趙曉明,楊玉民,蔣 楠,蔡忠偉,歐陽(yáng)松
(1. 中國(guó)水利電力對(duì)外有限公司, 北京 100011;2. 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院, 湖北 武漢 430074)
鉆爆法因其施工環(huán)境要求低、經(jīng)濟(jì)和工期穩(wěn)定而廣泛應(yīng)用于隧道工程中。然而,在實(shí)際施工過(guò)程中,設(shè)計(jì)、施工等不規(guī)范導(dǎo)致的超欠挖現(xiàn)象十分常見(jiàn),由此造成的經(jīng)濟(jì)損失不容忽視;此外,爆破荷載過(guò)大造成的圍巖擾動(dòng)不僅會(huì)引發(fā)圍巖裂隙擴(kuò)張,長(zhǎng)時(shí)間擾動(dòng)還會(huì)對(duì)已建成的隧道結(jié)構(gòu)造成破壞。因此,在隧道爆破開(kāi)挖過(guò)程中,嚴(yán)格把控隧道的爆破效果是一項(xiàng)關(guān)鍵性技術(shù)問(wèn)題,其中周邊孔的爆破效果最重要。
周邊孔與周邊圍巖緊密相連,其荷載值直接決定隧道工程的爆破效果。迄今為止,國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者開(kāi)展了大量的針對(duì)周邊孔爆破效果評(píng)價(jià)和參數(shù)優(yōu)化研究[1-3],取得了累累碩果。在理論和實(shí)驗(yàn)方面,Ren 等[4]通過(guò)增加裝藥長(zhǎng)度,有效地改善了北明河鐵礦的爆破效果。于世杰等[5]通過(guò)在炮孔中增加空氣間隔器,有效地降低了爆破對(duì)周邊環(huán)境的擾動(dòng)。張迅[6]采用固、液、氣相結(jié)合的不耦合裝藥結(jié)構(gòu),通過(guò)一系列爆破試驗(yàn)得出了最佳的裝藥結(jié)構(gòu),保證了圍巖的安全穩(wěn)定性。Sun 等[7]對(duì)不同裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相應(yīng)的爆破試驗(yàn),結(jié)合理論分析和量綱分析,提出了一個(gè)主頻預(yù)測(cè)公式。
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)水平的提高以及仿真模擬技術(shù)的普及,人們逐漸使用各類(lèi)數(shù)值計(jì)算軟件直接模擬周邊孔的爆破效果[8-10]。黃志強(qiáng)等[11]從超欠挖的成因出發(fā),利用ANSYS/LS-DYNA 進(jìn)行建模分析,提出使用雙層周邊孔來(lái)提高經(jīng)濟(jì)效益。楊建輝等[12]建立了單孔和雙孔爆破數(shù)值模型,對(duì)比分析了不同裝藥結(jié)構(gòu)下的爆破效果。Yuan 等[13]提出合適的水壓爆破不耦合系數(shù)可以有效地改善爆破效果,并探討了不耦合系數(shù)對(duì)爆破應(yīng)力分布的影響。楊潘磊等[14]結(jié)合理論計(jì)算和數(shù)值模型計(jì)算,發(fā)現(xiàn)以40 cm 的間距進(jìn)行裝藥可以顯著提升爆破效果。在以往的研究中,大多數(shù)學(xué)者主要著力于調(diào)整不耦合系數(shù)和炮孔間距,然而,在實(shí)際工程現(xiàn)場(chǎng)中,炸藥往往是規(guī)范化生產(chǎn)的,其尺寸難以更改,而改變炮孔間距往往會(huì)對(duì)單次爆破總裝藥量產(chǎn)生影響,不利于工程的經(jīng)濟(jì)把控,因此,在不影響總用藥量的情況下,研究周邊孔藥卷間距對(duì)爆破效果的影響是很有必要的。
本研究依托于秘魯圣加旺Ⅲ水電站引水系統(tǒng)工程,首先介紹該工程的爆破施工方案并評(píng)價(jià)其爆破效果,然后運(yùn)用ANSYS/LS-DYNA 建立不同裝藥結(jié)構(gòu)下的周邊孔模型,通過(guò)分析,選擇最優(yōu)的周邊孔裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案開(kāi)展爆破試驗(yàn),以期提高該工程的爆破效果。
深埋引水隧道工程位于圣加旺河床部位的尾水區(qū),屬于高山峽谷地貌。區(qū)內(nèi)沖溝發(fā)育,多為“V”字形谷,如圖1 所示,山脊總體走向?yàn)?05°~325°,地形完整性較差。區(qū)內(nèi)山頂高程1 700~3 000 m,最高高程3 075 m,位于Cerro Jachuy Pacobamba 山脊,最低高程748 m,位于尾水區(qū)San Gabán 河床部位。圣加旺河兩側(cè)支溝多以大角度與其交匯,支溝常年有水,水流急速。工程區(qū)主要分布板巖、片巖、花崗閃長(zhǎng)巖3 類(lèi)巖體,為弱-微透水巖體,本研究的試驗(yàn)場(chǎng)地圍巖主要為絹云母板巖。工程區(qū)板巖類(lèi)巖石主要由深灰色石英板巖、石英絹云母板巖和絹云母板巖組成,巖石為變余粉砂,鱗片狀結(jié)構(gòu),板狀構(gòu)造。石英板巖、石英絹云母板巖及絹云母板巖主要由石英、絹云母、泥質(zhì)等礦物組成,含有少量的綠泥石和金屬礦物,其中:石英的含量為16%~57%,絹云母的含量為40%~72%,泥質(zhì)的含量為10%。Ⅳ類(lèi)和Ⅴ類(lèi)圍巖主要位于隧洞的進(jìn)、出口部位,約占整個(gè)洞段15%。
圖1 工程概況Fig. 1 Project overview
該引水隧道全長(zhǎng)14.663 km,屬于長(zhǎng)隧道,主要采用光面爆破開(kāi)挖方式。根據(jù)以往的工程經(jīng)驗(yàn),長(zhǎng)隧道的光面爆破效果非常重要,無(wú)論是超挖還是欠挖,不僅會(huì)大幅延長(zhǎng)項(xiàng)目工期,還會(huì)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此,本研究基于秘魯圣加旺Ⅲ水電站引水系統(tǒng)工程現(xiàn)有的爆破技術(shù)方案,通過(guò)改變周邊孔的裝藥結(jié)構(gòu)來(lái)優(yōu)化爆破效果,為工程現(xiàn)場(chǎng)的爆破設(shè)計(jì)方案提供指導(dǎo)。
引水隧道采用鉆爆法與TBM(tunnel boring machine)掘進(jìn)法相結(jié)合的方式開(kāi)挖,其中鉆爆法的距離為5.2 km,分為進(jìn)水口、支洞上游、支洞下游3 個(gè)工作面施工。隧洞斷面為馬蹄形,采用全斷面開(kāi)挖方式,通過(guò)二臂鉆進(jìn)行鉆孔,孔徑45 mm,選用乳化炸藥、非電毫秒雷管微差爆破,周邊進(jìn)行光面爆破。隧道凈斷面尺寸為5.7 m×5.7 m(寬×高),開(kāi)挖尺寸為8.1 m×7.9 m(寬×高)。隧道斷面炮孔布局見(jiàn)圖1,其中:掏槽眼的炮孔深度為3.2 m,輔助眼和周邊眼的炮孔深度均為3.0 m,周邊孔采用不耦合不連續(xù)裝藥,藥卷間距L為200 mm,掏槽眼、輔助眼、周邊眼、底眼的單眼裝藥量分別為1.23、1.58、2.02、2.82 kg,爆破參數(shù)見(jiàn)表1。
表1 爆破參數(shù)Table 1 Blasting parameters
基于爆破設(shè)計(jì)方案,開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn),爆破效果如圖2 所示。從圖2 可以看出,采用該方案時(shí),爆破效果不佳,存在明顯的超挖現(xiàn)象,最大超挖深度達(dá)到43 cm,由此將導(dǎo)致原定施工工期延長(zhǎng),經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重。隧道工程的超挖和欠挖現(xiàn)象均與周邊孔的布孔參數(shù)密切相關(guān),其中藥卷間距L的影響尤為直接。盡管試驗(yàn)手段最直接有效,但是其經(jīng)濟(jì)成本很高,并且受周邊環(huán)境的影響很大,因此本研究將通過(guò)有限元軟件對(duì)不同裝藥結(jié)構(gòu)下的周邊孔爆破效果進(jìn)行數(shù)值模擬分析,以期找到最優(yōu)的周邊孔裝藥結(jié)構(gòu)方案,從而提高施工的經(jīng)濟(jì)效益。
圖2 爆破效果Fig. 2 Blasting effect drawing
利用ANSYS/LS-DYNA 有限元軟件對(duì)不同裝藥結(jié)構(gòu)下的周邊孔爆破效果進(jìn)行模擬,周邊孔采用不耦合不連續(xù)裝藥形式,以空氣作為間隔介質(zhì),并設(shè)置流固耦合算法。在ANSYS/LS-DYNA 中,由于空氣材料偏軟,因此當(dāng)爆破產(chǎn)生的巨大沖擊力直接作用于空氣時(shí),會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)格變形,進(jìn)而使計(jì)算失敗。針對(duì)炸藥、炮泥、空氣3 種材料,采用任意拉格朗日-歐拉(arbitrary Lagrangian-Eulerian,ALE)算法進(jìn)行模擬。ALE 算法具有自動(dòng)重新劃分網(wǎng)格的功能,可以有效地避免網(wǎng)格變形過(guò)大帶來(lái)的計(jì)算錯(cuò)誤,特別適合分析流固耦合動(dòng)力問(wèn)題。
考慮到實(shí)際爆破過(guò)程中巖體的破壞是其兩側(cè)周邊孔共同作用的結(jié)果,為此數(shù)值模型采用雙孔模型,用以分析不同L下圍巖的破壞情況,模型尺寸為2 m×3 m×4 m。炮孔直徑為45 mm,炮孔長(zhǎng)度為3 m,藥卷直徑為26 mm,藥卷長(zhǎng)度為300 mm,L設(shè)置為150、200、250、300、350、400、450 mm。除模型的掌子面和光爆層面采用自由邊界外,其余均采用無(wú)反射邊界條件。網(wǎng)格均采用sweep 網(wǎng)格進(jìn)行劃分,模型見(jiàn)圖3。
圖3 數(shù)值模型Fig. 3 Numerical model
2.3.1 巖 石
在LS-DYNA 中,通常使用*MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CONCRET(JHC)模型模擬爆炸作用下巖石的損傷。JHC 模型可以模擬高應(yīng)變率和高沖擊力下的混凝土和巖體,其累積損傷函數(shù)是基于塑性體積應(yīng)變、等效塑性應(yīng)變和應(yīng)力提出的。相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表2,其中: ρ為密度,G為剪切模量,T為最大拉伸靜水壓力,pc為破碎壓力,pl為鎖定壓力, μl為鎖定體積應(yīng)變, μc為破碎體積應(yīng)變,fc為準(zhǔn)靜態(tài)單軸抗壓強(qiáng)度,A為標(biāo)準(zhǔn)化內(nèi)聚強(qiáng)度,B為標(biāo)準(zhǔn)化硬化系數(shù),C為應(yīng)變率系數(shù),N為壓力硬化指數(shù),Smax為標(biāo)準(zhǔn)化最大強(qiáng)度,D1、D2為損傷系數(shù),Efmin為斷裂前的塑性應(yīng)變,K1、K2、K3為壓力系數(shù)。
表2 巖石材料參數(shù)Table 2 Parameters of rock
2.3.2 空 氣
空氣采用關(guān)鍵字*MAT_NULL 定義,狀態(tài)方程采用*EOS_LINEAR_POLYNOMIAL,表達(dá)式為
式中:p為壓力,μ為比體積,C0~C6為多項(xiàng)式方程參數(shù),e0為單位體積內(nèi)能,具體取值見(jiàn)表3。
表3 空氣材料參數(shù)Table 3 Parameters of air
2.3.3 炮 泥
炮泥采用關(guān)鍵字*MAT_PLASTIC_KINEMATIC 進(jìn)行模擬,相關(guān)材料參數(shù)見(jiàn)表4,其中E為彈性模量, ν為泊松比。
表4 炮泥的主要參數(shù)Table 4 Main parameters of blasting mud
2.3.4 炸 藥
表5 炸藥材料參數(shù)Table 5 Parameters of explosive
DL/T5389—2007《水工建筑物巖石基礎(chǔ)開(kāi)挖工程施工技術(shù)規(guī)范》[15]明確給出了圍巖損傷標(biāo)準(zhǔn),即通過(guò)聲波降低率η判定巖石的損傷程度
式中:CP1為爆前波速,CP2為爆后波速。當(dāng)η<10%時(shí),爆破荷載對(duì)圍巖幾乎沒(méi)有影響;10%≤η≤15%時(shí),爆破荷載對(duì)圍巖有一定影響;η>15%時(shí),爆破荷載對(duì)圍巖的影響很大。
根據(jù)彈性波理論,假定圍巖的密度和泊松比始終保持不變,則圍巖的損傷程度D與聲波降低率存在如下關(guān)系
當(dāng)η≥10%時(shí),爆破荷載對(duì)圍巖便有了不可忽略的影響,因此擬定10%作為圍巖損傷的臨界閾值。將η=10%代入式(4),可以得到對(duì)應(yīng)的損傷度D為0.19,即當(dāng)D≥0.19 時(shí),判定圍巖受到損傷。
以原設(shè)計(jì)方案(L=200 mm)的周邊孔模型作為實(shí)例,研究雙孔間圍巖在截面A 和截面B(見(jiàn)圖4)上的損傷過(guò)程。模型在截面B 上的損傷過(guò)程如圖5 所示。t=0.18 ms 時(shí),第1 卷藥卷完成起爆,緊靠藥卷的圍巖迅速達(dá)到破壞條件;t=0.30 ms時(shí),雙孔間圍巖首次達(dá)到損傷條件;隨著時(shí)間的推移,損傷圍巖范圍不斷擴(kuò)大,直到t=3.60 ms,圍巖損傷范圍基本穩(wěn)定。
圖4 圍巖截面示意圖Fig. 4 Schematic of surrounding rock section
圖5 截面B 上的圍巖損傷云圖Fig. 5 Damage nephogram of rock on section B
為了更加直觀地顯示達(dá)到損傷條件的圍巖范圍,通過(guò)調(diào)整損傷度區(qū)間使D≥0.19 的區(qū)域以一種顏色表示,如圖6 所示。當(dāng)L=200 mm 時(shí),雙孔間圍巖均達(dá)到破壞條件,其中,自由邊界一側(cè)圍巖的損傷范圍最大達(dá)到45 cm,無(wú)反射邊界一側(cè)圍巖的損傷范圍最大達(dá)到41 cm,與現(xiàn)場(chǎng)超挖范圍基本一致,不僅說(shuō)明利用ANSYS/LS-DYNA 模擬圍巖損傷特征具有較強(qiáng)的合理性,也說(shuō)明邊界條件對(duì)圍巖損傷范圍的影響不大。
圖6 30.00 ms 時(shí)截面B 上的圍巖損傷范圍Fig. 6 Damage range of rock on section B at 30.00 ms
截面A 上的圍巖損傷過(guò)程如圖7 所示。對(duì)同一炮孔內(nèi)的不同藥卷設(shè)置不同的起爆時(shí)間,時(shí)間間隔t為
圖7 截面A 上的圍巖損傷云圖Fig. 7 Damage nephogram of rock on section A
式中:l為藥卷長(zhǎng)度,v1、v2分別為炸藥爆轟速度和導(dǎo)爆索速度。通過(guò)式(5)計(jì)算得到該裝藥結(jié)構(gòu)下不同藥卷之間的起爆時(shí)間間隔為0.09 ms。由圖7 可知,炮孔中的5 個(gè)藥卷在t=0.54 ms 時(shí)完全起爆,t=3.60 ms 時(shí)爆破基本穩(wěn)定。最終的爆破效果如圖8 所示。從圖8 可以看出,雙孔間的圍巖均達(dá)到損傷條件,但是爆破進(jìn)尺顯然無(wú)法滿(mǎn)足要求。
圖8 30.00 ms 時(shí)截面A 上的圍巖損傷范圍Fig. 8 Damage range of rock on section A at 30.00 ms
孔間圍巖損傷特征是評(píng)價(jià)周邊孔爆破效果的重要指標(biāo)之一。選取圖9 所示的截面C 作為研究對(duì)象,分析軸向雙孔間圍巖的損傷特征,結(jié)果如圖10 所示。
圖9 圍巖截面示意圖Fig. 9 Schematic of surrounding rock section
由圖10 可知:當(dāng)L處于150~250 mm 之間時(shí),孔間圍巖之間的損傷度D均達(dá)到0.19 以上,完全破壞,且平均損傷度較大;當(dāng)L=300 mm 以及L=350 mm 時(shí),小部分孔間圍巖出現(xiàn)D<0.19 的藍(lán)色區(qū)域,藍(lán)色區(qū)域在x軸上的長(zhǎng)度最長(zhǎng)達(dá)到13 cm,y軸上的長(zhǎng)度最長(zhǎng)達(dá)到7 cm;當(dāng)L=400 mm 時(shí),炮孔間的藍(lán)色區(qū)域逐漸增多,在y軸上的長(zhǎng)度明顯增大,達(dá)到15 cm,在x軸上的長(zhǎng)度依然維持在13 cm左右;當(dāng)L=450 mm 時(shí),炮孔間的藍(lán)色區(qū)域在y軸上的長(zhǎng)度明顯增大,最長(zhǎng)達(dá)到28 cm,在x軸上的長(zhǎng)度最長(zhǎng)達(dá)到15 cm 左右,變化不大。
圖10 截面C 上的圍巖損傷對(duì)比Fig. 10 Comparison of surrounding rock damage on section C
對(duì)比以上數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)L=250 mm 時(shí),藥卷之間的圍巖達(dá)到完全破壞條件,但是隨著L的增大,空氣之間的圍巖逐漸出現(xiàn)不能達(dá)到破壞條件的區(qū)域,且該區(qū)域在x軸上的長(zhǎng)度隨著L的增大而增長(zhǎng)放緩,在y軸上的長(zhǎng)度則增長(zhǎng)得較迅速。
在保證不產(chǎn)生欠挖的條件下,超挖范圍的大小是評(píng)價(jià)圍巖損傷情況的重要指標(biāo)之一。取不同L下的周邊孔數(shù)值模型作為研究對(duì)象,通過(guò)分析模型截面D 和截面E(見(jiàn)圖9)的圍巖損傷情況,多角度分析周邊孔的爆破效果,結(jié)果如圖11 和圖12 所示。
圖11 截面D 上的圍巖損傷對(duì)比Fig. 11 Comparison of surrounding rock damage on section D
圖12 截面E 上的圍巖損傷對(duì)比Fig. 12 Comparison of surrounding rock damage on section E
由圖11 可知:當(dāng)L<300 mm 時(shí),藥卷與空氣周邊圍巖的損傷范圍基本保持一致;當(dāng)L>300 mm 時(shí),藥卷周邊圍巖的損傷范圍略大于空氣周邊圍巖,自由邊界一側(cè)圍巖的損傷范圍略大于無(wú)反射邊界一側(cè)圍巖。此外,當(dāng)L=150 mm 及L=200 mm 時(shí),超挖范圍最大達(dá)到40 cm;而當(dāng)L>300 mm 時(shí),超挖范圍明顯減弱,最大距離出現(xiàn)在炮孔中藥卷周邊圍巖,為25 cm,最小距離出現(xiàn)在炮孔中空氣周邊圍巖,為18 cm。
由圖12 可知,當(dāng)L取150 和200 mm 時(shí),圍巖徹底破壞,紅色區(qū)域在z軸上的范圍也較大,其中最大距離主要出現(xiàn)在孔底,達(dá)到75 cm,最小達(dá)到25 cm。當(dāng)L在250~350 mm 區(qū)間時(shí),紅色區(qū)域在z軸上的距離進(jìn)一步縮小,且在孔底表現(xiàn)明顯,最大距離僅為55 cm;此外,紅色區(qū)域內(nèi)部開(kāi)始出現(xiàn)破壞不徹底的藍(lán)色區(qū)域,盡管這些藍(lán)色區(qū)域不能被很好地破碎,但是仍然能夠脫離周邊圍巖掉落下來(lái),不產(chǎn)生欠挖現(xiàn)象。當(dāng)L取400 和450 mm 時(shí),紅色區(qū)域內(nèi)部的藍(lán)色區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)大,且部分與周邊圍巖相連,說(shuō)明該藥卷間距下的周邊孔爆破效果不佳,產(chǎn)生了欠挖現(xiàn)象。
根據(jù)《水工建筑物地下開(kāi)挖工程施工規(guī)范》[16],地下工程的施工原則為“在保證不產(chǎn)生欠挖的情況下盡量減少超挖”。經(jīng)過(guò)數(shù)值模擬分析:當(dāng)L設(shè)置為400、450 mm 時(shí),光面爆破開(kāi)挖明顯產(chǎn)生了欠挖現(xiàn)象;當(dāng)L設(shè)置為150、200 mm 時(shí),盡管?chē)鷰r破壞徹底,但是爆破進(jìn)尺明顯不滿(mǎn)足要求,且超挖范圍最大達(dá)到40 cm;當(dāng)L設(shè)置為250、300、350 mm 時(shí),盡管出現(xiàn)可脫離圍巖的巖塊,但并不產(chǎn)生欠挖現(xiàn)象,而從爆破進(jìn)尺上考慮,顯然350 mm 藥卷間距的周邊孔模型更符合要求。經(jīng)過(guò)綜合分析,擬定L為350 mm 的周邊孔裝藥結(jié)構(gòu)為最佳方案。
基于數(shù)值分析結(jié)果,采用優(yōu)化后的周邊孔裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行爆破試驗(yàn)。為減少周邊環(huán)境對(duì)結(jié)果的影響,優(yōu)化后的爆破試驗(yàn)選擇與原試驗(yàn)同類(lèi)型、同分級(jí)的圍巖,除了周邊孔藥卷間距外,其余炮孔參數(shù)均保持不變,采用優(yōu)化后爆破設(shè)計(jì)方案得到的現(xiàn)場(chǎng)爆破效果如圖13 所示??梢钥闯?,優(yōu)化后的爆破效果明顯更好,超挖范圍由43 cm 下降至30 cm 左右,說(shuō)明采用350 mm 的周邊孔藥卷間距進(jìn)行爆破施工可以有效地降低超挖距離,且不產(chǎn)生欠挖現(xiàn)象,從而提高經(jīng)濟(jì)效益。
圖13 優(yōu)化后的爆破效果Fig. 13 Effect drawing of optimized blasting
以秘魯圣加旺Ⅲ水電站引水系統(tǒng)工程為背景,通過(guò)數(shù)值模擬手段對(duì)現(xiàn)場(chǎng)爆破設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化,得到如下主要結(jié)論。
(1) 藥卷間距是影響周邊孔爆破效果的重要參數(shù)?;诒竟こ瘫尘埃?dāng)周邊孔藥卷間距小于350 mm時(shí),爆破不會(huì)出現(xiàn)欠挖現(xiàn)象,且超挖范圍隨著藥卷間距的增大而減小,當(dāng)藥卷間距大于400 mm 時(shí),爆破效果開(kāi)始出現(xiàn)欠挖現(xiàn)象,且隨著藥卷間距的增大,欠挖范圍增大。
(2) 周邊孔的最佳藥卷間距為350 mm,采用優(yōu)化后的爆破設(shè)計(jì)方案進(jìn)行爆破試驗(yàn),得到的超挖范圍明顯減小,最大超挖距離由40 cm 降至30 cm。