陳正林，蒲文明,，陳 釩，潘家奇，馬龍浩，任 松

(1.中電建路橋集團(tuán)有限公司，北京 100048；2.重慶大學(xué) 煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044)

隨著我國(guó)隧道工程建設(shè)的不斷發(fā)展，隧道爆破施工中所遇到的地質(zhì)問(wèn)題也變得愈加復(fù)雜，尤其對(duì)于西南地區(qū)，廣泛分布著砂質(zhì)泥巖體，該類巖體為典型的極軟巖，在該圍巖中進(jìn)行鉆爆法開挖，極易發(fā)生超欠挖現(xiàn)象，嚴(yán)重影響隧道施工安全及圍巖變形穩(wěn)定性.

目前，國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對(duì)隧道光面爆破技術(shù)、作用原理等都做了較為深入的研究，黃寶龍[1]等基于工程類比與分析計(jì)算的方法，綜合考慮炮眼直徑與不耦合系數(shù)、孔深和角度、炮眼間距、炮眼數(shù)目、總裝量、起爆順序以及裝藥結(jié)構(gòu)等方面因素，對(duì)京承高速公路工程橫城子隧道的爆破參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，最終獲得適合該隧道爆破施工的光爆參數(shù)；王立功[2]闡述了光面爆破作用機(jī)理，并借助工程實(shí)例討論了光面爆破參數(shù)的計(jì)算方法；顧義磊[3]等從超欠挖量、炮眼孔痕率以及圍巖損傷程度三個(gè)方面提出了光面爆破質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)；安靜[4]通過(guò)工程類比及經(jīng)驗(yàn)分析的方法對(duì)砂質(zhì)泥巖隧道光面爆破技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)；楊勇[5]對(duì)巷道光面爆破參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了相關(guān)研究；宗琦[6]對(duì)軟弱巖石的爆破破壞特征進(jìn)行了分析，基于此，通過(guò)理論分析構(gòu)建了巷道掘進(jìn)時(shí)光爆參數(shù)的結(jié)構(gòu)模型，并結(jié)合工程實(shí)踐，進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，最終得到適合軟巖巷道距今施工的光面爆破參數(shù)；汪雪清[7]等以實(shí)驗(yàn)巷道為研究對(duì)象，綜合考慮各種因素，通過(guò)工程類比和計(jì)算分析的方法，獲得了適合該巷道光面爆破參數(shù)及技術(shù)措施.

根據(jù)以上研究可知，軟弱圍巖隧道光面爆破參數(shù)優(yōu)化一般是通過(guò)工程類比以及經(jīng)驗(yàn)分析的方法進(jìn)行分析研究，抑或采用計(jì)算分析的方法，并在工程實(shí)踐中進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化與完善，而通過(guò)爆破過(guò)程數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證對(duì)比分析的研究還需要進(jìn)一步的完善與補(bǔ)充.基于此，本文采用ANSYS/LSDYNA軟件對(duì)重慶江習(xí)張家?guī)r隧道泥巖段的爆破參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化研究，以有效保證隧道爆破施工安全、施工質(zhì)量、施工效率，降低爆破施工成本.

1 張家?guī)r隧道爆破模擬

1.1 工程概況

張家?guī)r隧道隧址區(qū)內(nèi)地形最高點(diǎn)標(biāo)高750.52 m，位于右線中部YK55+380山脊線上，最低點(diǎn)標(biāo)高586.23 m，位于右線進(jìn)洞口YK53+930處.隧道內(nèi)輪廓面為拱高7.05 m，上半圓半徑為5.45 m的三心圓曲邊墻結(jié)構(gòu)，凈空面積64.28 m2，周長(zhǎng)31.17 m.

隧道左洞起訖里程為：K53+950～K56+295,右線起訖里程為：YK53+930～YK56+300，最大埋深135.92 m.隧道爆破炮孔布置如圖1所示.

圖1 隧道爆破炮孔布置圖

遂址區(qū)的圍巖類別主要是V級(jí)泥巖、Ⅳ級(jí)砂巖、Ⅳ級(jí)泥巖.在爆破的施工的過(guò)程中，必須按照標(biāo)準(zhǔn)控制循環(huán)進(jìn)尺和裝藥量，盡可能降低爆破振動(dòng).全斷面爆破時(shí)，按起爆順序依次分別裝入多段毫秒電雷管.爆破參數(shù)設(shè)計(jì)見表1和表2.

表1 隧道洞身上導(dǎo)洞開挖爆破參數(shù)表

表2 隧道洞身下導(dǎo)洞開挖爆破參數(shù)表

Tab.2 The lower excavation blasting parameters

序號(hào)炮眼名稱炮孔直徑炮孔深炮孔數(shù)裝藥結(jié)構(gòu)藥卷單孔裝藥量小計(jì)起爆毫秒雷管級(jí)別1二臺(tái)孔421.329連續(xù)320.38.752底板孔421.319連續(xù)320.35.733共計(jì)4814.44開挖面積30.3m25炮孔個(gè)數(shù)1.6個(gè)/m26單位用量0.43kg/m27利用率88%8預(yù)計(jì)進(jìn)尺1.2m/每循環(huán),2.4m/d,72m/月9預(yù)計(jì)藥量14.4kg/每循環(huán),28.8kg/d,864kg/月

1.2 室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)

在研究泥巖段隧道爆破機(jī)制之前，需要首先清楚泥巖的礦物成分及基本力學(xué)性質(zhì)，這是開展爆破研究的前提.

1.2.1 泥巖礦物成分分析

基于不同的礦物具有不同的晶體構(gòu)造，結(jié)合X射線的衍射原理，根據(jù)衍射峰值計(jì)算出晶面間距，并與已知表對(duì)照，即可確定泥巖的物質(zhì)成分.本次試驗(yàn)采用日本理學(xué) D/MAX-1200 轉(zhuǎn)靶 X 射線衍射儀，對(duì)已制備好的樣本進(jìn)行定性分析，并在定性分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行精確的定量分析.

通過(guò)泥巖的X衍射圖(圖2)，可以得出：泥巖的主要成分為高嶺石、綠泥石等粘土礦物以及石英.其中，石英占60%～70%左右，粘土礦物占30%～40%左右；泥巖的天然含水率ω0=0.491%.

圖2 泥巖礦物成分

1.2.2 泥巖基本力學(xué)試驗(yàn)

采用重慶大學(xué)煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室AGI250電子拉壓材料實(shí)驗(yàn)機(jī)，對(duì)泥巖進(jìn)行基本力學(xué)試驗(yàn)，得到的基本力學(xué)參數(shù)如表3所示.

表3 泥巖常規(guī)力學(xué)參數(shù)表

1.3 模型建立

基于張家?guī)r隧道工程實(shí)際，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)爆破施工方案，建立三維有限元模型，如圖3.模型尺寸20 m×20 m×2 m.計(jì)算模型根據(jù)隧道的實(shí)際尺寸(洞高7.05 m，寬10.66 m)，隧道建在Ⅳ級(jí)泥巖中.對(duì)模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，不考慮重力與地應(yīng)力對(duì)隧道爆破模擬結(jié)果的影響，這是因?yàn)橹亓εc地應(yīng)力和爆破所產(chǎn)生的爆破應(yīng)力波相比較小.

圖3 模型示意圖

1.4 材料模型和狀態(tài)方程的構(gòu)建

本文模擬隧道爆破涉及巖石、空氣、炸藥三種材料，具體材料模型及狀態(tài)方程如下：

(1)泥巖材料模型

泥巖的材料模型選用彈塑性材料，各項(xiàng)參數(shù)如表4 所示.

表4 巖石的各項(xiàng)參數(shù)

該材料模型與應(yīng)變率相關(guān)，可以用應(yīng)變來(lái)考慮失效.可以通過(guò)在0(僅隨動(dòng)硬化)和1(僅各向同性硬化)間調(diào)整硬化參數(shù)β來(lái)選擇各向同性或隨動(dòng)硬化.應(yīng)變率用Cowper-Symonds模型來(lái)建立，用與應(yīng)變率有關(guān)的因數(shù)表示屈服應(yīng)力.

(1)

(2)

式中，E為楊氏模量，Etan為切成模量.

(2)炸藥材料模型及狀態(tài)方程

炸藥采用LS-DYNA中自帶的高強(qiáng)爆炸模型，涉及的主要參數(shù)有炸藥的密度、爆速、爆壓，并通過(guò)JWL狀態(tài)方程來(lái)描述其爆炸特性，其狀態(tài)方程為

(3)

式中：E0為炸藥燃燒質(zhì)量分?jǐn)?shù)；Pe為來(lái)自于狀態(tài)方程的炸藥爆轟產(chǎn)物壓力；V為相對(duì)體積；E為單位體積的內(nèi)能密度；A，B，R1，R2，ω為輸入?yún)?shù).基于現(xiàn)場(chǎng)爆破方案，本文選擇乳化炸藥來(lái)進(jìn)行模擬，炸藥的各參數(shù)如表5所示.

表5 乳化炸藥各項(xiàng)參數(shù)

(3)空氣材料模型及其狀態(tài)方程

空氣狀態(tài)方程通過(guò)LINEAR_POLYNOMIAL來(lái)進(jìn)行描述，線性多項(xiàng)式狀態(tài)方程為

Pa=C0+C1μ+C2μ2+C3μ3+

(4)

式中:Pa為爆轟壓力；E為內(nèi)能；V為相對(duì)體積.

表6 空氣的各項(xiàng)參數(shù)

2 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)張家?guī)r隧道工程原有的爆破參數(shù)，通過(guò)數(shù)值模擬，得到Ⅳ級(jí)泥巖的原爆破成型模擬結(jié)果.

圖4 Ⅳ級(jí)泥巖隧道原爆破成型結(jié)果

從原爆破成型結(jié)果可以看出，拱頂，拱腰，邊墻部分周邊輪廓成型較好，但內(nèi)部存在較大欠挖，內(nèi)部巖體也并未完全炸開，仰拱超挖35 cm2，局部欠挖超過(guò)45 cm，整體爆破效果較差.

針對(duì)張家?guī)rⅣ級(jí)泥巖現(xiàn)場(chǎng)隧道爆破成型差這一情況，并結(jié)合相關(guān)隧道工程的光面爆破參數(shù)表(表7)，選取裝藥不耦合系數(shù)(η)、周邊眼間距(d)、相對(duì)距(ω)為主要光面爆破參數(shù)，同時(shí)考慮微差和裝藥量對(duì)爆破成型效果的影響，制定出相應(yīng)的泥巖爆破方案，具體實(shí)施方法為：采用五因素四水平正交試驗(yàn)，共計(jì)16組試驗(yàn).其中，微差變化范圍設(shè)置為5～20 ms，間隔為5 ms；裝藥不耦合系數(shù)介于1.7～2.5；周邊孔孔間距范圍介于34～46 cm；裝藥量范圍介于42.35～45.05 kg；相對(duì)距的范圍介于0.68～0.92.在確定了爆破待優(yōu)化參數(shù)后，根據(jù)公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)JTJ071-98，確定了本模擬對(duì)于光爆成型效果的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)(表8)，數(shù)值模擬結(jié)果如圖5所示(由于試驗(yàn)較多，僅列舉部分方案結(jié)果).

表7 光面爆破參數(shù)表

表8 光面爆破質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

圖5 爆破方案爆破成型結(jié)果

從圖5(a)～(g)的模擬結(jié)果可以得出：方案1，拱肩、拱腰、仰拱周邊圍巖輪廓較為平整，未出現(xiàn)較明顯裂隙，對(duì)圍巖的損傷擾動(dòng)較小，上部拱頂出現(xiàn)超欠挖，局部最大線性欠挖量超過(guò)15 cm.方案2，周邊圍巖總體輪廓比較規(guī)整，基本達(dá)到設(shè)計(jì)輪廓線，但是在拱頂以及拱腰的位置出現(xiàn)較小程度的欠挖，欠挖范圍介于8～10 cm，同時(shí)，周邊巖體爆破后未出現(xiàn)較明顯裂隙，對(duì)圍巖的損傷擾動(dòng)較小.方案3，周邊圍巖爆后存在嚴(yán)重的欠挖現(xiàn)象，上部拱頂欠挖范圍超過(guò)20 cm，仰拱及拱腰部分的欠挖小于拱頂，欠挖范圍約為10～15 cm.方案4，拱腰、仰拱、拱肩處圍巖輪廓比較平整，尤其在拱肩部位，圍巖輪廓十分平整光滑，效果好，但在拱頂部位存有超挖，約為12 cm，拱腰局部地方有較小范圍(最大線性超挖量小于7 cm)的超挖.方案5，各段炮孔爆炸后，周邊圍巖輪廓即為規(guī)整光滑，無(wú)較明顯的超欠挖現(xiàn)象，唯一不足之處是在拱頂與拱肩交界的地方存在欠挖(小于4.5 cm)，但符合光面爆破質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)達(dá)到設(shè)計(jì)輪廓線，且半眼孔痕率大于65%，圍巖擾動(dòng)深度小于1 m，基本符合要求.方案6，周邊輪廓極不規(guī)整，存在較大范圍超欠挖量，其中拱頂最大線性超挖約為30 cm，爆破效果差，不滿足爆破設(shè)計(jì)要求.方案7，拱頂處的圍巖輪廓平整度相較拱肩、仰拱、拱腰部位要好，拱腰處輪廓呈現(xiàn)波浪狀，超欠挖現(xiàn)象明顯，且超欠挖量大，對(duì)后續(xù)的施工造成較為嚴(yán)重的影響，不滿足設(shè)計(jì)要求.綜合圖5爆破成型模擬結(jié)果以及上述分析，得到不同爆破方案下隧道在拱頂、拱肩、拱腰以及拱底位置處的超欠量，如圖6所示.

圖6 隧道爆破不同位置處的圍巖超欠挖量

由圖6中隧道爆破不同位置處的超欠挖量，可以明顯發(fā)現(xiàn)，方案2、5的超欠挖量相較其他爆破方案來(lái)說(shuō)，其超、欠挖量值均在5 cm以內(nèi)，滿足表8隧道光面爆破質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的隧道超欠挖質(zhì)量控制要求，同時(shí)也直觀反映出不同爆破方案下隧道的爆破成型效果.

此外，根據(jù)張家?guī)rⅣ級(jí)泥巖隧道現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際爆破開挖輪廓線設(shè)計(jì)，結(jié)合隧道爆破成型模擬結(jié)果，繪制出現(xiàn)場(chǎng)爆破輪廓線與模擬結(jié)果的對(duì)比圖，如圖7所示.

圖7 Ⅳ級(jí)泥巖方案2與方案5比較圖

對(duì)比分析爆破方案2與方案5，不同爆破微差，方案5(10 ms)的空氣隙厚度要比方案2(5 ms)薄，方案5的裝藥量小于方案2，周邊孔的孔間距相同，均為38 cm.且兩組方案的爆破效果都較好，盡管均存在超欠挖現(xiàn)象，但相較其他方案以及原有爆破效果有很大程度的改善，此外，方案2與方案5周邊輪廓都非常平整，圍巖的損傷范圍都較小，但對(duì)比方案2與方案5，不難發(fā)現(xiàn)，方案2的裝藥量小于方案5，這就意味著方案2中各段炸藥爆炸后在孔壁處產(chǎn)生的爆炸峰值壓應(yīng)力要比方案5要低，相應(yīng)的減弱了傳入圍巖中的爆炸能量，進(jìn)一步減弱了周邊圍巖中不可見微小裂隙的產(chǎn)生，此外，由于方案2的不耦合系數(shù)大于方案5，相同爆炸條件下，炸藥產(chǎn)生的爆炸沖擊波經(jīng)由空氣層時(shí)會(huì)繁盛衰減，空氣層厚度越大，相應(yīng)的爆炸能量的衰減幅度就越大，傳入圍巖的爆炸能量也會(huì)相應(yīng)的有所減小，更進(jìn)一步減弱了圍巖損傷.綜合上述，方案2通過(guò)利用空氣隙的氣楔作用，能夠在較小藥量下，有效地破碎周邊圍巖，保證周邊輪廓的規(guī)整，保證隧道開挖過(guò)程中不易出現(xiàn)較大的超欠挖現(xiàn)象，所以，對(duì)于Ⅳ級(jí)泥巖隧道爆破，優(yōu)選方案2，遵循“裝藥量少、不耦合系數(shù)大”的原則.

將優(yōu)選得到的方案2與原爆破方案進(jìn)行比較，可以得到以下結(jié)論：優(yōu)化后的Ⅳ級(jí)泥巖隧道周邊輪廓規(guī)整，超欠挖現(xiàn)象得到很好的控制，欠挖量<70 cm2，爆破整體效果較好.線性欠挖量減少90%，炸藥利用率>89%.達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，具體結(jié)果如表9所示.

表9 Ⅳ級(jí)泥巖爆破結(jié)果

3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果分析

根據(jù)張家?guī)r隧道Ⅳ級(jí)泥巖隧道施工實(shí)際情況，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試來(lái)驗(yàn)證模擬方法的可靠性；另外，對(duì)于施工過(guò)程中忽略了層理對(duì)周邊輪廓的影響，導(dǎo)致周邊輪廓平整度不足的事實(shí)，提出了優(yōu)化思路，并找出了最佳優(yōu)化方案.

根據(jù)數(shù)值模擬所優(yōu)選出的爆破方案，應(yīng)用到張家?guī)r層狀圍巖Ⅳ級(jí)泥巖段隧道實(shí)際工程中，得到現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)過(guò)優(yōu)化改進(jìn)的爆破效果，并與模擬效果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，如圖8、表10所示.

圖8 現(xiàn)場(chǎng)結(jié)果與數(shù)值結(jié)果對(duì)比(優(yōu)化后)

表10 Ⅳ級(jí)泥巖隧道優(yōu)化后模擬數(shù)值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

4 結(jié)論

基于張家?guī)r隧道工程地質(zhì)狀況及現(xiàn)場(chǎng)爆破方案，采用數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的手段對(duì)張家?guī)rⅣ級(jí)泥巖隧道進(jìn)行了爆破優(yōu)化，研究成果有助于解決類泥巖隧道爆破超欠挖及圍巖損傷嚴(yán)重的問(wèn)題，獲得了以下結(jié)論：

(1)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)爆破情況，結(jié)合已有相關(guān)工程爆破參數(shù)表，確定了微差、孔間距、裝藥不耦合系數(shù)、裝藥量、相對(duì)距作為爆破優(yōu)化參數(shù).

(2)對(duì)比分析16組爆破模擬計(jì)算結(jié)果，結(jié)合光面爆破質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)選爆破方案2，即微差5 ms，孔徑40 mm，孔間距38 cm，裝藥量43.25 kg，該方案數(shù)值模擬結(jié)果顯示有較好的輪廓成型效果，且拱頂落石少，超欠挖及圍巖損傷現(xiàn)象有很好的改善.

(3)將優(yōu)化后的爆破方案運(yùn)用到實(shí)際工程中，結(jié)果顯示數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)結(jié)果基本一致，無(wú)論是超欠挖量、圍巖剝落程度還是圍巖成型效果都十分接近，這表明數(shù)值模擬的有效性與可行性，相應(yīng)的研究成果也可應(yīng)用到其它類似隧道爆破施工中.