王 平，程貴海，鄧春海，王 毅，陳善江，張家銘

(廣西大學(xué)資源環(huán)境與材料學(xué)院，廣西 南寧 530004)

目前，在隧道掘進(jìn)、地下硐室建設(shè)等巖體工程開挖中，鉆爆法依然是高效、主流的施工手段[1]。建設(shè)總工期和生產(chǎn)成本不僅與之息息相關(guān)，而且對(duì)隧道開挖后的治理、后續(xù)安全施工及穩(wěn)定運(yùn)營起著至關(guān)重要的作用?，F(xiàn)階段，淺孔爆破技術(shù)依然是隧道爆破掘進(jìn)時(shí)的首選，依據(jù)國內(nèi)外眾多的專家學(xué)者的分析研究及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)：在不良地質(zhì)條件下采取短進(jìn)尺、弱爆破、及封閉，即運(yùn)用淺孔爆破技術(shù)手段可以有效降低施工安全風(fēng)險(xiǎn)。但是，近年來隨著車流量的顯著攀升，大斷面隧道建設(shè)已成為當(dāng)下乃至今后的發(fā)展趨勢(shì)。在大斷面隧道爆破開挖中，淺孔爆破技術(shù)很難做到一次打眼、一次裝藥、一次起爆[2]，且掘進(jìn)速度慢，循環(huán)爆破次數(shù)相比中深孔爆破大幅增加，這不僅有悖于建筑工程綠色建設(shè)的“四大原則”，而且加大了對(duì)巖體的損傷，導(dǎo)致圍巖內(nèi)應(yīng)力快速釋放，致使表層巖體的力學(xué)性能明顯減弱[1]。隨著眾多爆破界學(xué)者將目光轉(zhuǎn)向隧道爆破技術(shù)進(jìn)行分析與研究，使得安全、快速、綠色地建設(shè)隧道工程成為可能。閆鴻浩等[3]研究發(fā)現(xiàn)，中深孔在一定程度上可以提高了爆破振動(dòng)頻率，降低了與建筑物發(fā)生共振的幾率；汪海波等[4]對(duì)深孔超前爆破技術(shù)在硬巖巷道施工中的研究，為降低圍巖損傷和加快施工進(jìn)度提供了可能；曹楊等[5]研究發(fā)現(xiàn)，排煙時(shí)間與隧道口到掌子面的距離呈線性關(guān)系，與風(fēng)筒口到工作面距離成非線性關(guān)系；孫保平等[6]采用聯(lián)合完全重啟動(dòng)數(shù)值模擬技術(shù)與拉格朗日算法模擬了隧道破巖的物理力學(xué)過程；LANGEFORS等[7]對(duì)掏槽方式進(jìn)行了探討;張奇等[8]借助數(shù)學(xué)計(jì)算和力學(xué)模型手段分析研究了孔距、孔深等因素對(duì)掏槽爆破效果的影響指數(shù);林大能等[9]研究了孔網(wǎng)參數(shù)、巖石性質(zhì)等因素和掏槽眼利用率的關(guān)系,從理論上得出了影響直眼掏槽效果的因素。

大型鉆孔設(shè)備的出現(xiàn)使得中深孔爆破技術(shù)在隧道開挖掘進(jìn)中成為可能。一次爆破開挖的成敗在于掏槽眼爆破[10]，而影響掏槽爆破的因素有很多，為了提高爆破成功率和效果，對(duì)于影響掏槽因素的研究已成為隧道爆破關(guān)注的焦點(diǎn)。鑒于此，本文以灰色關(guān)聯(lián)法分析了中深孔楔形掏槽爆破影響因素，并成功應(yīng)用于在建桐梓隧道掘進(jìn)，使得其一次爆破開挖的幾率和效果顯著提升。

1 灰色關(guān)聯(lián)理論

對(duì)于一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)而言，充分了解系統(tǒng)與各個(gè)影響因素之間的關(guān)聯(lián)程度，可采用灰色關(guān)聯(lián)法來實(shí)現(xiàn)。該方法的核心思想是用相關(guān)序列幾何形狀曲線的相似度來評(píng)價(jià)彼此之間的關(guān)聯(lián)，曲線形狀越相似，走向越相近，則兩者之間的關(guān)系就越密切。相比其他方法，灰色關(guān)聯(lián)法需要樣本數(shù)量少，計(jì)算量小，且不要求樣本服從某種典型的分布規(guī)律也能達(dá)到量化結(jié)果與定性分析一致[11]。因此，灰色關(guān)聯(lián)法能夠較好地確定掏槽爆破的主要影響因素。

1.1 特征變量和因素變量

Y(j)(j=1，2，…，m)，X(i)(i=1，2，…，n)分別為系統(tǒng)特征變量和因素變量代號(hào)，規(guī)定掏槽效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)為系統(tǒng)特征變量，影響掏槽效果的因素為相關(guān)因素變量；m為指標(biāo)個(gè)數(shù)，n為因素變量個(gè)數(shù)[12]。假設(shè)進(jìn)行了s次掏槽爆破實(shí)踐，則形成的系統(tǒng)特征變量序列與影響因素變量序列見式(1)和式(2)。

Y(j)=[Y1(j),Y2(j),…,Yk(j),…,Ys(j)]

(1)

X(i)=[X1(i),X2(i),…,Xk(i),…,Xs(i)]

(2)

式中：Yk(j)、Xk(j)為k次實(shí)踐中第j個(gè)系統(tǒng)特征變量和第i個(gè)因素變量所得到的數(shù)據(jù)，k為樣本數(shù)，k≤s。

均值化算子用Q1表示，始點(diǎn)零像化算子用Q2表示。首先利用均值化算子Q1求出式(1)和式(2)序列的均值像，然后在使用始點(diǎn)零像化算子Q2計(jì)算式(1)和式(2)序列均值像的始點(diǎn)化畫像，結(jié)果見式(3)～(6)。

(3)

(4)

(5)

(6)

1.2 灰色關(guān)聯(lián)度計(jì)算

灰色關(guān)聯(lián)度用εji表示，根據(jù)定義，計(jì)算公式見式(7)。

(7)

根據(jù)灰色絕對(duì)關(guān)聯(lián)度的計(jì)算結(jié)果，得到其矩陣見式(8)。

(8)

根據(jù)灰色絕對(duì)關(guān)聯(lián)矩陣，確定因素變量對(duì)系統(tǒng)特征變量的影響程度，將滿足εjm≥εjn(m、n≤s)的因素稱為因素Xm優(yōu)于Xn。

2 掏 槽

2.1 掏槽孔間距

現(xiàn)階段隧道深孔掏槽爆破技術(shù)的問題主要是爆破本身的復(fù)雜性，目前還沒有形成一套完整、精確、科學(xué)確定孔網(wǎng)參數(shù)的理論方法及計(jì)算公式。所以，在具體設(shè)計(jì)及施工中，一般都認(rèn)為它是在一個(gè)自由面的條件下實(shí)施的，利用炸藥在巖體內(nèi)部爆炸以后產(chǎn)生應(yīng)力波的反射拉伸和高溫高壓爆生氣體的膨脹作用而使巖石破裂破碎并拋擲。為了降低爆破振動(dòng)對(duì)圍巖的損傷、開挖成本，以達(dá)到所需的目的，需要從安全、經(jīng)濟(jì)、可行性的角度去考慮掏槽炮孔布置和掏槽方式。所以，要想隧道爆破效果好，就必須確保槽腔內(nèi)巖石充分破碎并被拋擲一定距離。因此，掏槽孔的布置距離和形狀須在合理的范圍內(nèi)，第一階掏孔距即滿足式(9)和式(10)。

(9)

Lb≤Dk

(10)

式中：E為掏槽孔間距，m；Dk為破裂區(qū)范圍，m；Lb為掏槽孔布置范圍，m。(如果是圓形布置，則為直徑；如果是矩形布置，則轉(zhuǎn)化為當(dāng)量直徑)。矩形當(dāng)量直徑D=2ab/(a+b)，其中，a、b為矩形的長、寬，m；D為當(dāng)量直徑，m。

當(dāng)炸藥類型、藥量、孔數(shù)、毫秒延時(shí)時(shí)間、爆破工藝等一定的前提下，破裂區(qū)的大小主要取決于巖石的巖性。對(duì)于波阻抗高的堅(jiān)固性巖石，破裂區(qū)主要由爆炸的動(dòng)作用形成，即由應(yīng)力波形成，其大小按式(11)計(jì)算。

(11)

式中：r為炮孔半徑，mm；St為巖石抗拉強(qiáng)度，MPa；λ為巖石側(cè)壓系，λ=μ/(1-μ)，μ為巖石泊松比；α為應(yīng)力波衰減指數(shù)，取決于巖石的物理力學(xué)性質(zhì)，一般取值為(2-μ)/(1-μ)；pr為炸藥爆炸時(shí)，作用于炮孔壁上的初始?jí)毫?，N。

不耦合裝藥時(shí)，計(jì)算見式(12)。

(12)

式中：Rc為藥卷半徑，mm；Rb為炮孔半徑，mm；n為爆生氣體沖擊炮孔孔壁時(shí)壓力增大的倍數(shù)，取n=8～10。

耦合裝藥時(shí)，計(jì)算見式(13)。

(13)

式中：ρ0為炸藥密度，kg/m3；ν為炸藥爆速，m/s；ρm為巖石密度，kg/m3；cp為巖石縱波波速，m/s。

對(duì)于低阻抗堅(jiān)固性低的巖石，裝藥結(jié)構(gòu)為不耦合裝藥時(shí)，巖石的破碎主要靠爆炸氣體的靜壓力作用，其大小計(jì)算見式(14)。

(14)

式中，pc為不耦合裝藥時(shí)爆生氣體的靜壓力，N，計(jì)算同式(12)。

2.2 掏槽孔布置

相關(guān)理論研究及眾多的工程實(shí)踐表明，掏槽孔的布置形狀及位置也影響著爆破效果。當(dāng)掏槽孔的數(shù)量及其他條件一致時(shí)，掏槽孔的布置形狀關(guān)系著掏槽爆破所負(fù)擔(dān)的體積，體積過大會(huì)使掏槽效果不佳，進(jìn)而影響整個(gè)爆破過程；體積過小，浪費(fèi)炸藥，巖石拋擲距離遠(yuǎn)，增加清渣時(shí)間等。

現(xiàn)階段隧道掘進(jìn)時(shí)，掏槽孔的布置形狀主要有圓形、正方形、矩形等，位置隧道掌子面中央或偏下位置。經(jīng)工程實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，大斷面楔形掏槽爆破時(shí)，掏槽孔的位置影響著整個(gè)爆破效果。目前，對(duì)于掏槽位置的計(jì)算，依然還沒有形成具體的理論計(jì)算公式，根據(jù)《爆破設(shè)計(jì)與施工》[13]中掏槽孔的布置原則與方法，采用楔形掏槽時(shí)，掏槽孔位于開挖斷面中央或中偏下位置，具體通過試爆確定。經(jīng)多次試爆發(fā)現(xiàn)，本條件下，當(dāng)掏槽孔位于中偏下時(shí)，掏槽效果較優(yōu)。

2.3 掏槽孔藥量

掏槽孔起爆藥量與起爆時(shí)差是影響隧道爆破振動(dòng)的關(guān)鍵因素：藥量直接關(guān)系著振速、炮孔深度和循環(huán)進(jìn)尺等參數(shù)；延時(shí)時(shí)間決定著合成振速的變化，時(shí)間合理可以降振，反之則加強(qiáng)[14]。安全起爆藥量和延時(shí)時(shí)間的準(zhǔn)確計(jì)算對(duì)于爆破振動(dòng)的控制至關(guān)重要。為了盡可能地降低爆破振動(dòng)，減小對(duì)圍巖的損傷以及達(dá)到所需爆破效果，在計(jì)算爆破藥量時(shí)要依據(jù)“等能原理”“微分原理”“失穩(wěn)原理”來選取合理的炸藥量。根據(jù)掏槽爆破的重要性及要求，槽孔內(nèi)的炸藥爆炸以后要將槽腔內(nèi)巖石充分破碎并拋擲一定距離。因此，其裝藥量較其他炮孔要大，且不同地質(zhì)條件、施工條件和巖石藥量下有所變化。其值可根據(jù)體積藥量計(jì)算公式來計(jì)算，見式(15)。

(15)

式中：Q為單孔裝藥量，kg；η為裝藥系數(shù)，即每米炮孔裝藥長度；lp為炮孔深度，m；q為炸藥單耗，kg/m3；依據(jù)有關(guān)定額參照選擇，超定額20%～40%，中硬巖取大值，軟弱巖取小值；N為掏槽孔個(gè)數(shù)。

2.4 掏槽延時(shí)時(shí)間

隧道爆破開挖時(shí)，影響爆破振動(dòng)的核心因素有藥量和延時(shí)間隔時(shí)間。由于掏槽孔的藥量比其他孔多20%～40%，尤其是大斷面隧道爆破掘進(jìn)，一般為三級(jí)到四級(jí)掏槽，一次起爆的掏槽藥量更大，產(chǎn)生的爆破振動(dòng)也更大；此外，爆破施工是在一個(gè)自由面的條件下進(jìn)行的，其夾制作用要比露天土石方爆破大許多，經(jīng)常出現(xiàn)掏槽失敗的現(xiàn)象，不僅增加施工成本，而且還加重了圍巖的累積損傷。為此，使用延時(shí)控制爆破技術(shù)。此項(xiàng)技術(shù)的核心在于延時(shí)時(shí)間，延時(shí)時(shí)間選擇的合理不僅能夠降低爆破振動(dòng)，而且還有助于先響的炮孔為后響的炮孔創(chuàng)造更好更大的自由面，達(dá)到充分破碎巖石的效果。盡管隧道中一般采用導(dǎo)爆管雷管標(biāo)稱段位順序或跳段即可達(dá)到毫秒延時(shí)間隔的目的，但實(shí)際工程中，鑒于其本身延時(shí)誤差性和相鄰段間隔時(shí)間較大的限制，采用導(dǎo)爆管雷管延時(shí)起爆很難實(shí)現(xiàn)較為理想的延時(shí)起爆效果。依據(jù)HINZEN[15]、BLAIR[16]、陳士海等[17]和龔敏等[14]研究的起爆時(shí)差對(duì)爆破振速的影響發(fā)現(xiàn)，間隔時(shí)間并不是越大或越小好，也不是雷管標(biāo)段所標(biāo)稱的時(shí)間或跳段以后的時(shí)間為最佳間隔時(shí)間。根據(jù)以上的研究分析，第二臨空面形成的時(shí)間在50～65 ms之間。依據(jù)精確毫秒延時(shí)爆破理論，延時(shí)t的下限必須使先響炮孔產(chǎn)生的裂紋充分發(fā)展形成新的自由面，延時(shí)t的上限須在后響炮孔起爆時(shí)，受先響炮孔影響的巖石仍處于受力狀態(tài)。則延時(shí)時(shí)間t的計(jì)算見式(16)。

t=t1+t2+t3

(16)

式中：t1為應(yīng)力波從藥包中心到臨空面，再由臨空面到藥包中心時(shí)間；t2為從裂縫產(chǎn)生到裂縫到達(dá)自由面的時(shí)間；t3為裂縫擴(kuò)展的寬度到與形成自由面相應(yīng)所需時(shí)間。

2.5 掏槽孔超深

在隧洞掘進(jìn)爆破中，為了提高單循環(huán)爆破進(jìn)尺，增加整體炮孔利用率，一般情況下，掏槽孔相對(duì)于輔助孔要深一些，根據(jù)《爆破設(shè)計(jì)與施工》中[13]隧道掘進(jìn)爆破中的相關(guān)內(nèi)容，掏槽孔應(yīng)比其他炮孔加深0.15 m以上。

3 工程實(shí)踐

3.1 工程概況

桐梓特長、特大斷面隧道是貴州省內(nèi)蘭州至?？诟咚俟分刈駭U(kuò)容段的標(biāo)志性控制工程，全長約10 500 m，雙向六車道，開挖斷面220 m2，設(shè)計(jì)時(shí)速100 km/h。為了加快施工進(jìn)度，滿足后期的運(yùn)營通風(fēng)，逃生救災(zāi)等要求，桐梓隧道采用了4斜井同時(shí)掘進(jìn)的施工方案。斜井隧道全長1 570 m，開挖輪廓83.15 m2，凈高5 m，凈寬10.45 m，縱坡8.46%。洞身穿越地層眾多，巖性多樣，組合復(fù)雜，巖性多屬Ⅳ級(jí)圍巖。該隧道爆破施工的難點(diǎn)在于：洞身段圍巖巖性較差，節(jié)理裂隙較發(fā)育，涌水量較大，且屬大跨度、長距離、反坡施工且用XE3C三臂鑿巖臺(tái)車鉆孔。

3.2 中深孔楔形掏槽影響因素灰色分析

開始2個(gè)月，以全斷面爆破開挖法掘進(jìn)，采用常規(guī)爆破方案，即周邊孔采用常規(guī)裝藥光面爆破以及楔形掏槽方式。 掏槽失敗、仰拱爆不出、巖石拋擲遠(yuǎn)時(shí)有發(fā)生，且XE3C大型自動(dòng)化三臂鑿巖臺(tái)車性能難以充分發(fā)揮逐漸成為該工程爆破開挖最突出的問題。由于影響掏槽的因素有很多，本文選取了實(shí)際工程中經(jīng)常調(diào)整的因素做灰色分析研究，如圖1所示。

圖1 影響因素Fig.1 Influencing factors

方案1，在原有爆破方案(圖2和圖3)的基礎(chǔ)上，將三級(jí)掏槽變?yōu)槎嗉?jí)掏槽即在三級(jí)掏槽的基礎(chǔ)上加一排小掏，深度逐漸加深，不改變掏槽總孔數(shù)，如圖4所示；方案2，在方案1的基礎(chǔ)上只改變炮孔角度，使得掏槽角度逐漸增大；方案3，在方案2的基礎(chǔ)上只改變延時(shí)時(shí)間；方案4，在方案3的基礎(chǔ)上，只改變離底板最近對(duì)應(yīng)掏槽孔連線中心到底板中心的距離；方案5，在方案4的基礎(chǔ)上，只改變大掏孔的超深。除了方案中所列的變化之外，其余所有參數(shù)、施工工藝等均與原方案一致。五種方案均在地質(zhì)、水文、巖性等變化不大的地段實(shí)施，其他參數(shù)見表1。

表1 原方案爆破參數(shù)Table 1 Blasting parameters of original scheme

續(xù)表1

圖2 原炮孔布置平面圖Fig.2 Plane of the original borehole layout

圖3 原炮孔布置剖面圖Fig.3 Section of the original borehole layout

圖4 掏槽布置平面圖Fig.4 Cutting layout plane

從便于分析與統(tǒng)計(jì)的角度，選取大塊率(大塊率=最長邊大于50 cm塊數(shù)/最長邊大于10 cm塊數(shù))、巖石拋擲距離、掏槽孔利用率、掏槽單耗、爆破進(jìn)尺作為掏槽效果質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)，即系統(tǒng)特征變量，分別用Y(1)、Y(2)、Y(3)、Y(4)、Y(5)表示。五種方案的實(shí)踐數(shù)據(jù)見表2。

表2 實(shí)踐數(shù)據(jù)Table 2 Practical data

3.3 相關(guān)計(jì)算及結(jié)果分析

根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)理論的計(jì)算過程、實(shí)踐數(shù)據(jù)和評(píng)價(jià)指標(biāo)，求關(guān)聯(lián)矩陣[εji]，然后依據(jù)指標(biāo)權(quán)重計(jì)算出綜合評(píng)價(jià)矩陣。為了便于計(jì)算和消除其他因素的誤差，大塊率、拋擲距離、炮孔利用率、掏槽單耗、爆破進(jìn)尺5個(gè)質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)取各自的均值，5個(gè)影響因素也取均值，灰色關(guān)聯(lián)度計(jì)算結(jié)果見表3。由表3可知，5個(gè)相關(guān)因素變量中，關(guān)聯(lián)度大小順序?yàn)樾√蜕疃?大掏傾角>掏槽位置>延時(shí)時(shí)間>大掏超深，最優(yōu)因素為小掏槽深度，即影響最大的因素；影響最小的因素為大掏超深。對(duì)大塊率、拋擲距離、炮孔利用率、掏槽單耗、爆破進(jìn)尺影響最大的因素依次是掏槽位置、大掏傾角、延時(shí)時(shí)間、小掏深度、延時(shí)時(shí)間；影響最小的因素分別是延時(shí)時(shí)間、掏槽位置、掏槽位置、延時(shí)時(shí)間、掏槽位置。

表3 灰色關(guān)聯(lián)度Table 3 Grey relevance degree

4 結(jié) 論

1) 多級(jí)楔形中深孔大掏槽+小掏適用于大斷面隧道爆破，尤其是斷面面積大于50 m2的隧道開挖；且在此施工條件下，小掏槽深度為大掏槽深度的2/3左右時(shí)，爆破效果較好。

2) 大斷面中深孔爆破開挖，用XE3C三臂鑿巖臺(tái)車打孔，楔形掏槽時(shí)，掏槽超深25～35 cm、掏槽位置距離底板1.3～1.4 m時(shí)，楔形掏槽效果最佳。

3) 多級(jí)掏槽時(shí)，同級(jí)掏槽孔齊響，級(jí)與級(jí)之間掏槽間隔55～65 ms時(shí)，掏槽效果最佳。

4) 大斷面中深孔爆破，掏槽孔數(shù)不變時(shí)，多級(jí)掏槽的爆破效果最佳。