張 滿，康欽容，李夢(mèng)玲，蔣富強(qiáng)，姜永東，劉遠(yuǎn)鵬，侯鵬偉，張衛(wèi)中*

1. 武漢工程大學(xué)興發(fā)礦業(yè)學(xué)院，湖北 武漢430074；

2. 中鐵隧道集團(tuán)二處有限公司，河北 三河 065201；

3. 重慶大學(xué)資源與安全學(xué)院，重慶 400044

在特大斷面小凈距隧道群中進(jìn)行掘進(jìn)施工作業(yè)時(shí)，爆破振動(dòng)強(qiáng)度過大不僅會(huì)引起隧道及相鄰隧道斷面發(fā)生大變形，而且會(huì)導(dǎo)致隧道已建成的支護(hù)結(jié)構(gòu)和中隔墻發(fā)生失穩(wěn)或破壞，所以在采用鉆爆法時(shí)應(yīng)將爆破振動(dòng)強(qiáng)度嚴(yán)格控制在安全標(biāo)準(zhǔn)以下［1］。多級(jí)楔形掏槽爆破具有炮孔鉆眼小、掏槽體積大、炸藥及雷管等單耗較小，且鉆孔設(shè)備操作簡(jiǎn)單和施工作業(yè)技術(shù)要求低等優(yōu)點(diǎn)，故在大斷面隧道施工過程中被廣泛使用［2］。為使得楔形掏槽爆破技術(shù)能更好的服務(wù)于工程項(xiàng)目，諸多專家學(xué)者對(duì)此展開研究。何闖等［3］在研究中發(fā)現(xiàn)第2、3 級(jí)掏槽在5 級(jí)掏槽孔布設(shè)中是掏槽振速控制的重點(diǎn)，其中第3 級(jí)掏槽孔深度宜最大；楊國(guó)梁等［4］研究認(rèn)為復(fù)式楔形掏槽爆破有利于炮孔底部巖體的破碎；鄒新寬等［5-6］認(rèn)為楔形分段掏槽爆破方法可有效降低爆破振動(dòng)強(qiáng)度，確保隧道施工效率；凌同華等［7］研究得出菱形楔形掏槽爆破技術(shù)形成的多級(jí)多段掏槽爆破應(yīng)力波能有效提高硬巖破碎效率；廖濤等［8］發(fā)現(xiàn)切縫藥包楔形掏槽爆破在巖性變化較大的巖巷中使用能獲得更好的掏槽效果。以上從爆破參數(shù)、掏槽方式、裝藥結(jié)構(gòu)等方面對(duì)楔形掏槽爆破在隧道施工中的應(yīng)用與減振機(jī)理的研究還比較全面，但缺乏針對(duì)楔形掏槽爆破在特大斷面小凈距隧道群施工中的應(yīng)用研究。本文以貴安新區(qū)騰訊七星數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目為工程案例，采用現(xiàn)場(chǎng)爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)與LS-DYNA 數(shù)值模擬計(jì)算相結(jié)合的方法，在特大斷面小凈距隧道群施工中采用淺孔楔形掏槽（shallow hole wedge cut，SHWC）爆破技術(shù)。

1 案例工程概況

騰訊貴安七星數(shù)據(jù)中心位于貴安新區(qū)馬場(chǎng)科技場(chǎng)內(nèi)，項(xiàng)目周圍無(wú)重要建筑物及設(shè)施。隧道沿棲鳳坡山體橫向布置B1-B5 隧道，隧道中心線線間距為46.0 m，隧道硐室長(zhǎng)為276.4 m、凈空寬為16.5 m、凈空高為11.7 m，隧道群為小凈距、大斷面結(jié)構(gòu)，巖體節(jié)理發(fā)育，節(jié)理面結(jié)合差，場(chǎng)區(qū)圍巖等級(jí)為Ⅴ級(jí)圍巖，隧道群平面布置如圖1 所示。

圖1 隧道群平面布置Fig.1 Overall layout of tunnel group

2 SHWC 爆破應(yīng)用研究

2.1 SHWC 爆破施工

隧道群施工采用中隔-壁法（簡(jiǎn)稱CD 法），施工工序如圖2 所示。將隧道分為左、右兩側(cè)導(dǎo)坑平行施工，掌子面錯(cuò)開長(zhǎng)度不得小于50 m，每側(cè)導(dǎo)坑分四步臺(tái)階開挖，上、中上、中下臺(tái)階分別為5、3、3 m。采用控制爆破法結(jié)合空間錯(cuò)位爆破進(jìn)行施工作業(yè)，后行洞爆破施工與先行洞支護(hù)結(jié)構(gòu)震動(dòng)影響監(jiān)控同步進(jìn)行。

圖2 CD 法施工工序示意圖Fig.2 Schematic diagram of construction process of CD method

（1）爆破器材選定

爆破施工選用2 號(hào)巖石乳化炸藥，Φ32 mm×250 mm。采用1~13 段的非電毫秒雷管起爆，引爆器為塑料導(dǎo)爆管。

（2）掏槽形式選定

采用掏槽眼比其他炮孔超深20 cm 的SHWC槽控制爆破，掏槽眼角度取經(jīng)驗(yàn)值40°~60°。

（3）裝藥結(jié)構(gòu)及堵塞方式

除周邊眼、底板眼采用間隔裝藥結(jié)構(gòu)外，其余眼均采用連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)。采用炮泥堵塞炮眼。

（4）最大段裝藥量計(jì)算

根據(jù)減震爆破理論和薩道夫斯基公式［9］，最大段裝藥量的計(jì)算公式如下：

式中：Qmax——最大段裝藥量，kg；

V——標(biāo)準(zhǔn)控制振速，m/s；

R——爆源中心到振速控制點(diǎn)距離，取30 m；

K——與爆破技術(shù)、地震波傳播途徑介質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)的系數(shù)，根據(jù)目前圍巖情況取150；

α——爆破振動(dòng)衰減指數(shù)，取1.5；

其中K、α的取值需要對(duì)同類型結(jié)構(gòu)做大量的現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)測(cè)試，再用數(shù)值回歸的方法確定；或者先用數(shù)值模擬的方法估算，然后計(jì)算爆破時(shí)單段允許最大裝藥量。

（5）爆破主要參數(shù)

爆破設(shè)計(jì)參數(shù)應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的震速效果進(jìn)行調(diào)整，以尋求既滿足震速要求又能提高工效的優(yōu)化設(shè)計(jì)，根據(jù)實(shí)際情況，設(shè)計(jì)適合施工要求的爆破布置方法，如圖3、圖4 所示，以斷面1 與斷面2為例，爆破法施工的布置參數(shù)設(shè)計(jì)如表1 所示。

表1 斷面1 與斷面2 爆破施工參數(shù)簡(jiǎn)表Tab.1 Construction parameters of section 1 and section 2 blasting

圖3 爆破平面布置示意圖Fig.3 Schematic diagram of blasting layout

圖4 爆破眼孔布置示意圖（單位：m）Fig.4 Schematic diagram of blasting hole layout（unit：m）

（6）振速檢算

根據(jù)減震爆破理論：當(dāng)邊界條件相同時(shí)，爆破開挖的最大振動(dòng)速度值不取決于一次起爆的總藥量，而決定于某單段的最大用藥量。由表1 可知，單段最大裝藥量Q=3.6 kg，將各參數(shù)代入式（1）中，求得V=0.39 cm/s，小于10 cm/s，滿足《爆破安全規(guī)程》（GB6722—2014）規(guī)定。

2.2 爆破振動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

根據(jù)《爆破安全規(guī)程》相關(guān)規(guī)定［10］和工程爆破作業(yè)實(shí)際情況，在距離B5 隧道正面出口約70 m 處進(jìn)行爆破作業(yè)時(shí)，為了保證既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)爆破振動(dòng)速度峰值控制在4.5 cm/s 以內(nèi)，將B5 隧道正面和背面出口、B3、B4 隧道正面出口四處位置設(shè)為爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，采用L20（速度）型爆破測(cè)振儀及配套的速度傳感器對(duì)爆破過程中各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的振速進(jìn)行監(jiān)測(cè)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大振速監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見表2。

表2 爆破過程中各監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大振速Tab.2 Maximum vibration velocities of monitoring points in blasting process

從表2 可知：離爆源最近的B5 隧道正面出口，其質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度峰值均為當(dāng)日各監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中最大，受爆破擾動(dòng)影響最大，最大值為4 月30 日所測(cè)，Vmax=2.45 cm/s；其次是B4 隧道正面出口和B3隧道正面出口處的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度；B5 隧道背面出口距離爆源最遠(yuǎn)，其質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度也最小。

3 SHWC 爆破數(shù)值模擬研究

3.1 有限元模型及算法

由具體施工工序可知，在每個(gè)掘進(jìn)工作面中左上臺(tái)階首先起爆，在僅有1 個(gè)自由面情況下，爆炸受巖石夾制作用最大，掏槽爆破所引起的振動(dòng)最大。采用LS-DYNA 建立長(zhǎng)寬高（X、Z、Y）為2 m×0.75 m×2 m 的1/2 上臺(tái)階掏槽爆破數(shù)值計(jì)算模型。炮孔布置如圖5 所示，其參數(shù)為：第一層掏槽孔傾角45°，裝藥長(zhǎng)度0.4 m，堵塞長(zhǎng)度0.2 m；第2 層掏槽孔傾角60°，裝藥長(zhǎng)度0.3 m，堵塞長(zhǎng)度0.2 m。掏槽孔內(nèi)連續(xù)裝藥，第一層掏槽孔與第二層掏槽孔延期時(shí)間為50 ms，起爆點(diǎn)設(shè)置在各裝藥段底部。

圖5 數(shù)值計(jì)算模型Fig.5 Numerical calculation model

采用3D_SOLID_164 單元類型建立模型，包含空氣、炸藥、炮泥和巖石等材料類型。為簡(jiǎn)化模型，將炮孔簡(jiǎn)化為邊長(zhǎng)為3.5 cm 的正方形，且不考慮各物質(zhì)間的接觸問題，以共節(jié)點(diǎn)的方式建立有限元模型，數(shù)值計(jì)算模型如圖5 所示。

3.2 控制方程及材料參數(shù)

炸藥的控制方程采用ANSYS/LS-DYNA 中的JWL 狀態(tài)方程，此方程定義了爆轟壓力和炸藥單位體積內(nèi)能與相對(duì)體積的關(guān)系［11］，其形式如下：

式中：V為相對(duì)體積；E0為內(nèi)能，Pa；R2，ω，B，R1和A是5 個(gè)描述JWL 方程的獨(dú)立物理函數(shù)。炸藥材料選用2 號(hào)巖石乳化炸藥，具體參數(shù)［12］選取為：密度1 310 kg·m-3，爆速5 500 m·s-1，壓力9.9 GPa；狀態(tài)方程參數(shù)為A=214.4 GPa，B=0.182 GPa，R1=4.2，R2=0.9，ω=0.15，E0=4.192 GPa。

在LS-DYNA 中空氣單元采用MAT_NULL 材料來(lái)模擬，控制方程選用線性多項(xiàng)式狀態(tài)方程［13］，該方程的形式表述為：

式中：P為壓力；C1~C6為相關(guān)常數(shù)；μ為比體積；E為內(nèi)能與初始體積之比。參考相關(guān)文獻(xiàn)選取空氣密度為：1.252 kg/m3，黏滯系數(shù)為17.456×10-6。炮泥和巖石材料單元選用各向異性彈塑性模型。炮泥物理參數(shù)為：密度ρ=1 850 kg·m-3，剪切模量E=20 MPa，泊松比μ=0.28，內(nèi)摩擦角32.1°，黏聚力C=0.18 MPa。巖石材料參數(shù)為：密度ρ=2 040 kg·m-3，剪切模量E=1.8 MPa，泊松比0.38，內(nèi)摩擦角55.8°，抗拉強(qiáng)度3.0 MPa，抗壓強(qiáng)度30 MPa，黏聚力C=1.46 MPa。

3.3 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果分析

圖6 為SHWC 爆破模型在豎直方向上Y=1.05 m 處沿水平切片后得到的被爆巖體內(nèi)部應(yīng)力波的傳播過程。

圖6 SHWC 爆破過程應(yīng)力云圖：（a）0.007 8 ms，（b）0.159 3 ms，（c）0.259 8 ms，（d）0.339 74 ms，（e）2.997 8 msFig.6 SHWC blasting process：（a）0.007 8 ms，（b）0.159 3 ms，（c）0.259 8 ms，（d）0.339 74 ms，（e）2.997 8 ms

楔形掏槽爆破掏槽孔孔底一般采取一次起爆［14-16］，孔底水平間距0.2 m。在爆炸傳播過程中不同爆源處產(chǎn)生的爆炸應(yīng)力波存在明顯的應(yīng)力相互作用區(qū)域，在t=0.007 8 ms 時(shí)炮孔底部爆炸壓縮應(yīng)力波出現(xiàn)應(yīng)力疊加現(xiàn)象，有效應(yīng)力峰值達(dá)到117 MPa；當(dāng)t=0.159 3 ms 時(shí)，開始起爆第二排楔形掏槽孔，第一排炮孔周圍巖體受有效應(yīng)力峰值基本都在100 MPa 以上，此時(shí)，因壓縮應(yīng)力超過被爆巖體動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度，第一排楔形掏槽孔周圍巖體破壞，并以楔形掏槽孔對(duì)稱面為中心繼續(xù)向自由面方向傳播；當(dāng)t=0.259 8 ms 時(shí)，一二排掏槽孔周圍出現(xiàn)應(yīng)力波疊加現(xiàn)象，加速掏槽部分巖體的破壞，促進(jìn)槽腔形成；當(dāng)?shù)谝慌判ㄐ翁筒劭變?nèi)的炸藥基本反應(yīng)完全后，爆炸壓縮應(yīng)力波以橢球弧面形式繼續(xù)向自由面方向傳播；當(dāng)t=0.339 7 ms 時(shí)，爆炸壓縮應(yīng)力波被傳遞至自由面，而后又形成反射拉伸波，并使得掏槽部分自由面處巖體發(fā)生拉裂破壞；當(dāng)t=2.99 7 ms 時(shí)，傳播過程中形成的反射拉伸波繼續(xù)向巖體深部方向傳播，并與正向傳播的爆炸壓縮應(yīng)力波發(fā)生干涉疊加，使得巖石被拉伸和壓縮而發(fā)生破壞。

楔形掏槽孔呈“V”形結(jié)構(gòu)布置，從應(yīng)力云圖可明顯看出，有效應(yīng)力主要集中在掏槽孔底部，使得掏槽區(qū)被爆巖體能有效克服周圍巖石的夾制作用，提高楔形掏槽孔起爆效果；且第一層的掏槽孔起爆后形成的槽腔，能為第二層掏槽孔的起爆提供一個(gè)新的自由面，可以進(jìn)一步擴(kuò)大掏槽范圍。

為進(jìn)一步研究楔形掏槽爆破效果，沿炮孔底部和炮孔方向分別間隔0.5 、0.3 m 連續(xù)布置4 個(gè)和3 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)（見圖7），各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的有效應(yīng)力時(shí)程曲線如圖8 所示。

圖7 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.7 Layout of monitoring points

圖8 監(jiān)測(cè)單元有效應(yīng)力時(shí)程曲線：（a）炮孔底部方向，（b）炮孔方向Fig.8 Effective stress time history curves of monitoring unit：（a）direction of hole bottom，（b）direction of borehole

結(jié)合圖8 可看出，在1 ms 內(nèi)，各監(jiān)測(cè)單元均出現(xiàn)有效應(yīng)力極值，后反復(fù)出現(xiàn)波峰波谷，4 ms 后，有效應(yīng)力時(shí)程曲線趨于平衡，說(shuō)明炸藥爆炸過程是一個(gè)瞬態(tài)過程；在炮孔底部監(jiān)測(cè)線上，1 號(hào)監(jiān)測(cè)單元處于掏槽中心，距離爆心最近，受到的有效應(yīng)力極值最大，同時(shí)，其他監(jiān)測(cè)單元出現(xiàn)極值時(shí)間較后，說(shuō)明爆破地震波傳播過程中存在時(shí)間上的連續(xù)性；沿炮孔方向布置的監(jiān)測(cè)單元處于爆源中心，直面承受爆破沖擊荷載，由圖8 可以發(fā)現(xiàn)對(duì)于各監(jiān)測(cè)單元有效應(yīng)力極值、炮孔方向的各監(jiān)測(cè)單元有效應(yīng)力極值均明顯小于炮孔底部的極值，符合一般規(guī)律。

4 結(jié) 論

本文以微差爆破理論為基礎(chǔ)，在貴安數(shù)據(jù)中心隧道群爆破施工工程中，使用SHWC 爆破技術(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)控制爆破法作業(yè)，通過對(duì)隧道口多處位置進(jìn)行爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)和有限元軟件LS-DYNA 數(shù)值模擬分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）在具有特大斷面、小凈距和隧道群特點(diǎn)的隧道中使SHWC 爆破技術(shù)可以產(chǎn)生很好的控制作用效果：爆破地震波傳播過程中，在0.007 8 ms 時(shí)炮孔底部爆炸壓縮應(yīng)力波出現(xiàn)應(yīng)力疊加，有效應(yīng)力峰值可達(dá)117 MPa；在0.159 3 ms 時(shí)起爆第二排楔形掏槽孔，第一排楔形掏槽孔周圍巖體破壞；在0.259 8 ms 時(shí)，一、二排掏槽孔周圍出現(xiàn)應(yīng)力波疊加現(xiàn)象，加速了掏槽部分巖體的破壞；時(shí)長(zhǎng)在0.339 7 ms時(shí)，掏槽部分自由面處巖體發(fā)生拉裂破壞。

（2）SHWC 技術(shù)能夠有效控制爆破振動(dòng)強(qiáng)度，通過爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)得到最大振動(dòng)速度為2.45 cm/s，符合4.5 cm/s 以內(nèi)的安全允許標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，爆破地震波傳播過程中有效應(yīng)力存在時(shí)間上的連續(xù)性。

（3）楔形掏槽孔使用“Λ”形結(jié)構(gòu)布置，可以使得炸藥爆炸產(chǎn)生的有效應(yīng)力主要集中在掏槽孔底部，使得掏槽區(qū)被爆巖體能有效克服周圍巖石的夾制作用，從而提高掏槽效果，并能進(jìn)一步擴(kuò)大掏槽范圍。