基于光面爆破原理的隧道中心溝槽爆破方法

王振浩

(中鐵十六局集團(tuán)第三工程有限公司，浙江 湖州 313000)

隨著交通等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的大力發(fā)展，我國(guó)在建或擬建的隧道工程數(shù)量越來(lái)越多[1-5]。對(duì)于鐵路隧道或公路隧道，為滿足排除地下水及運(yùn)營(yíng)安全要求，均需要在隧道底部設(shè)置中心溝槽。對(duì)于圍巖條件較好的溝槽開挖，為提高開挖效率以及節(jié)約施工成本，一般采用爆破開挖。由于隧道溝槽斷面一般窄而深，開挖成型質(zhì)量極不易受控制，爆破過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)超挖以及開挖輪廓線不平整的問(wèn)題。因此，尋找合理有效的爆破開挖方案對(duì)于保證隧道中心溝槽爆破效果以及節(jié)約施工成本尤為重要。

目前，許多學(xué)者針對(duì)控制爆破方法進(jìn)行了廣泛的研究。凌偉明[6]對(duì)比了光面爆破和預(yù)裂爆破的破裂機(jī)理與損傷特征。戴俊等[7]對(duì)光面爆破相鄰炮孔存在起爆時(shí)差的炮孔間距等進(jìn)行了研究。宗琦等[8]對(duì)光面爆破中采用空氣間隔裝藥的不耦合系數(shù)進(jìn)行了理論研究。林大能[9]系統(tǒng)研究了平巷掏槽爆破空孔尺寸效應(yīng)及圍巖頻繁振動(dòng)損傷累性，并基于相關(guān)理論對(duì)某煤礦引水巷進(jìn)行了爆破設(shè)計(jì)。吉凌等[10]結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工采用氣腿式鑿巖機(jī)鉆孔的特點(diǎn)，提出了大斷面隧道倒“T”型掏槽爆破方法。張成良等[11]對(duì)比分析了考慮損傷與不考慮損傷光面爆破數(shù)值模擬結(jié)果，發(fā)現(xiàn)考慮損傷時(shí)光面爆破的孔距與抵抗線可適當(dāng)加大，為現(xiàn)場(chǎng)光面爆破參數(shù)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。李梓源等[12]依據(jù)爆炸載荷作用下的巖石作用原理及圍巖損傷機(jī)理，采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方法，對(duì)地鐵區(qū)間隧道原有爆破施工方案掏槽孔間距和周邊孔光面爆破參數(shù)進(jìn)行綜合優(yōu)化。Hu等[13]比較了光面爆破與預(yù)裂爆破開挖方式下隧道圍巖損傷破壞效應(yīng)，為隧道爆破開挖優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。Dong等[14]采用改進(jìn)的KUS爆破損傷模型對(duì)溪洛渡水電站左岸地下廠房進(jìn)行爆破損傷計(jì)算，對(duì)地下廠房側(cè)墻防護(hù)層巖體光面爆破參數(shù)優(yōu)化進(jìn)行研究。以上研究大多針對(duì)隧道以及礦山爆破，對(duì)于隧道中心溝槽爆破開挖設(shè)計(jì)的研究鮮有涉及。因此，筆者提出優(yōu)化的隧道中心溝槽爆破方法，以期為現(xiàn)場(chǎng)施工設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

本文以贛深高鐵龍南隧道為工程背景，針對(duì)隧道中心溝槽爆破開挖過(guò)程中存在的問(wèn)題，基于光面爆破原理提出隧道中心溝槽爆破方法。借助數(shù)值模擬的手段對(duì)提出的溝槽爆破方法進(jìn)行效果預(yù)測(cè)分析，并進(jìn)一步通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行效果檢驗(yàn)。

1 現(xiàn)場(chǎng)溝槽爆破方法及存在問(wèn)題

龍南隧道全長(zhǎng)10 240.225 m，斷面面積為134 m2，為單洞雙線隧道。為滿足地下排水及運(yùn)營(yíng)安全要求，隧道底部設(shè)置中心溝槽。當(dāng)圍巖級(jí)別為Ⅱ級(jí)時(shí)，掌子面開挖采用全斷面毫秒延時(shí)爆破方式，溝槽與掌子面爆破開挖在同一個(gè)斷面內(nèi)進(jìn)行。溝槽爆破炮孔全部為水平孔，具體炮孔布置方式以及裝藥結(jié)構(gòu)分別如圖1與圖2所示，爆破參數(shù)如表1所示。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查分析，溝槽爆破開挖主要存在2個(gè)方面的問(wèn)題：①超挖嚴(yán)重，開挖寬度方向超挖量達(dá)到80 cm；②開挖輪廓線不平整。針對(duì)龍南隧道Ⅱ級(jí)圍巖中心溝槽爆破開挖存在的問(wèn)題，在充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，基于光面爆破原理提出了一種隧道中心溝槽爆破方法。

圖1 原溝槽爆破方案炮孔布置Fig.1 Blastholes layout of original trench blasting scheme

圖2 原溝槽爆破方案炮孔裝藥結(jié)構(gòu)Fig.2 Charging structures of original trench blasting scheme

表1 原溝槽爆破方案鉆孔及裝藥參數(shù)

2 基于光面爆破原理的溝槽爆破方法

光面爆破是常見的控制爆破開挖方式之一，其原理是先爆除主體開挖部位的巖體，然后再起爆布置在設(shè)計(jì)輪廓線上的周邊孔藥包，將光爆層炸除，形成一個(gè)平整的開挖面。根據(jù)光面爆破開挖特點(diǎn)，設(shè)計(jì)溝槽爆破開挖方法，兩個(gè)水平孔H1和H2分別布置在溝槽開挖區(qū)域中部與底部，若干個(gè)豎向孔布置在溝槽開挖輪廓線上(見圖3)：首先依次起爆水平孔H1與H2，將溝槽開挖輪廓線以內(nèi)的巖石充分破碎拋擲；然后起爆豎向孔，最終能形成平整的開挖輪廓線。為避免溝槽爆破開挖受掌子面爆破影響，設(shè)計(jì)滯后掌子面2個(gè)循環(huán)進(jìn)尺進(jìn)行溝槽爆破，1個(gè)循環(huán)進(jìn)尺為5 m，故溝槽爆破滯后掌子面10 m。水平孔長(zhǎng)度與開挖循環(huán)進(jìn)尺一致，為5 m。為避免溝槽側(cè)壁以及底部圍巖受到嚴(yán)重破壞，設(shè)計(jì)豎向孔距離溝槽側(cè)壁與底部輪廓線10 cm，豎向孔長(zhǎng)度為1 m。

圖3 基于光面爆破原理的溝槽爆破方法炮孔布置Fig.3 Blastholes layout of trench blasting method based on the smooth blasting principle

由于水平孔H1接近隧道底板開挖自由面，采用爆破漏斗原理設(shè)計(jì)水平孔H1裝藥結(jié)構(gòu)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，當(dāng)水平孔H1裝1.5卷炸藥且炮孔距自由面約50 cm時(shí)，剛好能形成爆破漏斗。設(shè)計(jì)水平孔H1間隔分成4段裝藥，除孔口附近裝1卷炸藥外，其余位置均裝1.5卷炸藥，設(shè)置水平孔H1倒數(shù)第2段裝藥底部起爆。由于水平孔H2靠近溝槽開挖底部，裝藥結(jié)構(gòu)應(yīng)遵循多間隔少裝藥的原則，設(shè)計(jì)水平孔H2間隔分成7段裝藥，底部裝1.5卷炸藥，其余位置均裝1卷炸藥。由于豎向孔距離溝槽開挖輪廓線較近，在保證溝槽開挖輪廓線附近巖石充分破碎的情況下應(yīng)盡量減少裝藥。設(shè)計(jì)豎向孔裝1/2卷炸藥，裝藥間隔為50 cm，根據(jù)循環(huán)進(jìn)尺設(shè)計(jì)豎向孔數(shù)量為20個(gè)。水平孔與豎向孔具體裝藥結(jié)構(gòu)如圖4所示，爆破參數(shù)如表2所示。

圖4 基于光面爆破原理的溝槽爆破方法炮孔裝藥結(jié)構(gòu)Fig.4 Charging structures of blastholes of trench blasting method based on the smooth blasting principle

表2 溝槽爆破優(yōu)化方案鉆孔及裝藥參數(shù)

3 數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值模型建立

為對(duì)提出的隧道中心溝槽爆破方法進(jìn)行效果預(yù)測(cè)，采用ANSYS/LS-DYNA軟件建立中心溝槽爆破開挖數(shù)值計(jì)算模型(見圖5)。模型中溝槽爆破開挖炮孔布置方式和裝藥結(jié)構(gòu)均與前文中基于光面爆破原理的溝槽爆破方式相一致。為減少模擬計(jì)算時(shí)間，建立1/2對(duì)稱模型，模型尺寸為5.2 m×7.4 m×6.0 m(x×y×z)。為避免人工邊界引起的反射波對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，除對(duì)稱邊界以及自由面(包括隧道底板自由面以及溝槽開挖截面自由面)外，其余面均設(shè)置為無(wú)反射邊界。計(jì)算采用流固耦合算法，其中，炸藥采用ALE算法，巖石與炮泥采用Lagrange算法。模型共劃分為221 068個(gè)網(wǎng)格單元，745 287個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖5 計(jì)算模型Fig.5 Numerical model

根據(jù)前文基于光面爆破原理的溝槽爆破方法，設(shè)計(jì)實(shí)際開挖中水平孔H1與水平孔H2分別采用MS1段與MS3段雷管起爆，兩者起爆延時(shí)時(shí)間約50 ms。由于計(jì)算機(jī)能力的限制，若將模型中炮孔起爆延時(shí)時(shí)間設(shè)置為與實(shí)際一致，則計(jì)算量較大。經(jīng)試算，當(dāng)炮孔起爆5 ms后圍巖應(yīng)力、應(yīng)變以及位移基本不變。因此，將相鄰段別炮孔起爆延期時(shí)間設(shè)置為5 ms。

3.2 材料模型及參數(shù)

炸藥采用LSDYNA軟件自帶的材料模型MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN實(shí)現(xiàn),并用JWL狀態(tài)方程模擬炸藥爆轟過(guò)程中壓力和比容的關(guān)系[15-16]：

(1)

式中：A、B、R1、R2、ω為材料常數(shù)；p為壓力；V為相對(duì)體積；E0為初始比內(nèi)能；e為自然常數(shù)。

炸藥材料相關(guān)參數(shù)如表3所示。

表3 炸藥材料相關(guān)參數(shù)

巖石采用MAT_PLASTIC_KINEMATIC材料模型[17-20]，該材料模型充分考慮了巖石材料的彈塑性性質(zhì)，并能夠?qū)Σ牧系挠不?yīng)和應(yīng)變率變化效應(yīng)加以描述[21]。巖石應(yīng)變率用Cowper-Symonds模型來(lái)考慮，屈服應(yīng)力可表示為與應(yīng)變率有關(guān)的函數(shù)：

(2)

(3)

根據(jù)龍南隧道現(xiàn)場(chǎng)勘查資料，圍巖材料相關(guān)參數(shù)如表4所示。炮泥與巖石一樣，采用MAT_PLASTIC_KINEMATIC材料模型。炮泥材料相關(guān)參數(shù)參考文獻(xiàn)[22](見表5)。

表4 巖石材料物理力學(xué)參數(shù)

表5 炮泥材料力學(xué)參數(shù)

3.3 結(jié)果分析

由于溝槽爆破開挖過(guò)程中炸藥埋深較淺，炸藥爆炸后沖擊波主要在自由面發(fā)生反射，引起巖石拉伸破壞。因此，本文在進(jìn)行溝槽爆破效果評(píng)價(jià)時(shí)，主要將巖石有效應(yīng)力超過(guò)其動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度作為判定巖石發(fā)生破壞的標(biāo)準(zhǔn)。

采用基于光面爆破原理的中心溝槽爆破方法，溝槽圍巖有效應(yīng)力分布情況如圖6所示。根據(jù)以上巖石破壞標(biāo)準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)，超出溝槽設(shè)計(jì)開挖輪廓線20～30 cm孔口自由面附近，保留巖體有效應(yīng)力超過(guò)其動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度15 MPa?？紤]是由于炸藥爆炸后沖擊波在溝槽開挖自由斷面發(fā)生強(qiáng)烈的反射拉伸作用。但該區(qū)域僅出現(xiàn)在距開挖自由斷面一定范圍內(nèi)。由圖6還可以看出，除開挖自由斷面附近外，圍巖有效應(yīng)力大于圍巖動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度15 MPa的范圍基本分布在溝槽設(shè)計(jì)開挖輪廓線附近。

圖6 溝槽爆破圍巖有效應(yīng)力Fig.6 Effective stress of surrounding rock under trench blasting

進(jìn)一步分析溝槽爆破開挖過(guò)程中不同位置圍巖有效應(yīng)力大小，提取圖6中距溝槽開挖自由斷面不同距離的橫截面底部以及側(cè)壁不同位置單元有效應(yīng)力數(shù)據(jù)。溝槽橫截面單元位置如圖7所示，其中，A～C單元均在溝槽底部設(shè)計(jì)開挖輪廓線以內(nèi)，D單元在距溝槽底部設(shè)計(jì)開挖輪廓線10 cm位置。E～G單元均在溝槽側(cè)壁設(shè)計(jì)開挖輪廓線以內(nèi)，H單元在距溝槽側(cè)壁設(shè)計(jì)開挖輪廓線10 cm位置。溝槽底部以及側(cè)壁不同位置單元有效應(yīng)力如圖8和圖9所示。

圖7 開挖斷面不同位置單元Fig.7 Elements in trench excavated cross-section

圖8 溝槽不同橫截面底部單元有效應(yīng)力Fig.8 Effective stress of different excavation sections at the bottom of trench

圖9 溝槽不同橫截面?zhèn)缺趩卧行?yīng)力Fig.9 Effective stress of different excavation sections in trench sidewall

由圖8可以看出，與模型中各段別起爆時(shí)間點(diǎn)一致，在0、5、10 ms時(shí)，溝槽底部各單元(A～D)有效應(yīng)力均出現(xiàn)突然增大的現(xiàn)象。由于C單元在溝槽底部以及側(cè)壁的交接處附近(距豎向孔較近)，當(dāng)豎向孔爆破時(shí)(10 ms)C單元有效應(yīng)力較大。距開挖自由斷面3 m的橫截面上，C單元有效應(yīng)力最大值超過(guò)100 MPa，考慮是由于C單元?jiǎng)偤迷谪Q向孔附近，豎向孔爆破對(duì)該位置影響較顯著。其余位置有效應(yīng)力均在40 MPa內(nèi)。除D單元外，各單元有效應(yīng)力最大值均超過(guò)圍巖動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度15 MPa。由此預(yù)測(cè)采用基于光面爆破原理的溝槽爆破方法，溝槽底部超挖量基本控制在10 cm以內(nèi)。

由圖9可以看出，與圖8溝槽底部各單元有效應(yīng)力不同，溝槽側(cè)壁各單元(E～H)有效應(yīng)力并不總在0、5、10 ms時(shí)出現(xiàn)突然增大的現(xiàn)象。但與C單元一樣，G單元由于在溝槽底部以及側(cè)壁的交接處附近，當(dāng)豎向孔爆破時(shí)(10 ms)G單元有效應(yīng)力較大。除H單元有效應(yīng)力小于圍巖動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度15 MPa以外，溝槽側(cè)壁其余單元(E～G)有效應(yīng)力最大值均超過(guò)15 MPa。由此預(yù)測(cè)采用基于光面爆破原理的溝槽爆破方法，溝槽側(cè)壁總超挖量基本控制在20 cm以內(nèi)(溝槽開挖寬度方向總超挖量)。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

將基于光面爆破原理的溝槽爆破方法應(yīng)用到龍南隧道現(xiàn)場(chǎng)溝槽爆破試驗(yàn)中?，F(xiàn)場(chǎng)溝槽爆破開挖滯后掌子面兩個(gè)循環(huán)(10 m)進(jìn)行，采用毫秒延時(shí)爆破開挖方式?？紤]到現(xiàn)場(chǎng)掌子面爆破開挖造成隧道底板圍巖產(chǎn)生較大的破壞，在溝槽爆破試驗(yàn)時(shí)，減少水平孔的裝藥量。具體爆破參數(shù)如表6所示?？偣策M(jìn)行10次中心溝槽爆破試驗(yàn)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，試驗(yàn)后溝槽爆破開挖寬度方向超挖量減少了60 cm左右，炸藥單耗由之前的1.03 kg/m3減少到0.76 kg/m3。經(jīng)觀察，試驗(yàn)后的溝槽爆破開挖輪廓線較為平整，溝槽總體成型效果較好。試驗(yàn)前后溝槽爆破效果如圖10所示。

表6 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)炮孔鉆爆參數(shù)

圖10 爆破效果Fig.10 Blasting effect

5 結(jié)論

1)采用基于光面爆破原理的溝槽爆破方法，除孔口自由面附近外，圍巖有效應(yīng)力大于其動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度的范圍基本分布在溝槽設(shè)計(jì)開挖輪廓線附近。

2)溝槽設(shè)計(jì)開挖范圍內(nèi)圍巖有效應(yīng)力均超過(guò)圍巖動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度，而距溝槽設(shè)計(jì)開挖輪廓線10 cm范圍內(nèi)保留巖體有效應(yīng)力基本小于圍巖動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度。溝槽底部與單邊側(cè)壁超挖量基本小于10 cm。

3)經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)后溝槽爆破開挖寬度方向超挖量減少到20 cm左右，開挖高度方向超挖量減小到10 cm左右，炸藥單耗由之前的1.03 kg/m3降低到0.76 kg/m3，溝槽總體成型效果較好。