深埋引水隧洞光面爆破周邊孔裝藥結(jié)構(gòu)優(yōu)化試驗研究

趙曉明，楊玉民，蔣 楠，蔡忠偉，歐陽松

（1. 中國水利電力對外有限公司, 北京 100011；2. 中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院, 湖北 武漢 430074）

鉆爆法因其施工環(huán)境要求低、經(jīng)濟和工期穩(wěn)定而廣泛應(yīng)用于隧道工程中。然而，在實際施工過程中，設(shè)計、施工等不規(guī)范導(dǎo)致的超欠挖現(xiàn)象十分常見，由此造成的經(jīng)濟損失不容忽視；此外，爆破荷載過大造成的圍巖擾動不僅會引發(fā)圍巖裂隙擴張，長時間擾動還會對已建成的隧道結(jié)構(gòu)造成破壞。因此，在隧道爆破開挖過程中，嚴格把控隧道的爆破效果是一項關(guān)鍵性技術(shù)問題，其中周邊孔的爆破效果最重要。

周邊孔與周邊圍巖緊密相連，其荷載值直接決定隧道工程的爆破效果。迄今為止，國內(nèi)外許多學(xué)者開展了大量的針對周邊孔爆破效果評價和參數(shù)優(yōu)化研究[1-3]，取得了累累碩果。在理論和實驗方面，Ren 等[4]通過增加裝藥長度，有效地改善了北明河鐵礦的爆破效果。于世杰等[5]通過在炮孔中增加空氣間隔器，有效地降低了爆破對周邊環(huán)境的擾動。張迅[6]采用固、液、氣相結(jié)合的不耦合裝藥結(jié)構(gòu)，通過一系列爆破試驗得出了最佳的裝藥結(jié)構(gòu)，保證了圍巖的安全穩(wěn)定性。Sun 等[7]對不同裝藥結(jié)構(gòu)進行了相應(yīng)的爆破試驗，結(jié)合理論分析和量綱分析，提出了一個主頻預(yù)測公式。

隨著計算機技術(shù)水平的提高以及仿真模擬技術(shù)的普及，人們逐漸使用各類數(shù)值計算軟件直接模擬周邊孔的爆破效果[8-10]。黃志強等[11]從超欠挖的成因出發(fā)，利用ANSYS/LS-DYNA 進行建模分析，提出使用雙層周邊孔來提高經(jīng)濟效益。楊建輝等[12]建立了單孔和雙孔爆破數(shù)值模型，對比分析了不同裝藥結(jié)構(gòu)下的爆破效果。Yuan 等[13]提出合適的水壓爆破不耦合系數(shù)可以有效地改善爆破效果，并探討了不耦合系數(shù)對爆破應(yīng)力分布的影響。楊潘磊等[14]結(jié)合理論計算和數(shù)值模型計算，發(fā)現(xiàn)以40 cm 的間距進行裝藥可以顯著提升爆破效果。在以往的研究中，大多數(shù)學(xué)者主要著力于調(diào)整不耦合系數(shù)和炮孔間距，然而，在實際工程現(xiàn)場中，炸藥往往是規(guī)范化生產(chǎn)的，其尺寸難以更改，而改變炮孔間距往往會對單次爆破總裝藥量產(chǎn)生影響，不利于工程的經(jīng)濟把控，因此，在不影響總用藥量的情況下，研究周邊孔藥卷間距對爆破效果的影響是很有必要的。

本研究依托于秘魯圣加旺Ⅲ水電站引水系統(tǒng)工程，首先介紹該工程的爆破施工方案并評價其爆破效果，然后運用ANSYS/LS-DYNA 建立不同裝藥結(jié)構(gòu)下的周邊孔模型，通過分析，選擇最優(yōu)的周邊孔裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計方案開展爆破試驗，以期提高該工程的爆破效果。

1 深埋引水隧道工程

1.1 工程概況

深埋引水隧道工程位于圣加旺河床部位的尾水區(qū)，屬于高山峽谷地貌。區(qū)內(nèi)沖溝發(fā)育，多為“V”字形谷，如圖1 所示，山脊總體走向為305°～325°，地形完整性較差。區(qū)內(nèi)山頂高程1 700～3 000 m，最高高程3 075 m，位于Cerro Jachuy Pacobamba 山脊，最低高程748 m，位于尾水區(qū)San Gabán 河床部位。圣加旺河兩側(cè)支溝多以大角度與其交匯，支溝常年有水，水流急速。工程區(qū)主要分布板巖、片巖、花崗閃長巖3 類巖體，為弱-微透水巖體，本研究的試驗場地圍巖主要為絹云母板巖。工程區(qū)板巖類巖石主要由深灰色石英板巖、石英絹云母板巖和絹云母板巖組成，巖石為變余粉砂，鱗片狀結(jié)構(gòu)，板狀構(gòu)造。石英板巖、石英絹云母板巖及絹云母板巖主要由石英、絹云母、泥質(zhì)等礦物組成，含有少量的綠泥石和金屬礦物，其中：石英的含量為16%～57%，絹云母的含量為40%～72%，泥質(zhì)的含量為10%。Ⅳ類和Ⅴ類圍巖主要位于隧洞的進、出口部位，約占整個洞段15%。

圖1 工程概況Fig. 1 Project overview

該引水隧道全長14.663 km，屬于長隧道，主要采用光面爆破開挖方式。根據(jù)以往的工程經(jīng)驗，長隧道的光面爆破效果非常重要，無論是超挖還是欠挖，不僅會大幅延長項目工期，還會帶來巨大的經(jīng)濟損失。因此，本研究基于秘魯圣加旺Ⅲ水電站引水系統(tǒng)工程現(xiàn)有的爆破技術(shù)方案，通過改變周邊孔的裝藥結(jié)構(gòu)來優(yōu)化爆破效果，為工程現(xiàn)場的爆破設(shè)計方案提供指導(dǎo)。

1.2 爆破設(shè)計方案及效果評價

引水隧道采用鉆爆法與TBM（tunnel boring machine）掘進法相結(jié)合的方式開挖，其中鉆爆法的距離為5.2 km，分為進水口、支洞上游、支洞下游3 個工作面施工。隧洞斷面為馬蹄形，采用全斷面開挖方式，通過二臂鉆進行鉆孔，孔徑45 mm，選用乳化炸藥、非電毫秒雷管微差爆破，周邊進行光面爆破。隧道凈斷面尺寸為5.7 m×5.7 m（寬×高），開挖尺寸為8.1 m×7.9 m（寬×高）。隧道斷面炮孔布局見圖1，其中：掏槽眼的炮孔深度為3.2 m，輔助眼和周邊眼的炮孔深度均為3.0 m，周邊孔采用不耦合不連續(xù)裝藥，藥卷間距L為200 mm，掏槽眼、輔助眼、周邊眼、底眼的單眼裝藥量分別為1.23、1.58、2.02、2.82 kg，爆破參數(shù)見表1。

表1 爆破參數(shù)Table 1 Blasting parameters

基于爆破設(shè)計方案，開展現(xiàn)場爆破試驗，爆破效果如圖2 所示。從圖2 可以看出，采用該方案時，爆破效果不佳，存在明顯的超挖現(xiàn)象，最大超挖深度達到43 cm，由此將導(dǎo)致原定施工工期延長，經(jīng)濟損失嚴重。隧道工程的超挖和欠挖現(xiàn)象均與周邊孔的布孔參數(shù)密切相關(guān)，其中藥卷間距L的影響尤為直接。盡管試驗手段最直接有效，但是其經(jīng)濟成本很高，并且受周邊環(huán)境的影響很大，因此本研究將通過有限元軟件對不同裝藥結(jié)構(gòu)下的周邊孔爆破效果進行數(shù)值模擬分析，以期找到最優(yōu)的周邊孔裝藥結(jié)構(gòu)方案，從而提高施工的經(jīng)濟效益。

圖2 爆破效果Fig. 2 Blasting effect drawing

2 不同周邊孔裝藥結(jié)構(gòu)下的圍巖損傷數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值計算方法

利用ANSYS/LS-DYNA 有限元軟件對不同裝藥結(jié)構(gòu)下的周邊孔爆破效果進行模擬，周邊孔采用不耦合不連續(xù)裝藥形式，以空氣作為間隔介質(zhì)，并設(shè)置流固耦合算法。在ANSYS/LS-DYNA 中，由于空氣材料偏軟，因此當(dāng)爆破產(chǎn)生的巨大沖擊力直接作用于空氣時，會導(dǎo)致網(wǎng)格變形，進而使計算失敗。針對炸藥、炮泥、空氣3 種材料，采用任意拉格朗日-歐拉（arbitrary Lagrangian-Eulerian，ALE）算法進行模擬。ALE 算法具有自動重新劃分網(wǎng)格的功能，可以有效地避免網(wǎng)格變形過大帶來的計算錯誤，特別適合分析流固耦合動力問題。

2.2 數(shù)值模型

考慮到實際爆破過程中巖體的破壞是其兩側(cè)周邊孔共同作用的結(jié)果，為此數(shù)值模型采用雙孔模型，用以分析不同L下圍巖的破壞情況，模型尺寸為2 m×3 m×4 m。炮孔直徑為45 mm，炮孔長度為3 m，藥卷直徑為26 mm，藥卷長度為300 mm，L設(shè)置為150、200、250、300、350、400、450 mm。除模型的掌子面和光爆層面采用自由邊界外，其余均采用無反射邊界條件。網(wǎng)格均采用sweep 網(wǎng)格進行劃分，模型見圖3。

圖3 數(shù)值模型Fig. 3 Numerical model

2.3 材料參數(shù)設(shè)置

2.3.1 巖 石

在LS-DYNA 中，通常使用*MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CONCRET（JHC）模型模擬爆炸作用下巖石的損傷。JHC 模型可以模擬高應(yīng)變率和高沖擊力下的混凝土和巖體，其累積損傷函數(shù)是基于塑性體積應(yīng)變、等效塑性應(yīng)變和應(yīng)力提出的。相關(guān)參數(shù)見表2，其中： ρ為密度，G為剪切模量，T為最大拉伸靜水壓力，pc為破碎壓力，pl為鎖定壓力， μl為鎖定體積應(yīng)變， μc為破碎體積應(yīng)變，fc為準靜態(tài)單軸抗壓強度，A為標準化內(nèi)聚強度，B為標準化硬化系數(shù)，C為應(yīng)變率系數(shù)，N為壓力硬化指數(shù)，Smax為標準化最大強度，D1、D2為損傷系數(shù)，Efmin為斷裂前的塑性應(yīng)變，K1、K2、K3為壓力系數(shù)。

表2 巖石材料參數(shù)Table 2 Parameters of rock

2.3.2 空 氣

空氣采用關(guān)鍵字*MAT_NULL 定義，狀態(tài)方程采用*EOS_LINEAR_POLYNOMIAL，表達式為

式中：p為壓力，μ為比體積，C0～C6為多項式方程參數(shù)，e0為單位體積內(nèi)能，具體取值見表3。

表3 空氣材料參數(shù)Table 3 Parameters of air

2.3.3 炮 泥

炮泥采用關(guān)鍵字*MAT_PLASTIC_KINEMATIC 進行模擬，相關(guān)材料參數(shù)見表4，其中E為彈性模量， ν為泊松比。

表4 炮泥的主要參數(shù)Table 4 Main parameters of blasting mud

2.3.4 炸 藥

表5 炸藥材料參數(shù)Table 5 Parameters of explosive

3 雙孔模型計算結(jié)果分析

3.1 圍巖損傷判別標準

DL/T5389—2007《水工建筑物巖石基礎(chǔ)開挖工程施工技術(shù)規(guī)范》[15]明確給出了圍巖損傷標準，即通過聲波降低率η判定巖石的損傷程度

式中：CP1為爆前波速，CP2為爆后波速。當(dāng)η<10%時，爆破荷載對圍巖幾乎沒有影響；10%≤η≤15%時，爆破荷載對圍巖有一定影響；η>15%時，爆破荷載對圍巖的影響很大。

根據(jù)彈性波理論，假定圍巖的密度和泊松比始終保持不變，則圍巖的損傷程度D與聲波降低率存在如下關(guān)系

當(dāng)η≥10%時，爆破荷載對圍巖便有了不可忽略的影響，因此擬定10%作為圍巖損傷的臨界閾值。將η=10%代入式(4)，可以得到對應(yīng)的損傷度D為0.19，即當(dāng)D≥0.19 時，判定圍巖受到損傷。

3.2 圍巖損傷過程分析

以原設(shè)計方案（L=200 mm）的周邊孔模型作為實例，研究雙孔間圍巖在截面A 和截面B（見圖4）上的損傷過程。模型在截面B 上的損傷過程如圖5 所示。t=0.18 ms 時，第1 卷藥卷完成起爆，緊靠藥卷的圍巖迅速達到破壞條件；t=0.30 ms時，雙孔間圍巖首次達到損傷條件；隨著時間的推移，損傷圍巖范圍不斷擴大，直到t=3.60 ms，圍巖損傷范圍基本穩(wěn)定。

圖4 圍巖截面示意圖Fig. 4 Schematic of surrounding rock section

圖5 截面B 上的圍巖損傷云圖Fig. 5 Damage nephogram of rock on section B

為了更加直觀地顯示達到損傷條件的圍巖范圍，通過調(diào)整損傷度區(qū)間使D≥0.19 的區(qū)域以一種顏色表示，如圖6 所示。當(dāng)L=200 mm 時，雙孔間圍巖均達到破壞條件，其中，自由邊界一側(cè)圍巖的損傷范圍最大達到45 cm，無反射邊界一側(cè)圍巖的損傷范圍最大達到41 cm，與現(xiàn)場超挖范圍基本一致，不僅說明利用ANSYS/LS-DYNA 模擬圍巖損傷特征具有較強的合理性，也說明邊界條件對圍巖損傷范圍的影響不大。

圖6 30.00 ms 時截面B 上的圍巖損傷范圍Fig. 6 Damage range of rock on section B at 30.00 ms

截面A 上的圍巖損傷過程如圖7 所示。對同一炮孔內(nèi)的不同藥卷設(shè)置不同的起爆時間，時間間隔t為

圖7 截面A 上的圍巖損傷云圖Fig. 7 Damage nephogram of rock on section A

式中：l為藥卷長度，v1、v2分別為炸藥爆轟速度和導(dǎo)爆索速度。通過式(5)計算得到該裝藥結(jié)構(gòu)下不同藥卷之間的起爆時間間隔為0.09 ms。由圖7 可知，炮孔中的5 個藥卷在t=0.54 ms 時完全起爆，t=3.60 ms 時爆破基本穩(wěn)定。最終的爆破效果如圖8 所示。從圖8 可以看出，雙孔間的圍巖均達到損傷條件，但是爆破進尺顯然無法滿足要求。

圖8 30.00 ms 時截面A 上的圍巖損傷范圍Fig. 8 Damage range of rock on section A at 30.00 ms

4 不同裝藥結(jié)構(gòu)下周邊孔爆破效果

4.1 軸向雙孔間圍巖損傷特征分析

孔間圍巖損傷特征是評價周邊孔爆破效果的重要指標之一。選取圖9 所示的截面C 作為研究對象，分析軸向雙孔間圍巖的損傷特征，結(jié)果如圖10 所示。

圖9 圍巖截面示意圖Fig. 9 Schematic of surrounding rock section

由圖10 可知：當(dāng)L處于150～250 mm 之間時，孔間圍巖之間的損傷度D均達到0.19 以上，完全破壞，且平均損傷度較大；當(dāng)L=300 mm 以及L=350 mm 時，小部分孔間圍巖出現(xiàn)D<0.19 的藍色區(qū)域，藍色區(qū)域在x軸上的長度最長達到13 cm，y軸上的長度最長達到7 cm；當(dāng)L=400 mm 時，炮孔間的藍色區(qū)域逐漸增多，在y軸上的長度明顯增大，達到15 cm，在x軸上的長度依然維持在13 cm左右；當(dāng)L=450 mm 時，炮孔間的藍色區(qū)域在y軸上的長度明顯增大，最長達到28 cm，在x軸上的長度最長達到15 cm 左右，變化不大。

圖10 截面C 上的圍巖損傷對比Fig. 10 Comparison of surrounding rock damage on section C

對比以上數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)L=250 mm 時，藥卷之間的圍巖達到完全破壞條件，但是隨著L的增大，空氣之間的圍巖逐漸出現(xiàn)不能達到破壞條件的區(qū)域，且該區(qū)域在x軸上的長度隨著L的增大而增長放緩，在y軸上的長度則增長得較迅速。

4.2 徑向雙孔間圍巖損傷特征分析

在保證不產(chǎn)生欠挖的條件下，超挖范圍的大小是評價圍巖損傷情況的重要指標之一。取不同L下的周邊孔數(shù)值模型作為研究對象，通過分析模型截面D 和截面E（見圖9）的圍巖損傷情況，多角度分析周邊孔的爆破效果，結(jié)果如圖11 和圖12 所示。

圖11 截面D 上的圍巖損傷對比Fig. 11 Comparison of surrounding rock damage on section D

圖12 截面E 上的圍巖損傷對比Fig. 12 Comparison of surrounding rock damage on section E

由圖11 可知：當(dāng)L<300 mm 時，藥卷與空氣周邊圍巖的損傷范圍基本保持一致；當(dāng)L>300 mm 時，藥卷周邊圍巖的損傷范圍略大于空氣周邊圍巖，自由邊界一側(cè)圍巖的損傷范圍略大于無反射邊界一側(cè)圍巖。此外，當(dāng)L=150 mm 及L=200 mm 時，超挖范圍最大達到40 cm；而當(dāng)L>300 mm 時，超挖范圍明顯減弱，最大距離出現(xiàn)在炮孔中藥卷周邊圍巖，為25 cm，最小距離出現(xiàn)在炮孔中空氣周邊圍巖，為18 cm。

由圖12 可知，當(dāng)L取150 和200 mm 時，圍巖徹底破壞，紅色區(qū)域在z軸上的范圍也較大，其中最大距離主要出現(xiàn)在孔底，達到75 cm，最小達到25 cm。當(dāng)L在250～350 mm 區(qū)間時，紅色區(qū)域在z軸上的距離進一步縮小，且在孔底表現(xiàn)明顯，最大距離僅為55 cm；此外，紅色區(qū)域內(nèi)部開始出現(xiàn)破壞不徹底的藍色區(qū)域，盡管這些藍色區(qū)域不能被很好地破碎，但是仍然能夠脫離周邊圍巖掉落下來，不產(chǎn)生欠挖現(xiàn)象。當(dāng)L取400 和450 mm 時，紅色區(qū)域內(nèi)部的藍色區(qū)域進一步擴大，且部分與周邊圍巖相連，說明該藥卷間距下的周邊孔爆破效果不佳，產(chǎn)生了欠挖現(xiàn)象。

根據(jù)《水工建筑物地下開挖工程施工規(guī)范》[16]，地下工程的施工原則為“在保證不產(chǎn)生欠挖的情況下盡量減少超挖”。經(jīng)過數(shù)值模擬分析：當(dāng)L設(shè)置為400、450 mm 時，光面爆破開挖明顯產(chǎn)生了欠挖現(xiàn)象；當(dāng)L設(shè)置為150、200 mm 時，盡管圍巖破壞徹底，但是爆破進尺明顯不滿足要求，且超挖范圍最大達到40 cm；當(dāng)L設(shè)置為250、300、350 mm 時，盡管出現(xiàn)可脫離圍巖的巖塊，但并不產(chǎn)生欠挖現(xiàn)象，而從爆破進尺上考慮，顯然350 mm 藥卷間距的周邊孔模型更符合要求。經(jīng)過綜合分析，擬定L為350 mm 的周邊孔裝藥結(jié)構(gòu)為最佳方案。

5 光面爆破周邊孔裝藥結(jié)構(gòu)優(yōu)化對比試驗

基于數(shù)值分析結(jié)果，采用優(yōu)化后的周邊孔裝藥結(jié)構(gòu)進行爆破試驗。為減少周邊環(huán)境對結(jié)果的影響，優(yōu)化后的爆破試驗選擇與原試驗同類型、同分級的圍巖，除了周邊孔藥卷間距外，其余炮孔參數(shù)均保持不變，采用優(yōu)化后爆破設(shè)計方案得到的現(xiàn)場爆破效果如圖13 所示。可以看出，優(yōu)化后的爆破效果明顯更好，超挖范圍由43 cm 下降至30 cm 左右，說明采用350 mm 的周邊孔藥卷間距進行爆破施工可以有效地降低超挖距離，且不產(chǎn)生欠挖現(xiàn)象，從而提高經(jīng)濟效益。

圖13 優(yōu)化后的爆破效果Fig. 13 Effect drawing of optimized blasting

6 結(jié) 論

以秘魯圣加旺Ⅲ水電站引水系統(tǒng)工程為背景，通過數(shù)值模擬手段對現(xiàn)場爆破設(shè)計方案進行優(yōu)化，得到如下主要結(jié)論。

(1) 藥卷間距是影響周邊孔爆破效果的重要參數(shù)。基于本工程背景，當(dāng)周邊孔藥卷間距小于350 mm時，爆破不會出現(xiàn)欠挖現(xiàn)象，且超挖范圍隨著藥卷間距的增大而減小，當(dāng)藥卷間距大于400 mm 時，爆破效果開始出現(xiàn)欠挖現(xiàn)象，且隨著藥卷間距的增大，欠挖范圍增大。

(2) 周邊孔的最佳藥卷間距為350 mm，采用優(yōu)化后的爆破設(shè)計方案進行爆破試驗，得到的超挖范圍明顯減小，最大超挖距離由40 cm 降至30 cm。