雙層周邊孔護壁爆破在軟弱破碎圍巖的應用研究*

黃志強,崔正宇,劉 奪，楊幸福

(1.沈陽工業(yè)大學 建筑與土木工程學院，沈陽110870；2.中交路橋北方工程有限公司，北京100024)

目前，光面爆破在山嶺隧道開挖中得到了廣泛應用，但在實際隧道開挖過程中，由于隧道受力特性復雜，爆破效果難以控制，經(jīng)常會出現(xiàn)超欠挖等不良工況。隧道超欠挖首先會影響隧道圍巖穩(wěn)定性，欠挖部分需要進行二次爆破，這樣會對圍巖產(chǎn)生爆破震動，擴大隧道圍巖松動圈范圍，引起坍塌、失穩(wěn)等工程事故，不利于施工安全；而超挖嚴重不僅對洞室結(jié)構(gòu)穩(wěn)定形成不利影響，還容易造成隧道內(nèi)出渣時間比較長，施工人員施作支護結(jié)構(gòu)周期延長，使工程的材料成本和人員成本增加，導致工程造價的提高。

對于隧道爆破的超欠挖問題，目前已有學者從爆破理論、技術(shù)等方面提出了一系列優(yōu)化措施。國外學者在20世紀60～70年代就開始巖體爆破效果的研究，Rinehart針對應力波在一般巖體中的傳播過程和規(guī)律進行了研究[1]，認為巖體節(jié)理、裂隙對應力波傳播影響較大。張志呈等為減少超欠挖[2-4]，降低爆破對孔壁巖石的損傷，提出了光面護壁爆破的技術(shù)，并分析了不同種類的護壁形式和作用原理，通過模型試驗以及巷道爆破施工驗證了其爆破效果。楊玉銀、陳長貴等在卡魯瑪水電站尾水隧道施工中提出了“微量裝藥軟巖光面爆破技術(shù)”的概念[5]，針對極軟巖的開挖采用了雙層光面爆破的方法，取得了良好的效果。李啟月等針對Ⅳ級圍巖爆破后超挖嚴重的情況[6]，從圍巖損傷的角度進行了分析，優(yōu)化了光爆層厚度、裝藥結(jié)構(gòu)、起爆順序等爆破參數(shù)，并通過現(xiàn)場試驗驗證了優(yōu)化的可行性[7-20]。

上述研究運用不同方法有效控制了光面爆破的超欠挖問題，但并未形成完整的周邊孔爆破方案，本課題以小白巖隧道為工程背景，綜合以上研究進行一系列優(yōu)化，提出了雙層周邊孔護壁爆破技術(shù)，通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場爆破試驗驗證了該方案的有效性，為類似工程提供參考。

1 依托工程概況

小白巖隧道位于貴州省石阡至玉屏高速公路第TJ07標段(K46+250～K53+473.573)，屬于雙洞分離式隧道，隧址區(qū)地貌起伏較大，且不同程度穿越了斷層破碎帶、巖溶區(qū)等不良地質(zhì)區(qū)域。隧道左洞Ⅳ級、Ⅴ級圍巖比例為76.6%，右洞Ⅳ級、Ⅴ級圍巖比例為73.8%，其中Ⅴ級圍巖的破碎程度最為嚴重，隧道斷面積為98.65 m2，在爆破開挖施工過程中斷面輪廓超、欠挖現(xiàn)象比較嚴重，對洞室?guī)r體自身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性造成極為不利影響，而且還會帶來巨大的經(jīng)濟損失。

2 雙層周邊孔護壁爆破設計研究

本研究選取YK49+955-YK50+030標段為試驗段，該標段屬于Ⅴ級圍巖，圍巖主要為中風化炭質(zhì)頁巖及變余砂巖，薄-中厚層狀構(gòu)造，巖體極破碎，拱部及兩側(cè)壁自穩(wěn)性差，開挖時易發(fā)生滑塌。圖1為Ⅴ級圍巖中原爆破方案的炮孔布置圖，根據(jù)圖1的炮孔布置圖可知，由于隧道斷面面積較大，原爆破方案中炮孔數(shù)達222個，每循環(huán)炸藥使用量較大，爆破過程中產(chǎn)生的應力波和爆生氣體會破壞圍巖的應力平衡，從而使巖體內(nèi)部應力重分布或發(fā)生局部應力集中。當局部應力大于圍巖強度，很容易造成巖體內(nèi)部破壞，影響隧道洞室結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

圖1 上臺階光面爆破炮孔布置圖(單位：cm)Fig. 1 Layout diagram of blasting holes upper steps(unit:cm)

為了解決超欠挖問題，減小爆破振動對圍巖松動圈的影響，施工設計中設置了雙層周邊孔，在外層周邊孔保留巖體一側(cè)添加了護壁管，并且調(diào)整了周邊孔的爆破順序。研究中通過理論分析、數(shù)值模擬等方法來優(yōu)化爆破參數(shù)，并結(jié)合現(xiàn)場的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行驗證。

2.1 炮孔布置優(yōu)化

由文獻[6]可知，實際爆破開挖施工中，最外層輔助孔要先于周邊孔起爆，而且裝藥量大于周邊孔，輔助孔產(chǎn)生的應力波經(jīng)疊加反射之后使巖體的裂紋擴展并產(chǎn)生新的裂紋，因此光爆層的巖體性質(zhì)已經(jīng)發(fā)生改變。由豪柔公式可知，光爆層厚度為[6]

(1)

式中：qb為單孔裝藥量；lb為孔深；c為單位體積的炸藥消耗量，設計中只考慮單層孔作用而忽略了二圈孔的損傷影響。實際爆破中周邊孔起爆前光爆層已經(jīng)受到損傷破壞，即使周邊孔采取了不耦合裝藥超挖情況仍然難以控制，這種損傷效應在軟弱破碎圍巖中尤為嚴重。

根據(jù)以上研究，為了有效控制超挖量，減小最外層輔助孔對光爆層的損傷破壞，應適當降低外層輔助孔的裝藥量。研究中將圖1中的11#炮孔調(diào)整為與13#炮孔相同的裝藥結(jié)構(gòu)，形成了雙層周邊孔，這樣可以防止內(nèi)層周邊孔單孔裝藥量過大使裂紋貫穿光爆層，從而減小對巖壁的損傷。

2.2 裝藥結(jié)構(gòu)優(yōu)化

雙層周邊孔的裝藥結(jié)構(gòu)均為不耦合裝藥，由于裝藥量的減少，輪廓處的爆生氣體和應力波作用會顯著下降，容易造成欠挖情況出現(xiàn)，對于欠挖部分需要進行二次爆破，對圍巖的損傷更加難以控制。研究中在最外層周邊孔設置了護壁管，添加護壁之后只有少部分爆破沖擊波能夠穿透護壁管和空氣介質(zhì)的雙重阻隔，然后作用于巖壁上，大部分會在護壁管的反射作用下集中在拋擲巖體一側(cè)，在減少超挖的同時也杜絕了欠挖情況的發(fā)生。

圖2為雙層周邊孔護壁爆破示意圖，周邊孔引爆時先起爆外層周邊孔，在護壁管的作用下應力波會向臨空面一側(cè)集中傳播，并與內(nèi)層周邊孔爆破后的應力波產(chǎn)生疊加效應，從而提升爆破威力。另外，外層周邊孔起爆后爆生氣體由于護壁管的阻隔作用，在護壁管邊緣處形成了“氣楔”作用，爆生氣體在巖壁上產(chǎn)生張拉應力使圍巖產(chǎn)生裂縫，當外層周邊孔同時起爆完成后就能使裂縫貫通，形成基本的隧道輪廓線。

圖2 雙層周邊孔護壁爆破力學模型Fig. 2 Blasting mechanical model of double-layer perimeter hole and casing pipe

雙層周邊孔的裝藥結(jié)構(gòu)如圖3和圖4所示，內(nèi)外層周邊孔均為空氣間隔不耦合裝藥，而外層周邊孔則在保留圍巖的一側(cè)設置護壁管，將護壁管與藥卷綁扎在一起，并用定位卡環(huán)固定護壁的方向，最大程度地減小圍巖損傷。

圖3 外層周邊孔裝藥結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 3 Chart of charge structure of outer perimeter hole

圖4 內(nèi)層周邊孔裝藥結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 4 Chart of charge structure of inner perimeter hole

2.3 起爆順序優(yōu)化

原爆破方案中爆破施工的起爆順序為：掏槽孔→掘進孔→輔助孔→底板孔→周邊孔，每層炮孔的起爆時間間隔為100 ms。調(diào)整之后周邊孔的起爆順序細化為：外層周邊孔→內(nèi)層周邊孔，先起爆外層周邊孔，在護壁作用下使爆破沖擊波定向傳播，延隧道輪廓線使裂縫貫通，再起爆內(nèi)層周邊孔形成完整的隧道斷面，整體上具有預裂爆破的效果。為了增強應力波的疊加效應，內(nèi)外層周邊孔起爆的時間間隔縮短為50 ms，在保證爆破質(zhì)量的基礎上控制超欠挖情況的發(fā)生，圖5為雙層周邊孔的整體布置示意圖。

圖5 雙層周邊孔布置圖Fig. 5 Layout of double-layer perimeter Holes

3 數(shù)值模擬研究

3.1 護壁爆破數(shù)值模擬

護壁爆破是指為保護設計輪廓線外的巖體，爆破時在炮孔內(nèi)額外添加一層或多層具有一定強度和密度的護壁管的爆破技術(shù)。施工中在外層的周邊孔設置了單層護壁，通過巖體護壁爆破機理分析和數(shù)值模擬，開展相關(guān)研究。

如圖6所示，在拋擲巖體的一側(cè)由于沒有護壁管的保護作用，爆破沖擊波可直接作用于巖體，其作用效果相當于普通光面爆破，在保留巖體一側(cè)爆轟波需要穿透護壁和空氣的雙重阻隔，對保留巖體一側(cè)炮孔內(nèi)壁的破壞程度有所減小，因此能達到保護保留巖體的目的。

圖6 光面護壁爆破示意圖Fig. 6 Schematic diagram of casing pipe smooth blasting

為驗證護壁爆破中護壁管對巖體的保護效果，運用ANSYS/LS-DYNA數(shù)值模擬軟件建立護壁爆破模型，計算中主要采用Lagrange和ALE算法。如圖7所示，模型中炮孔孔徑40 mm、藥柱直徑32 mm，堵塞長度5 cm、藥柱長度3 cm，在保留巖體側(cè)炮孔內(nèi)添加了護壁管，光面護壁爆破的護壁方式為炮孔內(nèi)壁與護壁管耦合，護壁材料PVC管厚2 mm；為模擬巖體無限邊界，模型左右兩側(cè)和后方均設置為無反射邊界，采用藥柱中心起爆的方式。

研究中在保留巖體一側(cè)和拋擲巖體一側(cè)選取兩個質(zhì)點，測定其在爆破過程中應力變化特征，如下圖7。藥柱起爆之后，a點和b點所受壓力同時增大，爆破拋擲巖體一側(cè)壓力峰值出現(xiàn)在爆破后37.7 μs，其最大值為557.64 MPa，保留巖體一側(cè)壓力峰值出現(xiàn)在爆破后41.2 μs，其最大值為349.12 MPa(圖8)，保留巖體一側(cè)壓力降低37.39%，由于護壁管的阻隔峰值起始時間滯后3.5 μs。

圖7 質(zhì)點位置Fig. 7 Particle position

圖8 壓力時程曲線Fig. 8 Pressure time interval curve

通過模擬結(jié)果可知，護壁爆破相對于光面爆破，由于護壁管的存在，有利于降低爆炸能量對保留巖體的破壞，同時也有利于將更多能量用于破碎拋擲巖體，達到既保護保留巖體、又充分利用能量破壞拋擲巖體的目的。

3.2 雙層周邊孔間距研究

如圖9所示，取雙層周邊孔一部分作為研究對象，設環(huán)向間距為d，徑向間距為s，外層周邊孔取兩個，內(nèi)層周邊孔取一個，形成一個三角形結(jié)構(gòu)。在原設計方案中周邊孔間距為450 mm，最外層輔助孔與周邊孔的徑向間距為650 mm，研究中運用ANSYS/LS-DYNA建立有限元模型，以超欠挖量衡量環(huán)向間距d的最佳值，以三角形結(jié)構(gòu)的中心單元所受應力峰值來確定徑向間距s的最佳值，模擬爆破時先引爆外層周邊孔，再引爆內(nèi)層周邊孔，時間間隔為50 ms，通過有限元模擬為現(xiàn)場掌子面炮孔的布置提供參考依據(jù)。

圖9 雙層周邊孔位置示意圖Fig. 9 Position diagram of double-layer perimeter hole

在原設計方案中環(huán)向間距d為450 mm，研究中將d從400 mm到600 mm逐漸遞增，每次間距增大10 mm，經(jīng)過數(shù)值模擬之后超欠挖量的變化曲線如圖10所示，當環(huán)向間距d為500 mm時，超欠挖量接近于0，爆破效果達到最佳，因此現(xiàn)場雙層周邊孔的環(huán)向間距選擇500 mm。

圖10 環(huán)向間距對超欠挖影響曲線Fig. 10 Influence curve of circumferential spacing on over-under-excavation

而對于徑向間距s，原設計方案中為650 mm，研究中將s從500 mm到700 mm進行遞增，每次變化量為20 mm，如圖9中三炮孔形成的三角形結(jié)構(gòu)，取其中心單元監(jiān)測爆破過程中受到的應力峰值，比較后確定最佳徑向間距。由下圖11可知，當徑向間距為640 mm時，中心單元的應力峰值達到最大為1093 MPa，但考慮到原設計方案中徑向間距為650 mm，現(xiàn)場鉆孔時640 mm的間距難以控制，因此雙層周邊孔的徑向間距仍保持650 mm。

圖11 徑向間距對應力峰值影響曲線Fig. 11 Influence curve of radial spacing on peak stress

4 現(xiàn)場爆破效果分析

施工中在試驗段先進行兩個循環(huán)的雙層周邊孔護壁爆破開挖，然后選取隧道開挖斷面進行監(jiān)測，檢驗隧道開挖情況是否符合設計。表1為雙層周邊孔護壁爆破參數(shù)表。

表1 雙層周邊孔護壁爆破參數(shù)Table 1 Blasting parameters of double-layer perimeter holes

對于本案例中的Ⅴ級圍巖標段，選取右線YK49+980斷面與左線ZK49+980斷面進行對比，兩斷面的地質(zhì)情況基本相同，其中右線采用了雙層周邊孔+護壁的布孔形式，而左線則為原布孔方案，開挖輪廓線示意圖如圖12所示，左右線隧道斷面的設計半徑均為6.23 m，在隧道輪廓周邊布設15個測點，檢測開挖斷面的超欠挖量。

圖12 開挖輪廓監(jiān)測示意圖(單位：cm)Fig. 12 Excavation contour monitoring schematic(unit:cm)

如下兩表所示，表2為左線開挖斷面檢測結(jié)果，表3為右線的檢測結(jié)果，原設計斷面中隧道的輪廓半徑為6.23 m，而在實際的爆破開挖中，軟弱破碎圍巖均存在不同程度的超挖情況。將兩斷面的超挖量對比可知，采用雙層周邊孔爆破后超挖量明顯減小，左線隧道最大超挖為29 cm(8#)，而右線隧道最大超挖減小為17 cm(7#)，減小了41.3%，欠挖現(xiàn)象基本杜絕，而超挖狀況也得到了明顯改善，其中超挖的部位主要集中在拱頂處，因此在現(xiàn)場開挖中應注意拱頂部位的加固和支護。

表2 ZK49+980斷面檢測結(jié)果(單位：m)Table 2 ZK49+980 Section detection results(unit：m)

表3 YK49+980斷面檢測結(jié)果(單位：m)Table 3 YK49+980 Section detection results(unit：m)

現(xiàn)場試驗斷面爆破完成后，施工中最小抵抗線由60 cm增大為80 cm，炮孔數(shù)量也減少了10個。根據(jù)考慮到工程的經(jīng)濟性指標，將最外層輔助孔的裝藥結(jié)構(gòu)調(diào)整為周邊孔后，每個炮孔的炸藥使用量由1.01 kg減少為0.98 kg，整個斷面每循環(huán)進尺炸藥使用量減少了22 kg，降低了爆破施工成本。

常規(guī)光面爆破與雙層周邊眼光面爆破的爆破效果對比列于表4。

表4 爆破效果對比Table 4 Comparison of blasting effect

常規(guī)光面爆破與雙層周邊眼光面爆破耗材對比見表5。

表5 每循環(huán)耗材對比分析Table 5 Comparative analysis of consumables per cycle

由表4和表5可知，與常規(guī)光面爆破相比，采用雙層周邊孔護壁爆破后隧道每循環(huán)施工的耗材量明顯減少，整體的施工成本有所下降。最大超挖量減小了41.3%，爆破后的拋石距離較之前更為集中，有利于出渣，加快了施工進度，而且在最外層周邊眼設置了護壁，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，圍巖松動圈顯著減小，爆破后周邊圍巖的穩(wěn)定性有所提高，提升了工程的安全系數(shù)。

圖13和圖14為雙層周邊孔護壁爆破后的現(xiàn)場照片。

圖13 現(xiàn)場爆堆圖片F(xiàn)ig. 13 Field explosion pictures

圖14 隧道拱肩炮痕Fig. 14 Blast marks on tunnel arch shoulder

5 結(jié)論

(1)雙層周邊孔護壁爆破是將內(nèi)外層周邊孔都設置為不耦合裝藥，并在外層周邊孔靠近圍巖的一側(cè)添加護壁，經(jīng)模擬計算后周邊孔環(huán)向間距為500 mm，徑向間距為650 mm，周邊孔爆破時先引爆外層周邊孔再引爆內(nèi)層周邊孔，時間間隔為50 ms。

(2)經(jīng)現(xiàn)場試驗段爆破試驗后，超挖量均控制在20 cm以內(nèi)，較常規(guī)光面爆破減小40%～60%，炸藥使用量節(jié)約了21%，經(jīng)濟效益顯著，可以在類似工程中借鑒應用。