光面爆破不耦合裝藥參數(shù)優(yōu)化的試驗(yàn)研究

張 迅

(中鐵隧道局集團(tuán)有限公司，廣州 511458)

當(dāng)前，一般隧道工程施工方法主要有明挖法、盾構(gòu)法以及鉆爆法(礦山法)，特別是山嶺隧道一般是采用鉆爆法(掘進(jìn)以爆破技術(shù)為主要施工方法)。由于爆破開(kāi)挖是間歇循環(huán)作業(yè)，循環(huán)進(jìn)尺是整個(gè)隧道工程效率的關(guān)鍵。而隧道爆破，因臨空面少且受巖石的夾制作用，爆破較為困難，導(dǎo)致炸藥單耗高、進(jìn)尺小，產(chǎn)生爆破振動(dòng)大等問(wèn)題。針對(duì)這些難點(diǎn)，前人從沒(méi)間斷相關(guān)領(lǐng)域的研究工作。

針對(duì)降低爆破振動(dòng)，文獻(xiàn)[1-2]介紹了隧道掏槽方式的研究，提出降低爆破振動(dòng)的技術(shù)措施。在提高隧道爆破進(jìn)尺方面，文獻(xiàn)[3-4]報(bào)道了不同的掏槽方式對(duì)隧道爆破進(jìn)尺影響的研究成果。文獻(xiàn)[5]介紹了在硬巖隧道中使用楔形深孔掏槽技術(shù)。李自強(qiáng)等[6]針對(duì)隧道不同爆破進(jìn)尺下進(jìn)行了最優(yōu)經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)，得到Ⅱ級(jí)圍巖可采用3.5～4 m的爆破進(jìn)尺。王振東[7]從炮孔深度、參數(shù)設(shè)計(jì)、合理施工等方面提出了提高炮孔利用率、保證單循環(huán)進(jìn)尺的措施。文獻(xiàn)[8]介紹了增加輔助掏槽孔，能提高爆破效果的方法。由于種種原因，施工中的超、欠挖現(xiàn)象不可避免，既對(duì)圍巖造成了破壞，使隧道存在一定的安全隱患，又影響了工期和成本。本文結(jié)合爆破設(shè)計(jì)及實(shí)際施工情況，介紹了不耦合裝藥系數(shù)對(duì)施工影響的研究過(guò)程，為隧道爆破施工積累經(jīng)驗(yàn)，為國(guó)內(nèi)外同類工程提供借鑒。

1 工程概況

三岔頂隧道是江羅高速的控制性工程，全長(zhǎng)3.2 km，其中Ⅱ級(jí)圍巖占72.9%；III級(jí)圍巖占18.5%，IV級(jí)和V級(jí)圍巖占8.6%。圍巖以全風(fēng)化砂巖、花崗巖、微風(fēng)化砂巖為主。超、欠挖較多，爆破參數(shù)優(yōu)化前，隧道爆破效果不好，半孔殘留率在55%左右(見(jiàn)圖1)，掏槽孔的間距為50～70 cm，軸向裝藥不耦合系數(shù)為1.0～1.5，炸藥較浪費(fèi)。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)前爆破效果Fig.1 Blasting effect before the field test

2 試驗(yàn)方案優(yōu)化

采用固、水、氣三相不耦合爆破方案進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)調(diào)整水袋和炮泥位置、改變掏槽孔和輔助孔的裝藥形式、利用竹片裝藥等措施，不斷進(jìn)行爆破參數(shù)的調(diào)整、優(yōu)化[9]。

炮孔裝藥結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖2)分為徑向和軸向，施工中根據(jù)圍巖情況進(jìn)行調(diào)整，若是巖層較完整，則炸藥在軸向上均勻布置；若是巖層較破碎，則在兩個(gè)節(jié)理中間裝藥并在節(jié)理處放置水袋，起到保護(hù)節(jié)理的作用，炸藥0.3 kg/節(jié)。優(yōu)化前后裝藥結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 裝藥結(jié)構(gòu)Fig.2 Charge structuce

圖3 優(yōu)化前后裝藥結(jié)構(gòu)Fig.3 Charge structure before and after optimization

工程現(xiàn)場(chǎng)常規(guī)爆破改變?yōu)楣?、水、氣三相不耦合裝藥爆破，而固、水、氣三相不耦合現(xiàn)場(chǎng)爆破在掏槽形式、炮孔深度、起爆順序等方面與現(xiàn)場(chǎng)優(yōu)化前裝藥參數(shù)相同，所不同的是固、水、氣三相不耦合爆破周邊炮孔中增加了水袋和竹片以及裝藥量和裝藥結(jié)構(gòu)的不同，炮孔布置和斷面炮孔分布分別如圖4和圖5所示，圖中方框內(nèi)為拱腳處，為保證拱腳開(kāi)挖順利，拱腳處裝藥量不變。

注：圖中炮孔旁邊數(shù)字代表裝藥節(jié)數(shù)，線上數(shù)字為起爆段位。圖4 炮孔布置Fig.4 Blasthole arrangement

圖5 斷面炮孔分布Fig.5 Section of blasthole distribution

通過(guò)試驗(yàn)效果可得，固、水、氣三相不耦合裝藥技術(shù)具有提高炸藥利用率、控制超欠挖、降低施工后通風(fēng)除塵成本、增強(qiáng)巖層穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，調(diào)整裝藥方案后的半孔殘留率高于90%，比以往的軸向空氣不耦合裝藥技術(shù)和耦合裝藥效果更佳。優(yōu)化后的光面爆破效果較好，超、欠挖得到了有效控制。

3 爆破計(jì)算模型及參數(shù)分析

在爆破參數(shù)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，采用ANSYSLS-DYNA軟件對(duì)掏槽孔和周邊孔不耦合系數(shù)等數(shù)值進(jìn)行模擬論證，分析其對(duì)爆破效果的影響，即采用固、水、氣三相不耦合計(jì)算模型。

1)掏槽孔高效爆破優(yōu)化試驗(yàn)。優(yōu)化前裝藥形式為軸向裝藥，掏槽孔間距在50～70 cm，不耦合系數(shù)為1.0～1.5，根據(jù)固、水、氣三相不耦合原理來(lái)建立計(jì)算模型，模型為不堵口工況，試驗(yàn)?zāi)Ｐ湍M時(shí)采用cm-g-s單位制，模型尺寸選400 cm×460 cm，炮孔深度3 m，炮孔直徑4 cm。模擬方案均采用反向起爆形式?？紤]實(shí)際爆破圍巖是半無(wú)限性質(zhì)的，因此數(shù)值模型的左、右邊界和底邊界均采用無(wú)反射邊界條件，而頂部設(shè)定為自由臨空面。實(shí)際爆破圍巖是軸對(duì)稱立體三維模型，這里為計(jì)算方便簡(jiǎn)化采用二維計(jì)算模型(見(jiàn)圖6)。借鑒文獻(xiàn)[9]的研究經(jīng)驗(yàn)，爆破后的沖擊波、爆生氣體和爆生氣體壓力持續(xù)時(shí)間設(shè)置為300s。采用ANSYSLS-DYNA和LS-PrePost-4.0對(duì)模型分別進(jìn)行了前處理和后處理。

圖6 固、水、氣三相軸向不耦合裝藥數(shù)值模擬模型Fig.6 The numerical simulation model of axial decoupling charge of solid-water-gas three phases

通過(guò)理論計(jì)算和數(shù)值仿真模擬，根據(jù)優(yōu)化前、后的情況各自建立數(shù)值模型，分別對(duì)2種情況下的模型進(jìn)行數(shù)值模擬運(yùn)算，得出掏槽孔優(yōu)化前、后的效果(見(jiàn)圖7)，以及整理得到掏槽孔rc與軸向裝藥不耦合系數(shù)kl的關(guān)系(見(jiàn)圖8)，rc為圍巖破裂區(qū)半徑值，kl為軸向不耦合系數(shù)。

圖7 數(shù)值模擬結(jié)果Fig.7 Numerical simulation results

圖8 掏槽孔rc與kl的關(guān)系Fig.8 Relationship between rc and kl

由圖7～圖8可以得出，掏槽孔原裝藥方案在軸向不耦合系數(shù)介于1.0～1.5之間時(shí)，爆破效果不佳，圍巖較破碎，炸藥的爆破能量并未得到充分發(fā)揮；當(dāng)軸向不耦合系數(shù)介于1.5～2.33之間時(shí)，裝藥方案較優(yōu)，爆破效果也較好。并且在現(xiàn)場(chǎng)條件允許的情況下，建議采用堵孔爆破施工。

2)周邊孔控制爆破優(yōu)化試驗(yàn)。周邊孔關(guān)系到隧道超、欠挖的控制，周邊孔爆破計(jì)算模型的選取同掏槽孔裝藥模型相同的數(shù)值模型，僅改變炮孔的裝藥形式，得到偏心不耦合裝藥下數(shù)值模擬結(jié)果(見(jiàn)圖9)，以及整理得到圍巖外側(cè)破裂區(qū)半徑rc隨徑向不耦合系數(shù)kr的變化規(guī)律(見(jiàn)圖10)，rc為圍巖破裂區(qū)半徑值，kr為徑向不耦合系數(shù)。

注：不耦合裝藥系數(shù)為2圖9 偏心不耦合裝藥數(shù)值模擬Fig.9 Numerical simulation results of eccentric decouple charge

由圖9可知，水不耦合介質(zhì)裝藥情況下，圍巖外側(cè)破裂區(qū)半徑明顯比空氣不耦合介質(zhì)大，水不耦合介質(zhì)相比空氣不耦合介質(zhì)具有爆破增效的效果；但對(duì)于周邊孔控制超、欠挖目的，水不耦合介質(zhì)裝藥是不利的，因此現(xiàn)場(chǎng)裝藥應(yīng)該避免采用。

9組方案試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示，在裝藥結(jié)構(gòu)、圍巖級(jí)別相同時(shí)，數(shù)值分析每一組方案都顯示隨著徑向不耦合系數(shù)的增大，圍巖外側(cè)破裂區(qū)半徑是不斷減小的；并且模擬結(jié)果表明，當(dāng)偏心不耦合系數(shù)≥2時(shí)，圍巖外側(cè)破裂區(qū)半徑值穩(wěn)定在炮孔半徑內(nèi)，即圍巖外側(cè)沒(méi)有超挖，半孔殘留率得到保障。由此可以得到：在保證不出現(xiàn)爆破掛簾現(xiàn)象或欠挖情況下，現(xiàn)場(chǎng)施工周邊孔裝藥應(yīng)盡量采用徑向不耦合系數(shù)≥2的裝藥結(jié)構(gòu)。

圖10 圍巖外側(cè)rc與 kr 的關(guān)系Fig.10 Relationship between rc and kr of outside rock

由圖9～圖10可知，隧道周邊孔在偏心不耦合裝藥的情況下，圍巖的超、欠挖得到有效控制。只有保證周邊孔的偏心不耦合系數(shù)不小于2，才能很好地控制隧道爆破施工中的超、欠挖問(wèn)題，也才能保證較高的隧道半孔殘留率。因此裝藥方案優(yōu)化后，周邊孔偏心不耦合系數(shù)為2，即藥卷直徑等于隧道周邊孔的半徑時(shí)，爆破效果較好，超、欠挖現(xiàn)象得到有效控制，隧道半孔殘留率從優(yōu)化前的50%～60%提高了優(yōu)化后的90%以上，施工時(shí)還應(yīng)注意現(xiàn)場(chǎng)的可操作性和周邊孔不出現(xiàn)欠挖及爆破掛簾等現(xiàn)象。

4 結(jié)語(yǔ)

1)通過(guò)大量?jī)?yōu)化試驗(yàn)后得出，三相不耦合裝藥比兩相不耦合裝藥更合理，爆破效果更優(yōu)。

2)隧道周邊孔在偏心不耦合裝藥的情況下，偏心不耦合介質(zhì)優(yōu)選采用空氣。

3)本工程的爆破參數(shù)軸向不耦合系數(shù)在1.5～2.33之間較為合理，周邊孔采用空氣介質(zhì)、偏心不耦合系數(shù)為2的裝藥方案，經(jīng)方案優(yōu)化后，工程隧道每爆破開(kāi)挖1 m節(jié)省爆破施工費(fèi)約980元。