高啟棟， 盧文波， 冷振東， 楊招偉， 嚴(yán) 鵬， 陳 明

(1. 武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072；2.武漢大學(xué) 水工巖石力學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072)

在隧洞的鉆爆開挖過程中，爆破作業(yè)與支護(hù)的施工往往是交替進(jìn)行的，爆破完成后，應(yīng)及時(shí)地完成支護(hù)作業(yè)，以保證圍巖的穩(wěn)定，爆破振動(dòng)會(huì)不可避免地對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全造成影響，如何降低爆破振動(dòng)對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的危害，是施工過程中需要考慮的一個(gè)重要問題。隧洞的鉆爆施工，多采用延長(zhǎng)(柱狀)藥包，而引爆雷管的位置決定著延長(zhǎng)藥包爆轟波以及爆炸應(yīng)力波的傳播方向，會(huì)引起爆破振動(dòng)場(chǎng)分布的不同。Trivio等[1]在對(duì)工程實(shí)測(cè)資料進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，位于柱狀藥包爆轟波傳播方向上的測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到的振動(dòng)幅值高于傳播反方向上的測(cè)點(diǎn)，可見起爆點(diǎn)位置對(duì)爆破振動(dòng)確實(shí)有一定影響。但這方面的問題并未引起足夠的重視，能否從適當(dāng)選取起爆點(diǎn)位置的角度來減輕爆破振動(dòng)對(duì)隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)所造成的危害值得展開深入研究。

國(guó)內(nèi)外可以見到不少針對(duì)起爆位置這一問題的研究，Onederra等[2]采用HSBM(Hybrid Stress Blasting Model)方法的數(shù)值模擬結(jié)果表明，對(duì)于孔底起爆的情況，被破碎介質(zhì)在孔口的損傷區(qū)范圍要大于孔底的損傷；郭濤等[3]研究了起爆位置對(duì)水下沖擊波的影響，并對(duì)水下深孔爆破起爆位置的選擇提出了建議；龔敏等[4]在對(duì)條形藥包的全息動(dòng)光彈試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，藥柱一端起爆時(shí)的應(yīng)力場(chǎng)分布極不均勻，呈現(xiàn)出起爆端附近區(qū)域?yàn)榈蛻?yīng)力區(qū)，另一端為高應(yīng)力區(qū)的現(xiàn)象；楊澤進(jìn)等[5-6]從理論上分析了條形藥包爆轟方向?qū)ΡZ產(chǎn)物質(zhì)量與能量分配的影響，并采用導(dǎo)爆索試驗(yàn)對(duì)理論結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證；張光雄等[7-10]采用數(shù)值模擬的方法對(duì)起爆點(diǎn)在不同位置或具有不同起爆點(diǎn)數(shù)目的爆炸應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行過研究，結(jié)果表明起爆點(diǎn)的位置或數(shù)目對(duì)應(yīng)力場(chǎng)的分布有很大的影響；相對(duì)而言，研究較多的還是起爆點(diǎn)位置對(duì)巖體破碎效果的影響，如劉殿書等[11-13]的研究。

在隧洞開挖過程中，出于對(duì)掏槽效果的考慮，多采取反向起爆，忽視了起爆點(diǎn)位置對(duì)掏槽孔所誘發(fā)支護(hù)結(jié)構(gòu)爆破振動(dòng)的影響。掏槽孔的掏槽效果固然重要，但防止支護(hù)結(jié)構(gòu)免受爆破振動(dòng)的危害、確保圍巖的穩(wěn)定也極為關(guān)鍵，單方面地依據(jù)掏槽效果來選擇起爆位置存在缺陷，理應(yīng)綜合考慮掏槽效果與振動(dòng)控制兩方面的因素。此次研究即以隧洞的鉆爆開挖與支護(hù)為工程背景，采用三維動(dòng)力有限元(ANSYS/LS-DYNA)模擬的方法，綜合比較分析了不同起爆位置下掏槽孔的掏槽效果與支護(hù)結(jié)構(gòu)的爆破振動(dòng)響應(yīng)，對(duì)掏槽孔起爆位置的優(yōu)選進(jìn)行了探討，研究成果對(duì)實(shí)際工程施工具有重要的參考價(jià)值。

1 起爆位置的影響作用機(jī)制

對(duì)于延長(zhǎng)藥包，歸因于其幾何上的特性，起爆點(diǎn)的位置決定著炸藥起爆后爆轟波的傳播方向，也決定著爆炸應(yīng)力波的傳播方向。工程中炸藥的爆轟波速度一般在2 500～7 000 m/s，而爆炸應(yīng)力波在固體介質(zhì)中的傳播速度約為3 000～5 000 m/s，二者處于同一數(shù)量級(jí)。因此，延長(zhǎng)藥包起爆后，先在起爆點(diǎn)激發(fā)出一向外擴(kuò)散的波源，擴(kuò)散速度為介質(zhì)中應(yīng)力波的傳播波速，而爆轟波將按爆轟速度沿著藥包傳播，逐次激發(fā)出一系列向外擴(kuò)散的波源，經(jīng)疊加所形成的應(yīng)力波就會(huì)以錐面的形式向藥包另一端傳播。由于后爆的炸藥產(chǎn)生的沖擊波會(huì)加強(qiáng)已經(jīng)形成的應(yīng)力場(chǎng)，沿著爆轟波傳播方向有較強(qiáng)的應(yīng)力疊加現(xiàn)象，所以在藥包非起爆端會(huì)形成爆炸的高能區(qū)和高應(yīng)力區(qū)，如龔敏等的研究。圖1即以掏槽孔爆破的單自由面條件為例，給出了不同起爆位置下爆炸應(yīng)力波的傳播示意圖。其中，正向起爆、反向起爆及中點(diǎn)起爆的起爆點(diǎn)(即引爆雷管)分別位于孔底、孔口及藥包中點(diǎn)。

(a) 反向起爆

(b) 正向起爆

(c) 中點(diǎn)起爆

從掏槽的效果來看：與正向起爆相比，反向起爆需更長(zhǎng)的時(shí)間形成反射拉應(yīng)力波使堵塞物沖出，從而增加了爆轟產(chǎn)物的準(zhǔn)靜壓作用時(shí)間，同時(shí)孔口附近疊加形成的高壓應(yīng)力波經(jīng)自由面反射后的高拉應(yīng)力波有助于孔口巖體的破碎，因此反向起爆更利于掏槽孔實(shí)現(xiàn)對(duì)巖體的破碎與拋擲；而正向起爆會(huì)在孔底附近形成高能區(qū)和高應(yīng)力區(qū)，雖有助于加強(qiáng)孔底巖體的破碎，卻不利于掏槽孔完成對(duì)巖體的拋擲，不能為后續(xù)的崩落孔創(chuàng)造充分的自由邊界；中點(diǎn)起爆的掏槽效果介于正、反向起爆之間。

從爆破振動(dòng)場(chǎng)的分布來看：反向起爆時(shí)，爆轟波從孔底開始沿著炮孔向孔口傳播，將在孔口附近形成高能區(qū)和高應(yīng)力區(qū)，從而使孔口一側(cè)巖體的振動(dòng)被加強(qiáng)，引起爆破振動(dòng)場(chǎng)分布的不均；正向起爆時(shí)，爆轟波從孔口開始沿著炮孔向孔底傳播，將在孔底附近形成高能區(qū)和高應(yīng)力區(qū)，從而使孔底一側(cè)巖體的振動(dòng)被加強(qiáng)；中點(diǎn)起爆時(shí)，爆轟波從藥包中點(diǎn)開始同時(shí)向孔口、孔底兩側(cè)傳播，在孔口與孔底均形成一定的高能區(qū)和高應(yīng)力區(qū)，一定程度上也加強(qiáng)了孔口與孔底巖體的振動(dòng)，其爆破振動(dòng)場(chǎng)的分布應(yīng)相對(duì)均勻。

綜上所述，炸藥一次爆炸所釋放的能量是一定的，但起爆點(diǎn)的位置決定著爆轟波以及爆炸應(yīng)力波的傳播方向，從而引起掏槽效果和爆破振動(dòng)場(chǎng)分布的不同，其本質(zhì)應(yīng)歸因于延長(zhǎng)藥包的幾何特性與炸藥爆轟速度的有限性兩個(gè)方面。

2 隧洞掏槽爆破的數(shù)值模擬

對(duì)于掏槽孔的爆破，因其只有掌子面一個(gè)自由面，最小抵抗線方向與炮孔軸向一致，爆炸應(yīng)力波會(huì)優(yōu)先沿炮孔軸向發(fā)展[14]，而引爆雷管的位置主要影響爆轟波沿炮孔軸向的傳播，所以，相對(duì)于崩落孔與周邊孔(其最小抵抗線方向多垂直于炮孔)，起爆點(diǎn)的位置對(duì)掏槽孔的破碎效果影響更大；此外，由于掏槽爆破的夾制作用大，會(huì)引起較強(qiáng)的爆破振動(dòng)[15-17]，大量的監(jiān)測(cè)資料也表明由掏槽孔所誘發(fā)的爆破振動(dòng)水平一般要高于崩落孔及周邊孔[18]，故而，此次研究主要針對(duì)掏槽孔起爆位置的選取，對(duì)于崩落孔及周邊孔的爆破未作討論。

2.1 爆破開挖參數(shù)

選取某水電站擴(kuò)機(jī)工程的一條地質(zhì)勘探洞(見圖2)的相關(guān)爆破開挖參數(shù)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，并采用其中的一組掏槽爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行了校驗(yàn)。圖3為由該探洞概化出的鉆爆開挖與支護(hù)的模型，依此建模計(jì)算，比較了反向起爆、正向起爆及中點(diǎn)起爆(引爆雷管分別位于孔底、孔口及藥包中點(diǎn))3種不同起爆位置下掏槽孔的掏槽效果和支護(hù)結(jié)構(gòu)的爆破振動(dòng)響應(yīng)。其中，隧洞的支護(hù)結(jié)構(gòu)為噴射混凝土，表1列出了不同齡期噴射混凝土的材料參數(shù)[19]，數(shù)值計(jì)算的觀測(cè)點(diǎn)選在了隧洞拱頂距掌子面不同距離處。掏槽方式為直孔掏槽，圖4為掏槽孔的平面布置圖，表2為相應(yīng)的鉆孔裝藥參數(shù)。

圖2 某水電站擴(kuò)機(jī)工程的地質(zhì)探洞

圖3 隧洞鉆爆開挖、支護(hù)及數(shù)值測(cè)點(diǎn)布置示意圖

Fig.3 Schematic diagram of the drill-blast excavation and support of tunnel and the arrangement of numerical observation points

表1 噴射混凝土材料參數(shù)

圖4 掏槽孔平面布置圖

鉆孔參數(shù)裝藥參數(shù)孔徑/mm孔深/cm孔距/cm孔數(shù)/個(gè)藥卷直徑/mm裝藥長(zhǎng)度/cm堵塞長(zhǎng)度/cm423501243227080

2.2 模型與計(jì)算方法

根據(jù)2.1節(jié)的爆破開挖參數(shù)，采用動(dòng)力有限元軟件(ANSYS/LS-DYNA)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，模型邊界至洞壁的距離取約2倍的洞高或洞寬，模型尺寸為40 m×9 m×11 m(長(zhǎng)×寬×高)，單元212 624個(gè)，節(jié)點(diǎn)223 556個(gè)。由于炮孔直徑相對(duì)模型尺寸較小，網(wǎng)格的劃分從炮孔至模型邊界采用從小到大漸變的方式，其中炮孔附近單元最小尺寸為0.003 m，模型邊界單元最大尺寸為1.0 m。巖體采用8節(jié)點(diǎn)SOLID164單元模擬，薄層支護(hù)結(jié)構(gòu)采用4節(jié)點(diǎn)SHELL163單元模擬。為減小邊界反射波的影響，除掌子面與洞壁自由面外，其余邊界均施加無反射邊界，有限元計(jì)算模型如圖5所示。

采用LS-DYNA軟件材料庫(kù)中自帶的材料模型*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN來模擬炸藥的動(dòng)力沖擊作用，利用JWL狀態(tài)方程來描述炸藥爆轟過程中壓力與體積的關(guān)系，表達(dá)式為

(1)

式中:P為由JWL狀態(tài)方程確定的壓力;V為相對(duì)體積;e0為初始比內(nèi)能;A，B，R1，R2和ω均為描述JWL方

圖5 有限元計(jì)算模型

程的獨(dú)立常數(shù)，可參考文獻(xiàn)[20]的取值，炸藥的相關(guān)參數(shù)如表3所示。

由于裝藥不耦合，采用*MAT_NULL材料模型來模擬空氣，同時(shí)利用多元線性方程來描述空氣的壓力變化過程，即

P=C0+C1μ+C2μ2+C3μ3+(C4+C5μ+C6μ2)e

(2)

式中:C0=C1=C2=C3=C6=0;C4=C5=0.4;μ=ρ/ρ0，ρ0和ρ分別為初始與當(dāng)前的空氣密度。

表3 炸藥相關(guān)參數(shù)

為記錄爆破過程中掏槽孔附近巖體的損傷，本次計(jì)算采用了在經(jīng)典的TCK模型基礎(chǔ)上改進(jìn)的自定義拉-壓損傷模型來反映巖體的損傷效應(yīng)，模型的詳細(xì)建立過程和驗(yàn)證見文獻(xiàn)[21]。模型中描述拉伸損傷和壓縮損傷的表達(dá)式分別為

(3)

(4)

計(jì)算中采用的拉-壓損傷模型可由LS-DYNA的自定義接口導(dǎo)入，巖體的物理參數(shù)及損傷模型的相關(guān)參數(shù)如表4所示。

薄層支護(hù)結(jié)構(gòu)也采用由自定義接口導(dǎo)入的拉-壓損傷本構(gòu)來模擬，相關(guān)參數(shù)結(jié)合表1和表4進(jìn)行選取。

表4 巖體物理參數(shù)

2.3 巖體臨界破碎損傷閾值

因此該研究將根據(jù)巖體的損傷分布情況來分析巖體的破碎效果(即掏槽效果)，故需先確定與巖體破碎相應(yīng)的損傷系數(shù)D的臨界值，即臨界破碎損傷閾值[22]。損傷系數(shù)D是表征巖體性質(zhì)劣化程度的一個(gè)指標(biāo)，其表現(xiàn)形式為巖體彈性模量的降低，通常認(rèn)為損傷系數(shù)和彈性模量的關(guān)系為

E=E0(1-D)

(5)

式中:E為爆后巖體的彈性模量;E0為爆前完整巖體的彈性模量。

根據(jù)彈性波理論，可以推導(dǎo)出巖體彈性模量和聲波速度之間的關(guān)系

(6)

式中:ρ為巖體密度;μ為泊松比。假定爆前爆后巖體的密度和泊松比近似相等，進(jìn)一步可以得到

D=1-(v/v0)2=1-(1-η)2

(7)

式中:v0和v分別為爆前、爆后巖體的聲波速度[23];η為爆后巖體聲波速度降低率。

由以上分析可知，只要明確巖體在裂而未碎(即臨界破碎)狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的聲波速度降低率η，即可由式(7)得到巖體臨界破碎損傷閾值。夏祥等[24]、Jern[25]和Gorbunov[26]通過聲波試驗(yàn)所確定的巖體臨界破碎損傷閾值分別為0.78,0.72,0.78～0.91。此外，劉亮等基于白鶴灘水電工程項(xiàng)目中所實(shí)施的聲波測(cè)試，以及搜集國(guó)內(nèi)外相關(guān)項(xiàng)目的聲波測(cè)試數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)分析了巖體臨界破碎狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的損傷變量，將閾值確定在0.75～0.85。結(jié)合本次計(jì)算的巖體參數(shù)，暫取臨界破碎損傷閾值[D]為0.8。

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 模型校驗(yàn)

工程中廣泛采用薩道夫斯基公式來反映爆破振動(dòng)的衰減規(guī)律，如式(8)

(8)

式中:PPV為質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度，cm/s；K,α為衰減參數(shù)；Q為最大單響藥量，kg；R為爆心距，m。其中，衰減參數(shù)K,α通常由實(shí)測(cè)的爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)經(jīng)線性擬合得到。

由于計(jì)算的數(shù)值模型取自某水電站擴(kuò)機(jī)工程的一條地質(zhì)探洞的開挖，在采取數(shù)值手段開展研究之前，先利用該探洞在開挖過程中的一組掏槽爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行了校驗(yàn)。以隧洞底板巖體的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)峰值振動(dòng)速度(Peak Particle Velocity,PPV)為例，利用線性回歸擬合，可分別得到探洞中實(shí)測(cè)與數(shù)值模型計(jì)算所得的掏槽孔爆破振動(dòng)衰減規(guī)律，如圖6所示。

(a) 實(shí)測(cè)爆破振動(dòng)衰減規(guī)律

(b) 數(shù)值計(jì)算爆破振動(dòng)衰減規(guī)律

Fig.6 Attenuation law of blasting vibration from measured and numerical data

由圖6可知，探洞中實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合的爆破振動(dòng)衰減規(guī)律與數(shù)值計(jì)算擬合所得的衰減規(guī)律基本吻合，考慮到數(shù)值模擬的是理想化的連續(xù)均質(zhì)巖體，衰減參數(shù)K,α微小的差別應(yīng)不影響模型對(duì)掏槽孔爆破振動(dòng)規(guī)律的探究。

3.2 掏槽效果

考慮到爆破過程中的累積損傷效應(yīng)(即上一進(jìn)尺的爆破會(huì)對(duì)當(dāng)前進(jìn)尺待開挖的巖體造成初始損傷)，此次研究采用了LS-DYNA的重啟動(dòng)技術(shù)記錄了隧洞掘進(jìn)過程中巖體的累積損傷。

圖7分別為不同起爆位置下未考慮累積損傷與考慮累積損傷兩種情況下巖體的損傷分布云圖，其中云圖的左邊界為掌子面，圖8根據(jù)2.3節(jié)所確定的臨界破碎損傷閾值[D]繪制了掏槽孔周圍巖體的破碎輪廓。

由圖7、圖8可以看出，對(duì)于未考慮累積損傷的情況，反向起爆的損傷偏向于孔口分布，正向起爆的損傷偏向于孔底分布，中點(diǎn)起爆的損傷在孔口、孔底均有一定加強(qiáng)，分布相對(duì)均勻；反向起爆與正向起爆的最大損傷半徑差別不大，中點(diǎn)起爆的最大損傷半徑略小于另外兩者；正向起爆在孔底損傷深度最大，中點(diǎn)起爆次之，反向起爆最??；但3種起爆位置下，掌子面附近的巖體損傷均不明顯。

對(duì)于考慮累積損傷的情況，根據(jù)臨界破碎損傷閾值[D]所確定的反向起爆的破碎輪廓基本為正漏斗形，且掌子面附近的巖體充分破碎，利于掏槽孔完成對(duì)巖體的破碎與拋擲；正向起爆的破碎輪廓在藥包頂端附近存在一束窄區(qū)，在束窄區(qū)以下呈現(xiàn)為倒漏斗形，但由于其上一進(jìn)尺的爆破對(duì)孔底巖體造成了較大范圍的初始損傷(正向起爆時(shí)，孔底損傷半徑與損傷深度均最大)，其掌子面附近的巖體破碎也較為明顯，故正向起爆基本也可完成掏槽孔周圍巖體的破碎，但拋擲效果遜于反向起爆；對(duì)于中點(diǎn)起爆，除藥包中點(diǎn)有一略微束窄區(qū)外，其破碎輪廓近似于柱形分布，掏槽效果介于反向起爆與正向起爆之間。

3.3 支護(hù)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)

選取拱頂距掌子面不同距離處支護(hù)結(jié)構(gòu)(見圖3)的爆破振動(dòng)速度進(jìn)行研究，分析了掏槽孔起爆位置對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)爆破振動(dòng)響應(yīng)的影響，圖9為不同起爆位置下，距離掌子面距離R=15 m處的一個(gè)典型觀測(cè)點(diǎn)的垂直向Z和洞軸向X的振動(dòng)速度波形圖。考慮到模型的對(duì)稱性，其中水平向Y的振動(dòng)水平較小，在此未給出波形。

由圖9可以看出，該測(cè)點(diǎn)的峰值振動(dòng)速度(PPV)由大到小依次為反向起爆、中點(diǎn)起爆、正向起爆，其中洞軸向X的峰值差別尤為明顯。這是因?yàn)榉聪蚱鸨瑫r(shí)，引爆雷管布置在了孔底，爆轟波由孔底向孔口傳播，使孔口一側(cè)巖體的振動(dòng)被加強(qiáng)，從而也加強(qiáng)了位于掌子面后方支護(hù)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)；正向起爆時(shí)，孔底一側(cè)的巖體振動(dòng)被加強(qiáng)，從而支護(hù)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)水平相對(duì)較弱；中點(diǎn)起爆時(shí)，孔口、孔底兩側(cè)巖體振動(dòng)均有一定程度的加強(qiáng)，其振動(dòng)水平應(yīng)介于正、反向起爆之間。

圖10比較了不同起爆位置、不同距離處下支護(hù)結(jié)構(gòu)的PPV(3個(gè)方向的最大振速)，且根據(jù)爆破振動(dòng)安全標(biāo)準(zhǔn)[27]確定了不同齡期噴射混凝土到掌子面所需的安全距離[R]，如表5。其中，R表示觀測(cè)點(diǎn)到掌子面的距離。

由圖10可知，掏槽孔起爆位置對(duì)隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)的爆破振動(dòng)響應(yīng)有較大的影響，其中反向起爆情況下支護(hù)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)最強(qiáng)，中點(diǎn)起爆次之，正向起爆最??；由表5可知，對(duì)于不同齡期的噴射混凝土，起爆位置不同，二次噴護(hù)結(jié)構(gòu)所需的安全距離有較大的差別，其中反向起爆所需的安全距離最長(zhǎng)，中點(diǎn)起爆次之，正向起爆最短，故正向起爆最利于支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全。

損傷變量D比例尺

未考慮累積損傷效應(yīng)的巖體損傷

上一爆破進(jìn)尺引起的初始損傷

當(dāng)前爆破進(jìn)尺引起的巖體損傷

損傷變量D比例尺

未考慮累積損傷效應(yīng)的巖體損傷

上一爆破進(jìn)尺引起的初始損傷

當(dāng)前爆破進(jìn)尺引起的巖體損傷

損傷變量D比例尺

未考慮累積損傷效應(yīng)的巖體損傷

上一爆破進(jìn)尺引起的初始損傷

當(dāng)前爆破進(jìn)尺引起的巖體損傷

(a) 未考慮累積損傷

(b) 考慮累積損傷

(a) 垂直向Z振動(dòng)波形

(b) 洞軸向X振動(dòng)波形

(a) 7～28 d齡期混凝土噴層的PPV

(b) 3～7 d齡期混凝土噴層的PPV

(c) 1～3 d齡期混凝土噴層的PPV

為探究通過調(diào)整掏槽孔起爆點(diǎn)位置可控制支護(hù)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的效果，表6以反向起爆情況下支護(hù)結(jié)構(gòu)(1～3 d齡期的噴射混凝土)的PPV為基準(zhǔn)，分別計(jì)算了正向/中點(diǎn)起爆與反向起爆下支護(hù)結(jié)構(gòu)PPV的差異率η，如式(9)

(9)

表6 起爆位置控制振動(dòng)的效果

由表6可知，相對(duì)于反向起爆，正向起爆可控制振動(dòng)的水平達(dá)65%以上，中點(diǎn)起爆的可控水平也在45%以上，說明通過調(diào)整掏槽孔起爆點(diǎn)位置的手段來控制支護(hù)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)具有可觀的效果。

3.4 分析與討論

圖7中數(shù)值計(jì)算所得的損傷分布云圖表明，延長(zhǎng)藥包爆破時(shí)，巖體的損傷并非均勻分布，其損傷沿著爆轟波傳播方向有加強(qiáng)，與龔敏等的全息動(dòng)光彈試驗(yàn)結(jié)果一致。對(duì)于反向起爆的情況，孔口的損傷區(qū)范圍要大于孔底，這與Onederra等的數(shù)值結(jié)果一致。圖10中計(jì)算所得不同起爆位置下支護(hù)結(jié)構(gòu)PPV的對(duì)比情況表明，爆破振動(dòng)場(chǎng)在爆轟波傳播的正向也有加強(qiáng)，該分布規(guī)律與Trivio等的實(shí)測(cè)資料吻合，即位于延長(zhǎng)藥包爆轟波傳播方向上的測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到的振動(dòng)幅值高于傳播反方向上的測(cè)點(diǎn)。另外，陳光等通過導(dǎo)爆索試驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)，在一定范圍內(nèi)，等爆心距處爆轟正向的振速比爆轟反向的振速高約30%左右。由此可見，根據(jù)數(shù)值計(jì)算所得的損傷分布及爆破振動(dòng)規(guī)律，來指導(dǎo)隧洞鉆爆開挖過程中掏槽孔起爆位置的選取是可靠的。依據(jù)數(shù)值計(jì)算的結(jié)果，可作如下討論：

從掏槽的角度來分析，反向起爆時(shí)，損傷偏向于孔口分布，破碎輪廓近似于正漏斗形，有利于掏槽孔實(shí)現(xiàn)對(duì)巖體的破碎與拋擲；正向起爆時(shí)，損傷偏向孔底分布，雖不能形成明顯的爆破漏斗，但考慮到爆破過程中的累積損傷效應(yīng)，上一進(jìn)尺的爆破會(huì)對(duì)當(dāng)前進(jìn)尺待開挖的巖體造成初始損傷，而正向起爆恰好加強(qiáng)了孔底巖體的損傷，彌補(bǔ)了當(dāng)前進(jìn)尺孔口損傷區(qū)較小的不足，因此，正向起爆也可基本保證掏槽的效果；中點(diǎn)起爆的損傷分布相對(duì)比較均勻，掏槽效果居中。所以，單從掏槽的角度來考慮，反向起爆是最優(yōu)的，其次是中點(diǎn)起爆，再者是正向起爆。

從振動(dòng)控制的角度來分析，不同起爆位置下，隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)的爆破振動(dòng)響應(yīng)有很大的差別，PPV由大到小依次為反向起爆、中點(diǎn)起爆、正向起爆，且PPV的差異率η較高，說明通過調(diào)整起爆點(diǎn)位置來控制支護(hù)結(jié)構(gòu)爆破振動(dòng)的措施是可行的。所以，單從振動(dòng)控制的角度來考慮，正向起爆最利于支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全，便于支護(hù)的及時(shí)跟進(jìn)，可保證圍巖的穩(wěn)定，而反向起爆對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全有嚴(yán)重的威脅，中點(diǎn)起爆居中。

綜上所述，在隧洞的鉆爆開挖過程中，單方面地依據(jù)掏槽效果來選取起爆位置存在缺陷，起爆位置對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)爆破振動(dòng)的影響不容忽視，但掏槽效果與振動(dòng)控制這二者在起爆位置的選取上是互為矛盾的。在實(shí)際的施工過程中，應(yīng)針對(duì)不同的圍巖條件，根據(jù)其對(duì)掏槽效果與振動(dòng)控制側(cè)重點(diǎn)的不同，來適當(dāng)選取起爆點(diǎn)的位置。若圍巖等級(jí)較高，其自身穩(wěn)定性較好，則對(duì)掏槽效果有更高的要求，宜優(yōu)先選擇反向起爆；若圍巖等級(jí)較低，其自身穩(wěn)定性較差，則對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全有更高的要求，宜優(yōu)先選擇正向起爆；若圍巖等級(jí)處于中間水平，宜選擇中點(diǎn)起爆，以兼顧掏槽效果與振動(dòng)控制兩方面的因素。

因掏槽孔的最小抵抗線方向與炮孔軸向一致，且相對(duì)于巖石，炮孔是強(qiáng)度薄弱處，炸藥能量易于從炮孔中散失，形成沖炮，所以為保證掏槽效果，應(yīng)加強(qiáng)堵塞，特別是正向起爆，其起爆點(diǎn)位置移向孔口，沖炮的風(fēng)險(xiǎn)更大，在炮孔堵塞方面更應(yīng)引起重視。

4 結(jié) 論

主要采用動(dòng)力有限元模擬的方法，以隧洞的鉆爆開挖與支護(hù)為背景，綜合比較分析了起爆點(diǎn)位于掏槽孔不同位置時(shí)的掏槽效果與支護(hù)結(jié)構(gòu)爆破振動(dòng)響應(yīng)，得出如下結(jié)論：

(1) 起爆點(diǎn)位于不同位置時(shí)，掏槽孔的掏槽效果與支護(hù)結(jié)構(gòu)的爆破振動(dòng)響應(yīng)均有較大差別，單從掏槽效果的角度來選擇起爆位置存在缺陷，應(yīng)綜合考慮掏槽與振動(dòng)控制兩方面的因素。

(2) 在起爆位置的選擇上，掏槽效果與振動(dòng)控制這二者是矛盾的。反向起爆雖有助于掏槽孔實(shí)現(xiàn)對(duì)巖體的破碎與拋擲，但其所誘發(fā)的支護(hù)結(jié)構(gòu)振動(dòng)最強(qiáng)；正向起爆雖利于支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全，但其掏槽效果遜于反向起爆；中點(diǎn)起爆的掏槽效果與支護(hù)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)水平介于正、反向起爆之間。

(3) 在隧洞開挖過程中，應(yīng)針對(duì)不同的圍巖條件，根據(jù)其對(duì)掏槽效果與振動(dòng)控制側(cè)重點(diǎn)的不同，合理地選擇起爆位置。

此次研究將隧洞圍巖假定為均勻連續(xù)的介質(zhì)，未考慮節(jié)理、裂隙及結(jié)構(gòu)面等的影響。另外，計(jì)算中所采取的隧洞斷面尺寸較小，掏槽孔為最簡(jiǎn)單的直孔掏槽方式，對(duì)于更大斷面尺寸的隧洞及更為復(fù)雜的掏槽方式，將見于后續(xù)的研究工作。

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