情況，采用橫向布置炮孔的方式，炮孔的深度將根據最新的鉆爆炮孔布置安全要求來確定，由此確定三種不同炸藥量的試驗方案，分別為0.1g、0.2g和0.3g炸藥量。起爆時采用高清攝影儀對試樣爆炸的過程進行錄制，爆炸后對試樣的巖石裂縫和防水層在爆炸后產生的裂縫進行拍攝，同時觀測隧道前端石塊是否承受住了爆炸帶來的影響，保證試樣右端即隧道前方不被炸穿的情況下，試樣內部的排列情況，并在后期對水位變化和隧道內水流的情況加以分析，從而得出結論。

試驗預期效果：在起爆后，側面石塊呈噴發狀做拋擲運動，上層石塊產生裂縫，在一定高度時間周期下，上層巖塊在裂縫與水壓力的雙重作用力下發生破裂塌，隨后石塊與水耦合，并共同涌入隧道，形成波紋流動狀。

2 實施效果分析

2.10.1g炸藥隧道鉆爆試驗的數據分析

起爆后 t=4 ms時隧道左側石塊在爆炸產生的爆轟波的影響下呈現喇叭狀噴射，做拋擲運動。上層石塊伴隨著水帶來的壓力噴發不明顯，無明顯變化。在 t= 8ms時刻由于模型在爆炸后隨著側面石塊的噴發，導致側面巖塊最小抵抗面降低、承受力下降，巖塊上方出水結構中水直接壓垮巖塊，出現突水情況。在 t=120ms時刻部分松散塊體以懸移的形式被挾帶沖走，形成流固耦合的運動狀態，呈波紋狀流動效果。爆炸結束后隧道試樣巖塊上截面破壞程度為 45% 左右。

0.1g的炸藥效果較為吻合實際情況，其爆炸產生的爆轟波作用于巖塊的裂縫中，但水壓力下最初巖塊并未出現塌陷的現象，隨著側面進行爆破后爆轟波對巖塊裂紋的影響破壞了巖塊側面整體結構，從而產生了突水現象。爆炸對側面巖塊的沖擊效果并不明顯，主要原因在于：（1）在澆筑高強度石灰時，結構過于牢固，導致藥量不足以炸開其側面的裂紋；（2）爆炸后由于上截面開口的緣故，水向下沖刷產生的壓力，不能很好地作用在側面巖塊上，以致于側面巖塊不能被沖刷至隧道中。由于水箱長度導致觀察距離受限，上截面爆破口小導致流速小，流固耦合后流入隧道中的波紋其波峰之間的距離較長，但波紋軌跡很好。隧道中碎石塊大多集中在隧道入口處，而隧道中部有少許碎石塊，試樣巖塊附近亦有少許碎石塊。爆炸后產生的碎石塊大部分伴隨著水流沖刷至隧道口，甚至是隧道外。

由理論分析可知，在隧道鉆爆中主要目的是利用爆炸產生的爆轟波對巖塊裂紋產生沖擊，擴大裂紋使整體結構變得松軟，從而在水壓力的作用下使其被壓垮，形成富水巖體突水突泥的情況。本次試驗的炸藥量較吻合該情況，在爆炸時并未出現石塊過于明顯的上沖情況，更加符合裂紋作用力與水壓力的雙重作用下帶來的效果[6]。

2.2 0.2g炸藥隧道鉆爆試驗的數據分析

起爆后 t=4 ms時刻試樣巖塊在瞬間破碎，上層巖塊呈現明顯的噴射狀做向上的拋擲運動，側面塊體也呈噴射狀做拋擲運動。8ms后隨著時間的推移爆炸后隨著側面石塊的噴發，上層碎塊有著明顯的上沖效果，導致上截面的破壞程度顯著，水直接涌入隧道，發生突水情況。在 t=120 ms時刻伴隨著巖塊上方水壓力的作用，儲水結構中的水直接壓垮巖塊，大量松散塊體都以懸移的形式被挾帶沖走，形成流固耦合的運動狀態，其流動效果呈波紋狀流動效果。爆炸結束后隧道試樣巖塊上截面破壞程度為68. 75% 左右。

0.2g的炸藥效果破壞程度在0.1g炸藥之上，可以觀察到其爆炸后對試樣巖塊整體造成了近 71.2% 的損壞，較0.1g炸藥爆炸效果更劇烈。在爆炸后，其水位降低速度比0.1g炸藥試驗的較快。從耦合后隧道內流動的波紋圖可以觀察到，波紋曲度有著明顯的改善，其波長較0.1g時有所下降。

觀測0.2g炸藥爆炸情況可以看出其效果與實際工程情況較為吻合，大致呈現一個傾斜45°的巖塊斜面，其內部巖塊在爆轟波作用下呈現松散的狀態，較符合預期效果。隧道內部分布仍然為隧道口的碎石塊居多，隧道中部幾乎沒有碎石塊。但本次試驗靠近試樣巖塊的部分的碎石塊明顯增多，主要原因是：（1）由于隧道口的擴大，對碎石塊的沖擊力度減少，從而導致后續水位的降低，部分碎石塊停滯在試樣巖塊附近；（2）爆炸造成試驗巖塊成45°裂痕，其沖刷效果不明顯，以致后續碎石塊滯留在試驗巖塊附近。

2.3 0.3g炸藥隧道鉆爆試驗的數據分析

0.3g炸藥起爆后 ，隧道鉆爆塊體拋擲情況較0.2g炸藥效果更明顯，上層巖塊呈現明顯的噴射狀，做向上的拋擲運動，側面塊體呈噴射狀，做拋擲運動。 t=8 ms時刻爆炸后隨著側面石塊的噴發上層碎塊上沖效果顯著，水面受到爆炸影響發生扭曲，隨后水伴隨著碎石塊涌入隧道發生突水情況。 t=120 ms時刻水位下降速度明顯加快，隨后松散塊體都以懸移的形式被挾帶涌入隧道，形成流固耦合的運動狀態，呈波紋狀流動，效果較前兩次更明顯。爆炸結束后隧道試樣巖塊上截面破壞程度為 91.7% 左右。

0.3g炸藥爆破效果最為明顯：試樣巖塊側面石塊形成的斜面傾斜程度約為 ，巖塊分布也更加松散。爆炸過程中側面石塊的拋擲運動劇烈，上截面的破壞效果也尤為突出，達到了 91.7% ，符合試驗預期效果，說明爆炸后水壓力可以很好地沖破隔水層。隨著上截面的增大所帶來的影響有以下三點，其中（2）和（3）的影響效果達到了預期：

（1）水位的下降速度增快。

（2）隧道中的波紋曲度有著明顯的增大，波峰之間的間距減小。

（3）隧道中的碎石塊的分布仍是隧道口多，隧道中少，直至試樣巖塊附近，碎石塊的數量呈遞減狀態。

但爆炸過程中上層石塊并沒有達到預期中的效果，而是直接向上噴發且效果過于劇烈。

2.4總結與改進

本次試驗的三種不同炸藥量方案所帶來的爆炸效果均有不同，其中最好的是0.1g炸藥爆炸帶來的效果。從試驗中可以觀察到，不同的爆炸帶來的破壞程度，對水位的下降速度有著明顯的影響。與此同時，對隧道內水的流動形態和碎石的分布破壞程度越顯著，從隧道口至試樣巖塊附近的碎石分布呈遞減情況越明顯，隧道內水流動的波紋曲度也越明顯。

隨著試驗中采用炸藥量的不斷提升，爆炸效果也愈發顯著，但是試樣巖塊的上截面無法承受相應的爆轟波作用。所以，本次改進將在試樣巖塊的基礎上，在其上方加固防水層，采用高強度石灰作為防水底層，然后在其上端碼放 30% 左右的石塊，增強其強度，再用高強度石灰進行防水處理，其他步驟與前文一致。

上層石塊在爆炸過程中只產生了裂縫，并沒有直接塌陷，后來隨著水的沖刷而塌陷，達到了試驗預期。

3結語

本文研究了炸藥量的改變對爆轟強度的影響，主要得出以下結論：

（1）隨著炸藥量的增加，破壞程度和突水情況均加劇。0.1g炸藥的效果相對較弱，主要影響為裂縫內部，而0.2g和0.3g炸藥明顯增加了巖塊的破壞程度和突水風險。波紋狀流動效果隨炸藥量增加而變得更加顯著，表明隨著炸藥量的增加流固耦合效應增強，存在發生嚴重地質災害的風險。爆炸后的隧道試樣巖塊破壞程度從 45% 增加到 91.7% ，顯示炸藥量對爆破效果有顯著影響。

（2）隧道突水情況發生后，內部碎石塊分布大致呈從隧道口向內遞減狀，沖刷效果顯著。

（3）隧道內水石混合物流動形態呈波紋狀，該波紋狀的曲度與上截面的開口和水位下降的速度有關，當開口越大水位流速越快時波紋越明顯，每段波峰之間的距離也越短。

參考文獻

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[2]李術才，許振浩，黃鑫.隧道突水突泥致災構造分類、地質判識、孕災模式與典型案例分析[J]巖石力學與工程學報，2018，37（5）：1041-1069.

[3]曾明生.鉆爆法隧道施工超前地質預報現狀和發展趨勢[J].運輸經理世界，2022（27）：74-76.

[4]孫超群.隧道充填型致災構造災變演化及突涌水數值模擬研究[D].濟南：山東大學，2016.

[5]楊昕.隧道水壓充填型溶洞突水破壞模式與災變演化機理研究[D].濟南：山東大學，2017.

[6]RABCEWiCZ L V.The New Austrian Tunneling Method（PartI and PartID[J].WaterPower，1964，17（1）：511-515.