鐘慶華 唐潮 劉宇 楊新安

摘? 要：杭溫鐵路木匪嶺、石尖等隧道圍巖強(qiáng)度高，局部節(jié)理發(fā)育，存在極高的水平向地應(yīng)力，巖爆頻發(fā)。傳統(tǒng)光爆在控制超欠挖及減輕誘發(fā)巖爆等方面存在顯著缺陷，為此，開展數(shù)值模擬分析研究以及普通光爆與聚能水壓光爆對(duì)比試驗(yàn)。結(jié)果表明，聚能水壓爆破在聚能方向的孔壁壓力峰值和巖體內(nèi)有效應(yīng)力峰值較大，利于形成導(dǎo)向裂縫，減小對(duì)保留圍巖的損傷；聚能水壓爆破在減小爆破振速、控制超欠挖、降低粉塵及有害氣體濃度等方面效果顯著，同時(shí)減少爆破誘發(fā)巖爆次數(shù)及強(qiáng)度。研究成果可以對(duì)礦山法硬巖隧道爆破施工提供理論支撐和現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：鐵路隧道；現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)；光面爆破；聚能水壓爆破；數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：U455? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2024）08-0058-05

Abstract： Tunnels in Mufeiling and Shijian on Hangzhou-Wenzhou Railway have high-strength surrounding rocks， developed local joints， extremely high horizontal ground stress and frequent rockburst. Traditional light explosion has obvious defects in controlling over-underexcavation and reducing induced rockburst. Therefore， numerical simulation analysis and comparative experiments of ordinary light explosion and concentrated water pressure light explosion are carried out. The results show that the peak value of hole wall pressure and effective stress in rock mass are larger in the direction of energy accumulation， which is beneficial to the formation of guided cracks and reduce the damage to reserved surrounding rock. Energy-concentrated hydraulic blasting has a remarkable effect in reducing blasting vibration velocity， controlling over-underexcavation， reducing dust and harmful gas concentration， and decreasing the number and intensity of rockburst induced by blasting. The research results can provide theoretical support and on-site technical guidance for the blasting construction of mine hard rock tunnel.

Keywords： railway tunnel; field test; smooth blasting; concentrated energy hydraulic blasting; numerical simulation

杭溫鐵路二期木匪嶺、石尖等隧道所處地層為凝灰?guī)r，強(qiáng)度高，屬硬巖～極硬巖，巖體局部節(jié)理發(fā)育?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)表明，隧址區(qū)存在極高的水平向地應(yīng)力。普通光爆存在超欠挖過(guò)大、容易誘發(fā)巖爆等問(wèn)題，無(wú)法滿足隧道現(xiàn)階段施工要求。因此，控制超欠挖、降低爆破振速、減少巖爆發(fā)生次數(shù)以及改善洞內(nèi)作業(yè)環(huán)境是杭溫鐵路隧道施工中的關(guān)鍵技術(shù)難題。為此，根據(jù)聚能水壓爆破[1-3]在一些工程中實(shí)際應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)和效果，提出采用聚能水壓爆破的技術(shù)方案。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)聚能水壓爆破已經(jīng)開展了一些研究。吳波等[4]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法探究聚能水壓爆破作用機(jī)理及損傷特性。王軍[5]研究表明在增加循環(huán)進(jìn)尺、提高炸藥利用率、提高炮眼利用率等方面，聚能水壓爆破有顯著作用。劉海波[6]發(fā)現(xiàn)聚能水壓爆破能夠減少超挖，控制開挖輪廓線。王汪洋[7]依托林家岙隧道工程，使用數(shù)值分析、技術(shù)調(diào)研和原位試驗(yàn)等手段，極大提高了預(yù)裂縫等效分析方法的合理度。李立功等[8]采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方法，分析了不同鉆爆設(shè)計(jì)參數(shù)與水壓爆破時(shí)的爆破振動(dòng)速度值。胡東榮[9]研究發(fā)現(xiàn)，爆破會(huì)使掌子面巖石變成兩部分，一部分是裂隙區(qū)，一部分是壓碎區(qū)。閆海倫[10]采用諸多科學(xué)的研究方法，探討聚能水壓巖石爆破作用下的應(yīng)力傳播規(guī)律以及將爆破振速以及位移變化進(jìn)行對(duì)比分析。宋鵬偉等[11]基于聚能水壓光爆機(jī)理，通過(guò)LS-DYNA進(jìn)行數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，探究聚能水壓爆破的作用效果，從而優(yōu)化周邊眼裝藥結(jié)構(gòu)。熊成宇等[12]開展現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)，在經(jīng)濟(jì)環(huán)保和技術(shù)層面對(duì)比聚能水壓爆破技術(shù)與普通光爆技術(shù)，發(fā)現(xiàn)聚能水壓爆破能有效地控制超欠挖。李興全等[13]提出切縫藥包聚能水壓爆破技術(shù)，顯著提高能量利用率，減少超欠挖。

本文將聚能水壓爆破用于杭溫鐵路木匪嶺、石尖等隧道工程，用LS-DYNA[14]進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與分析，取得良好的工程效果與有益的結(jié)論。

1? 工程概況、問(wèn)題及方案提出

杭溫鐵路杭州至義烏段，正線全長(zhǎng)59.018 km。木匪嶺隧道10.24 km，為唯一的特長(zhǎng)隧道；長(zhǎng)隧道4座，中長(zhǎng)隧道7座，短隧道9座。圍巖等級(jí)主要以Ⅱ、Ⅲ級(jí)為主，圍巖條件較好。

整體區(qū)段巖質(zhì)普遍較硬，所以在普通鉆爆法的施工過(guò)程中，很容易產(chǎn)生超欠挖嚴(yán)重、粉塵濃度過(guò)大等一系列問(wèn)題。加之木匪嶺、石尖等隧道存在極高的水平向地應(yīng)力，巖爆頻發(fā)，勢(shì)必使圍巖的松動(dòng)圈范圍擴(kuò)大，降低其自穩(wěn)能力，加大隧道施工的安全隱患。

故根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，在石尖隧道的K72+535—K72+837和木匪嶺隧道K76+433—K78+881進(jìn)行聚能水壓爆破、聚能爆破和普通光面爆破的現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比試驗(yàn)。目的是探索更好的爆破方案，降低爆破擾動(dòng)，減少超欠挖，改善洞內(nèi)作業(yè)環(huán)境；減少巖爆頻率，降低巖爆強(qiáng)度等。

2? 數(shù)值模擬分析

為了驗(yàn)證現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方案的可行性以及進(jìn)一步探究聚能水壓爆破作用機(jī)理，故利用LS-DYNA建立爆破單孔三維模型。

2.1? 聚能水壓爆破數(shù)值模型的建立

2.1.1? 模型構(gòu)建

如圖1所示，建立爆破單個(gè)爆孔三維計(jì)算模型，其中，聚能管、水袋、炸藥采用1∶1建模。根據(jù)聚能水壓光爆設(shè)計(jì)，孔深為4.3 m，裝藥半徑為1.6 cm。每一個(gè)炮孔插入4根C27A型聚能管，采用間隔裝藥，以導(dǎo)爆索進(jìn)行連接，并在孔口設(shè)置水砂袋。

2.1.2? 材料參數(shù)

聚能水壓光面爆破模型包含炸藥、空氣、水、巖石、水砂袋及聚能管6種材料。炸藥采用2號(hào)巖石乳化炸藥，本構(gòu)模型采用高能炸藥爆轟本構(gòu)；空氣材料和水采用MAT_NULL本構(gòu)模型。水砂袋選用泡沫材料本構(gòu)模型，密度為1.9 g/cm3。巖石材料和聚能管材料均選用塑性硬化本構(gòu)模型。其中巖石材料參數(shù)由現(xiàn)場(chǎng)取樣后測(cè)得，見表1。聚能管參數(shù)與C27A型[15]聚能管保持一致。

（a）? 模型圖? ? ? ? ? ? ?（b）? 部分網(wǎng)格劃分圖

2.1.3? 初始邊界條件設(shè)置

計(jì)算模型在外圍設(shè)置XY方向位移約束，在炮孔底部設(shè)置與炮孔軸向平行的Z方向上的位移約束。為簡(jiǎn)化計(jì)算，各段炸藥采用點(diǎn)起爆，且為同時(shí)起爆。

2.2? 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

2.2.1? 應(yīng)力波傳播特征

在炮孔徑向方向上20 μs時(shí)，爆炸沖擊波傳至炮孔壁，在聚能方向上產(chǎn)生聚能射流；25 μs時(shí)，聚能射流的有效應(yīng)力下降，繼續(xù)向巖石內(nèi)部侵徹；30 μs時(shí)，聚能射流攜帶的能量進(jìn)一步減少，但聚能方向上應(yīng)力波的傳播速度明顯大于非聚能方向，有利于導(dǎo)向裂縫的生成；40 μs時(shí)，射流作用基本停止，炮孔周圍形成橢圓狀的應(yīng)力場(chǎng)。炮孔徑向應(yīng)力波傳播特征如圖2所示。

2.2.2? 炮孔壁壓力特征

在炮孔壁上以70 cm等距離軸向選取測(cè)點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)分為聚能方向和非聚能方向，將聚能管閉口側(cè)取為非聚能方向。聚能加非聚能方向總共為16個(gè)測(cè)點(diǎn)。統(tǒng)計(jì)每個(gè)測(cè)點(diǎn)單元的峰值壓力，從而繪制以距炮孔口距離為自變量，炮孔壁聚能方向上的峰值壓力變化曲線以及將聚能與非聚能峰值壓力相比數(shù)值變化曲線。如圖3所示。

由圖3可知，“雙峰式”變化趨勢(shì)顯而易見，峰值所處部位為炮孔壁中間和底端。聚能效果均大于1，聚能方向上孔壁應(yīng)力峰值是非聚能方向上的2.5倍左右，中間聚能效果最好。

2.2.3? 圍巖等效應(yīng)力特征

每隔6 cm在巖體峰值壓力最大截面處的徑向上選取測(cè)點(diǎn)，共計(jì)12個(gè)測(cè)點(diǎn)，具體位置如圖4所示。

統(tǒng)計(jì)有效應(yīng)力峰值，從而繪制出以距炮孔壁距離為自變量，巖體內(nèi)部有效應(yīng)力峰值變化曲線，如圖5所示。

由圖5可得，聚能方向上的有效應(yīng)力峰值始終大于非聚能方向，且兩者都隨著距炮孔壁距離的增加，峰值和變化速率不斷降低，同時(shí)距炮孔壁距離越近，兩者差距越大，有利于孔壁上聚能方向上導(dǎo)向裂縫的產(chǎn)生。

2.2.4? 圍巖振速響應(yīng)特征

選取圖4中的測(cè)點(diǎn)，繪制出以距炮孔壁距離為自變量，巖體徑向上振速峰值的變化曲線，如圖6所示。

由圖6可得，聚能方向上圍巖振速大于非聚能方向，且兩者整體呈下降趨勢(shì)。在距炮孔壁18 cm之前圍巖振速下降較快，在18 cm之外圍巖振速漸漸趨于平緩。

以上數(shù)值分析結(jié)果表明，對(duì)于聚能水壓爆破，孔壁壓力峰值和巖體內(nèi)有效應(yīng)力峰值均大于非聚能爆破，從而提高爆炸能量利用率。由于導(dǎo)向裂縫的形成，使得聚能水壓爆破壓碎區(qū)范圍減小，有利于減輕對(duì)保留圍巖的損傷。這也為開展現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比試驗(yàn)提供了理論依據(jù)。

3? 普通光爆與聚能水壓爆破現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

3.1? 爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

對(duì)于聚能水壓爆破和聚能爆破來(lái)說(shuō)，和普通光面爆破爆破參數(shù)的區(qū)別為周邊孔設(shè)置的不同。對(duì)于普通光面爆破，周邊孔間距為0.50 m，光爆層厚度為0.7 m，孔深為4.3 m。對(duì)于聚能水壓光爆，周邊孔間距為0.85 m，光爆層厚度為0.8 m，孔深為4.3 m。2種爆破方案的具體裝藥參數(shù)見表2。

3.2? 實(shí)測(cè)結(jié)果與分析

3.2.1? 爆破振速特征

本測(cè)試選用的監(jiān)測(cè)儀器為TC4850爆破測(cè)振儀，利用計(jì)算機(jī)從中提取數(shù)據(jù)并利用儀器配備的分析軟件對(duì)波形數(shù)據(jù)進(jìn)行判讀和分析。根據(jù)每次爆破測(cè)得的振速時(shí)程曲線，普通爆破、聚能爆破以及聚能水壓光爆的監(jiān)測(cè)振速最大值見表3。可知，聚能水壓爆破整體上比聚能爆破和普通爆破的爆破振速要小。進(jìn)一步對(duì)3種爆破形式的爆破振速取平均值進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如圖7所示。

根據(jù)圖7可得，與普通光爆相比，聚能光爆的各分量的最大振速降低約29.12%，最大合振速降低約26.98%。與聚能爆破相比，聚能水壓爆破的各分量的最大振速降低約18.81%，最大合振速降低約25.93%。由此可見，與普通光爆、聚能爆破相比，聚能水壓光爆可以進(jìn)一步降低對(duì)保留巖體的影響，降低爆破振動(dòng)，減少巖爆發(fā)生頻率，增加緩沖時(shí)間。

3.2.2? 超欠挖特征

對(duì)普通光面爆破與聚能水壓光面爆破后的輪廓面進(jìn)行激光掃描，統(tǒng)計(jì)分別采用聚能水壓爆破和普通爆破區(qū)段的超欠挖數(shù)值，得出表4的結(jié)果。

對(duì)比普通爆破，采用聚能水壓爆破后，最大超欠挖值減少50.5%，平均超欠挖值減少26%。由此可見，采取聚能水壓爆破能有效控制超欠挖，從而減少支護(hù)成本和保障人員安全。

3.2.3? 粉塵濃度和有害氣體濃度特征

在爆破完成后，立刻進(jìn)入隧道進(jìn)行監(jiān)測(cè)，由于爆破完成后安全的考慮，從距離掌子面100 m的距離開始測(cè)量，分別監(jiān)測(cè)掌子面前100、110、120、130、140、150、160、170、180 m處的粉塵濃度和有害氣體濃度，監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比如圖8所示。監(jiān)測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)隧道掌子面前的有害氣體主要為一氧化碳，其余的有害氣體幾乎沒有，可以忽略不計(jì)。

根據(jù)圖8洞內(nèi)粉塵和有害氣體濃度對(duì)比圖可知，普通爆破和聚能水壓爆破之后洞內(nèi)粉塵和有害氣體的濃度總體上隨著距離掌子面距離的增加而減少。在Ⅲ級(jí)圍巖處與普通光爆相比，聚能水壓光爆在掌子面前100、110、120、130、140、150、160、170、180 m處的粉塵濃度分別降低42.76%、26.49%、42.09%、45.00%、49.48%、33.69%、44.07%、50.51%、48.05%；有害氣體濃度分別降低43.45%、43.42%、18.95%、23.62%、44.25%、49.61%、41.16%、45.97%、49.53%。由此可見，采用聚能水壓光面爆破時(shí)，會(huì)使粉塵濃度、有害氣體濃度顯著降低，利于綠色施工，保障人員安全。

4? 結(jié)論

上述研究表明，聚能水壓爆破可以顯著降低爆破振速、巖爆發(fā)生頻率、超欠挖、粉塵濃度以及有害氣體濃度。在杭溫鐵路硬巖施工中有良好的適用性。

1）基于LS-DYNA動(dòng)力學(xué)軟件的爆破單孔三維模型數(shù)值模擬結(jié)果表明，對(duì)于聚能水壓爆破，孔壁壓力峰值、巖體內(nèi)有效應(yīng)力峰值、圍巖振速均大于非聚能方向，有利于導(dǎo)向裂縫的形成，從而使得聚能水壓爆破壓碎區(qū)范圍減小，有利于減輕對(duì)保留圍巖的損傷。這為現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)提供了理論依據(jù)。

2）杭溫鐵路硬巖隧道所進(jìn)行的聚能水壓爆破、聚能爆破和普通光面爆破的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明：與普通光爆相比，聚能光爆的各分量的最大振速降低約29.12%，最大合振速降低約26.98%。與聚能爆破相比，聚能水壓爆破的各分量的最大振速降低約18.81%，最大合振速降低約25.93%。

3）對(duì)比普通爆破，采用聚能水壓爆破后，最大超欠挖值減少50.5%，平均超欠挖值減少26%。將普通光爆與聚能爆破相比，粉塵濃度平均降低約42.26%，有害氣體濃度平均降低約40.00%。

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] 劉海波，白宗河，劉學(xué)攀，等.隧道掘進(jìn)聚能水壓光面爆破新技術(shù)與應(yīng)用[J].工程爆破，2017，23（1）：81-84.

[3] 王樹成，何廣沂.隧道掘進(jìn)水壓爆破技術(shù)發(fā)展與創(chuàng)新[J].鐵道建筑技術(shù)，2021（7）：1-7，38.

[4] 吳波，李華隆，蒙國(guó)往，等.橢圓雙極線性聚能水壓爆破數(shù)值分析及應(yīng)用[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2022，39（3）：87-93.

[5] 王軍.聚能水壓光面爆破技術(shù)在崤山隧道施工中的應(yīng)用研究[J].鐵道建筑技術(shù)，2017（5）：81-84.

[6] 劉海波.聚能水壓光面爆破新技術(shù)在成蘭鐵路隧道施工中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2019，56（2）：182-187.

[7] 王汪洋.隧道聚能水壓控制爆破巖機(jī)理與參數(shù)優(yōu)化研究[D].南寧：廣西大學(xué)，2019.

[8] 李立功，張亮亮，劉星.小凈距雙洞隧道下穿建筑物爆破振速控制技術(shù)研究[J].隧道建設(shè)，2016，36（5）：592.

[9] 胡東榮.大斷面隧道聚能水壓光面爆破機(jī)理與效果研究[D].杭州：浙江科技學(xué)院，2019.

[10] 閆海倫.長(zhǎng)大山嶺隧道聚能水壓光面爆破研究與應(yīng)用[D].青島：山東科技大學(xué)，2020.

[11] 宋鵬偉，楊新安，李淮，等.基于聚能水壓光爆技術(shù)的周邊眼裝藥結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究[J].隧道建設(shè)（中英文），2022，42（1）：103-112.

[12] 熊成宇，魏忠鋒，趙全江.隧道聚能水壓光面爆破技術(shù)原理及其應(yīng)用[J].施工技術(shù)，2019，48（18）：130-133.

[13] 李興全，蔣新聞，陳志偉，等.勐省隧道周邊孔聚能水壓爆破試驗(yàn)研究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2023，13（2）：61-64.

[14] 辛春亮.由淺入深精通LS-DYNA[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2019.

[15] 李敬國(guó)，楊奎.第二代聚能管水壓光面爆破技術(shù)在下歸里隧道的應(yīng)用[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2020，57（S1）：1035-1041.