劉廣興，陳 新，王 敏，郭 建

(1.大連經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)金源爆破工程有限公司，遼寧 大連 116600；2.青島理工大學(xué)理學(xué)院，山東 青島 266033)

目前隨著我國工程施工技術(shù)水平的提高，盾構(gòu)技術(shù)越來越普遍地應(yīng)用到了隧道掘進(jìn)工程中。雖然盾構(gòu)技術(shù)存在安全系數(shù)高、掘進(jìn)速度快、勞動(dòng)強(qiáng)度低、受外界影響小等諸多優(yōu)點(diǎn)，但也有一定的局限性，比如對隧道斷面形狀尺寸的變化適應(yīng)能力差；盾構(gòu)設(shè)備較昂貴；對巖石硬度、均勻程度有一定要求等[1]。

遼寧紅沿河核電廠二期工程在取水隧洞盾構(gòu)施工中遇到了堅(jiān)硬巖石和局部孤石，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，如果硬巖和孤石不進(jìn)行預(yù)處理可能對盾構(gòu)施工造成如下風(fēng)險(xiǎn)：盾構(gòu)機(jī)刀盤在掘進(jìn)過程中出現(xiàn)“卡盤”現(xiàn)象；圍巖過于堅(jiān)硬，使刀頭磨損嚴(yán)重，縮短使用壽命；盾構(gòu)機(jī)削土不順暢，甚至造成地面隆起和建筑物開裂；巖體不均勻(如孤石)，導(dǎo)致掘進(jìn)方向發(fā)生偏移。施工單位采用了地表鉆孔松動(dòng)爆破法對硬巖和孤石提前處理。經(jīng)過幾次試爆，盾構(gòu)掘進(jìn)效果良好，但并未達(dá)到預(yù)期，原因是爆后局部區(qū)域仍存在大尺寸巖塊，影響盾構(gòu)效率。針對這一情況，建設(shè)單位組織各方召開專題會(huì)議研究決定引入爆轟波碰撞聚能爆破技術(shù)，充分利用炸藥爆炸的能量來提高巖石的破碎程度。

1 爆轟波碰撞聚能技術(shù)

1.1 爆轟波碰撞聚能原理

爆轟波是炸藥爆炸后產(chǎn)生的一種強(qiáng)沖擊波，爆轟波發(fā)出后，在其傳播面的炸藥因受到它的沖擊而發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)，釋放出的能量又為爆轟波提供動(dòng)力，使其繼續(xù)在炸藥中傳播[2]?，F(xiàn)在主流觀點(diǎn)比較認(rèn)可的是炸藥爆炸所產(chǎn)生的爆轟波和爆生氣體二者同時(shí)對周圍巖石起到作用，使巖石產(chǎn)生破碎效果。首先，炸藥爆炸產(chǎn)生的沖擊波對周圍巖石形成強(qiáng)烈的擠壓作用，當(dāng)其強(qiáng)度超過巖石的抗壓強(qiáng)度后，就會(huì)在炮孔周圍形成粉碎區(qū)；然后沖擊波繼續(xù)向外傳播，其強(qiáng)度也在逐漸降低，當(dāng)沖擊波強(qiáng)度低于巖石的抗壓強(qiáng)度后，不足以使巖石直接破碎，但可以在粉碎區(qū)外圍形成裂隙區(qū)；最后由于沖擊波的反射以及爆生氣體膨脹滲入，使巖石裂隙進(jìn)一步擴(kuò)大、貫通，最終導(dǎo)致巖石破碎[3]。

爆轟波碰撞聚能爆破技術(shù)是利用多點(diǎn)起爆，在藥包上對稱布置多個(gè)起爆藥條，要求起爆藥條的爆速要高于主裝藥包，使其足以引爆后者。當(dāng)起爆藥條引爆炸藥后，會(huì)在藥柱中心位置引起一系列的爆轟波碰撞，并產(chǎn)生聚能效應(yīng)，其結(jié)果是在相應(yīng)的孔壁位置，巖石的破碎程度與裂隙的大小和數(shù)量明顯高于其他區(qū)域，這樣更有利于爆生氣體的滲透與炮孔間的貫通，從而提高巖石的破碎效果[4-5]。

1.2 爆轟波碰撞聚能數(shù)值模擬

為了能夠更加清晰的呈現(xiàn)出不同起爆方式下的巖石裂隙發(fā)展過程，應(yīng)用LS-DYNA程序?qū)﹄p炮孔巖石爆破裂隙擴(kuò)展進(jìn)行數(shù)值模擬[6-7]。

炸藥的JWL狀態(tài)方程及其等熵方程如下：

(1)

(2)

(3)

式中：P為爆轟產(chǎn)物的壓力；E為炸藥初始體積內(nèi)能；V為相對體積；es為爆轟產(chǎn)物的等熵內(nèi)能；其余參數(shù)通過聲速實(shí)驗(yàn)及強(qiáng)爆轟雨貢紐方程獲得。

通過一系列實(shí)驗(yàn)以及各方程聯(lián)立，本工程所使用的炸藥及導(dǎo)爆索的各參數(shù)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 狀態(tài)方程參數(shù)

根據(jù)巖石的力學(xué)性質(zhì)以及巖石在炸藥作用下的破碎機(jī)理，選擇塑形隨動(dòng)硬化材料模型(*MAT_PLASTIC_KINEMATIC)，應(yīng)變率選擇Cowper-Symonds模型。具體巖石的各項(xiàng)力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 巖石各項(xiàng)力學(xué)參數(shù)

1.3 模擬結(jié)果分析

數(shù)值模擬結(jié)果如圖1所示。

圖1 炮孔間裂紋擴(kuò)展Fig.1 Crack propagation between the holes

由圖1可看出，最開始中心起爆在炮孔周圍生產(chǎn)較為均勻的裂隙，碰撞聚能起爆則生成不規(guī)則的較大裂隙，且在兩炮孔中心連線方向上延伸較長；接下來兩種方式的裂隙繼續(xù)擴(kuò)展，并在0.026 ms時(shí)碰撞聚能起爆實(shí)現(xiàn)了炮孔間裂隙的貫通，時(shí)間比中心起爆方式早了0.004 ms；最后碰撞聚能起爆的爆轟結(jié)束時(shí)間早于中心起爆的結(jié)束時(shí)間，且炮孔周圍的不規(guī)則裂隙要多于后者。因此，可以認(rèn)為碰撞聚能起爆所形成的裂隙在大小、數(shù)量以及貫通時(shí)間上要優(yōu)于中心起爆方式[8-9]。

2 工程應(yīng)用

2.1 工程概況

紅沿河核電廠二期取水隧洞盾構(gòu)工程包括5#和6#機(jī)組2個(gè)取水隧洞，每個(gè)取水隧洞又均由明管段和盾構(gòu)段組成。其中盾構(gòu)段地質(zhì)情況較為復(fù)雜，巖石主要為花崗巖，盾構(gòu)施工前采用地面鉆孔爆破進(jìn)行預(yù)處理。鉆孔爆破區(qū)域總長為510 m。其中5#機(jī)組隧洞包含3個(gè)爆區(qū)，長度252 m；6#機(jī)組隧洞包含5個(gè)爆區(qū)，長度258 m。8個(gè)爆區(qū)總方量約為15 480 m3。

2.2 工程地質(zhì)

需進(jìn)行預(yù)處理的爆區(qū)巖體絕大部分是花崗巖，變質(zhì)巖極少，個(gè)別地層存在片麻巖孤石，巖體以中等風(fēng)化、微～未風(fēng)化為主，局部分布有強(qiáng)風(fēng)化薄層。整個(gè)區(qū)域巖體較為完整，無明顯破碎帶，巖體級別為Ⅲ～Ⅳ級。

2.3 參數(shù)設(shè)計(jì)

本工程屬于無自由面的巖石松動(dòng)爆破，采用不耦合裝藥方式，利用導(dǎo)爆索和導(dǎo)爆管混合起爆網(wǎng)路。炸藥單耗可由下列經(jīng)驗(yàn)公式求得：

(4)

式中：ρw為裝藥密度；D為炸藥爆速；n為爆生氣體碰撞孔壁產(chǎn)生的應(yīng)力增大比值，一般取值為8～11；ε為常數(shù)，本工程取2.1。

根據(jù)巖石的力學(xué)性質(zhì)以及所選用的炸藥，計(jì)算出炸藥單耗為2.1 kg/m3。由本工程的現(xiàn)場實(shí)際情況并結(jié)合一期工程爆破經(jīng)驗(yàn)，爆破參數(shù)設(shè)計(jì)如下：孔徑：D=90 mm；孔深：根據(jù)隧洞埋深，L=23.0～25.0 m；超深：根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式(8～12)D，取h=1.0 m；填塞高度：根據(jù)隧洞埋深，L1=17.0～18.5 m；抵抗線：不耦合裝藥按照(15～25)D計(jì)算，考慮到炮孔較深且無自由面，巖石夾制力較大，取W=1.0 m；孔距a：按照m×W計(jì)算，其中m≥1，取a=1.0 m；排距b：按照(0.8～1.0)a計(jì)算，并結(jié)合一期經(jīng)驗(yàn)，取b=1.0 m；總排數(shù)：511排；炮孔總數(shù)：3 577個(gè)。各孔裝藥量如表3所示。

表3 裝藥量

裝藥結(jié)構(gòu)和起爆網(wǎng)路如圖2、圖3所示。

圖2 裝藥結(jié)構(gòu)Fig.2 Charge structure

圖3 起爆網(wǎng)路Fig.3 Initiation circuit

本工程爆破采用的是爆轟波碰撞聚能技術(shù)，加之炮孔較深，且各孔裝藥量不同，因此需提前加工藥包。藥包制作前應(yīng)先將乳化藥卷捋直，將導(dǎo)爆索對稱布置在藥卷兩側(cè)，用捆扎帶或防水膠帶將導(dǎo)爆索和藥卷捆扎在一起，每個(gè)藥包至少捆扎三箍，如圖4所示。藥包制作應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)方案進(jìn)行，技術(shù)負(fù)責(zé)人須對每個(gè)制作完成的藥包進(jìn)行檢查，確認(rèn)合格后方可將藥包裝進(jìn)炮孔。裝藥過程中，作業(yè)人員應(yīng)做到輕拿緩下，確保藥包裝至設(shè)計(jì)位置。作業(yè)結(jié)束后應(yīng)對臨近建筑物進(jìn)行防護(hù)，并用沙袋、竹片、鋼絲網(wǎng)等對爆區(qū)進(jìn)行覆蓋。

圖4 藥包制作Fig.4 The manufacture of explosive packs

2.4 質(zhì)量保證措施

1)炮孔位置采用GPS定位放樣，用紅漆在地面標(biāo)出炮孔圓心位置，放樣完畢后用卷尺復(fù)測相鄰炮孔間距，保證孔距、排距符合設(shè)計(jì)要求。

2)鉆孔前場地應(yīng)進(jìn)行壓實(shí)平整，嚴(yán)格檢查鉆機(jī)的平整度和鉆桿的垂直度，由于地層中有孤石存在，因此，應(yīng)在鉆桿上加裝扶正器，以保證炮孔的垂直度。鉆孔過程中應(yīng)低速鉆進(jìn)，隨時(shí)檢查鉆桿是否偏斜，如有偏差及時(shí)調(diào)整，保證炮孔偏斜誤差不超過1.5%。

3)將制作好的藥包下至孔底后，確保導(dǎo)爆索延伸至孔外不少于30 cm。填塞前先將空沙袋捅至炮孔內(nèi)設(shè)計(jì)填塞深度，之后再用巖屑和瓜子石慢填至孔口。

4)爆破網(wǎng)路嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)方案連接，連接完成后由專門人員進(jìn)行檢查，防止出現(xiàn)錯(cuò)連、漏連現(xiàn)象，保證連接質(zhì)量。

2.5 爆破安全驗(yàn)算

爆破振動(dòng)速度計(jì)算公式為

(5)

式中：v為爆破振動(dòng)速度；K、α為與地質(zhì)地形有關(guān)的系數(shù)，本工程取K=150，α=1.5；R為到被保護(hù)物的最近距離；Q為最大單段藥量。

被保護(hù)物為距離爆區(qū)27 m的高壓線塔基礎(chǔ)，根據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB 6722-2014)[10]，對高壓線塔基礎(chǔ)的爆破振速按4.5 cm/s控制?？紤]到炸藥埋深較深，R取藥包中心到高壓線塔基礎(chǔ)的直線距離，即R=34 m。經(jīng)計(jì)算爆破振動(dòng)速度v=2.87 cm/s，符合要求。

3 爆破效果分析

高壓線塔基礎(chǔ)混凝土控制參數(shù)為4.5 cm/s；一期工程TB/TC主開關(guān)站控制參數(shù)為0.2 cm/s。爆破振動(dòng)監(jiān)測反饋的結(jié)果表明對高壓線塔基礎(chǔ)的振速水平徑向峰值為1.46 cm/s，垂直向峰值為1.70 cm/s，有害效應(yīng)均在可控范圍內(nèi)。振速監(jiān)測結(jié)果如表4所示。

表4 振速監(jiān)測結(jié)果

爆破結(jié)束后對預(yù)處理的巖體鉆芯取樣，比較不同情況下巖體的鉆芯尺寸。通過測量可知：采用中心起爆時(shí)，巖芯最大尺寸為27 cm，且大部分巖芯尺寸在12 cm以上；采用碰撞聚能起爆時(shí)，巖芯最大尺寸在18 cm左右，大部分巖芯尺寸在11 cm以內(nèi)，如圖5所示。通過對比，后者利用爆轟波碰撞聚能能夠明顯提高巖石的破碎程度，其形成的最大尺寸巖塊也不足以導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)“卡盤”，從根本上解決了盾構(gòu)掘進(jìn)效率低的問題。

圖5 鉆芯取樣Fig.5 Core sampling

4 結(jié)語

1)爆轟波碰撞聚能技術(shù)能夠通過爆轟波在炸藥中的碰撞，使孔壁局部爆轟壓力增大，增加巖石裂隙的數(shù)量和尺寸，縮短爆破作用時(shí)間。

2)盾構(gòu)施工中利用爆轟波碰撞聚能技術(shù)能有效地提高巖石破碎程度，從而降低盾構(gòu)機(jī)卡盤、變形甚至損壞的風(fēng)險(xiǎn)，提高掘進(jìn)效率。

3)在堅(jiān)硬巖石或有孤石的不均勻地層中，采用爆轟波碰撞聚能爆破技術(shù)是可行的，尤其是在環(huán)境復(fù)雜、工期緊的爆破項(xiàng)目中具有一定優(yōu)勢。