陳運波，張 建，彭隔年，周 琪，賀 睿

(1.中鐵五局集團有限公司，湖南 衡陽 420002； 2.中南大學，湖南 長沙 410083)

0 引言

隨著經濟發(fā)展和城市現代化建設，我國高速鐵路規(guī)模越來越大[1]。作為高速鐵路的一個重要組成部分，隧道無論是座數或是長度的規(guī)模均在逐漸擴大，結構設計和施工難點也在逐步增加。建設期間，隧道通常會采取鉆爆法施工[2-4]，為此，許多學者開始了爆破參數的研究工作[5-9]。

裝藥結構是影響爆破效果的重要因素[10-11]。付強[12]發(fā)現，空氣不耦合裝藥結構具有緩沖爆炸沖擊波的作用，使作用于炮孔壁的沖擊波強度減小，作用時間增長，從而提高爆破效率。張理維等[13]發(fā)現，炮孔連線間巖體的損傷程度隨孔間距增大而減小，損傷區(qū)由貫通變?yōu)椴回炌ā?/p>

爆破作用效果受裝藥結構、巖體性質等多種因素影響，既有分析很少裝藥結構在凝灰?guī)r中的作用效果，而盲目套用既有研究成果很可能會導致爆破效率低或材料浪費等現象。為向浙江省奉化市鮑村隧道的順利施工提供指導，根據前人的研究成果，針對凝灰?guī)r的爆破效果開展研究，分析不同的徑向不耦合系數、炮孔間距對硬巖光面爆破的影響，并結合現場情況對所提出方案進行了驗證。

1 工程概況

1.1 工程簡介

鮑村隧道為新建雙線鐵路隧道,起于奉化市溪口鎮(zhèn)深坑新村附近，止于尚田鎮(zhèn)張家灘村附近。該隧道緊鄰5A級國家重點風景名勝區(qū)溪口風景區(qū)。隧址區(qū)為中低山地貌區(qū)、山體陡峻，流水侵蝕切割劇烈，地形起伏較大。隧址區(qū)最大標高為712 m，植被較發(fā)育。該隧道全長10 360 m，最大埋深約512 m，洞身穿越地層主要為Ⅱ級、Ⅲ級弱風化熔結凝灰?guī)r，隧道最大開挖面積達255 m2，采用鉆爆法施工。

1.2 工程特點

由于地質環(huán)境及爆破荷載作用復雜，降低圍巖爆破損傷與追求快速高效爆破施工間的矛盾仍是當前硬巖隧道爆破施工中亟待解決的問題之一[14]。因此，通過數值仿真的方式，研究不耦合間距、炮孔間距對隧道施工的影響，以此對隧道施工提供參考。

2 數值模型

為向鮑村隧道工程的爆破施工提供指導，運用ANSYS/LS-DYNA建立有限元模型，研究周邊眼徑向不耦合系數和炮孔間距對爆破效果的影響。

2.1 模型參數

隧道爆破施工時，炸藥爆炸產生的巨大能量使得巖石處于大應變、高應變率和高壓力狀態(tài)。HJC材料模型包括強度模型、狀態(tài)方程和損傷模型等三部分，能夠較好地描述爆破期間巖體的變形。使用MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CONCRETE關鍵字對HJC本構模型進行定義，如表1所示。炸藥選用隧道爆破中常用的2號巖石乳化炸藥，用LS-DYNA關鍵字*MAT_HIGH_EX-PLOSION_BURN，狀態(tài)方程使用關鍵字段*EOS_JWL來定義，如表2所示?？諝獠牧喜捎藐P鍵字*MAT_NULL，采用線性多項式狀態(tài)方程*EOS_LINEAR_POLYNOMIAL進行描述，如表3所示。

表1 凝灰?guī)rHJC本構模型參數表

表2 2號巖石乳化炸藥材料參數

表3 空氣材料參數

2.2 計算模型

本研究主要分析了徑向不耦合系數和炮孔間距等對爆破效果的影響。為節(jié)省計算時間，模型采用厚度為一個單元尺寸的準三維“薄片性”計算模型，單元類型為3D Solid164，網格劃分采用映射劃分方式。模型的左、右兩側邊界分別施加X向位移約束，上、下兩側邊界分別施加Y向位移約束，厚度方向施加Z向位移約束，四周添加無反射邊界條件。

炸藥和空氣采用ALE網格建模，單元使用多物質算法。巖石采用HJC的損傷本構，用Lagrange網格建模。巖石與炸藥和空氣之間的相互作用通過定義耦合算法來實現。

在分析徑向不耦合對爆破效果影響的過程中，巖體采用單孔爆破，線裝藥密度設定為0.25 kg/m。模型直徑為300 mm，炮孔位于模型中心位置，藥卷直徑為32 mm。通過改變炮孔直徑來調整不耦合系數的大小。不耦合系數kd依次設定為1.0，1.5，2.0，2.5和3.0。

在分析炮孔間距對爆破效果的影響時，模型體尺寸為300 cm×300 cm×1 cm，炮孔在模型中左右對稱位置，設置中心起爆。藥卷直徑為32 mm，炮孔直徑為64 mm(即設定徑向不耦合系數kd=2.0)，并保持不變，通過改變炮孔間距的大小，計算工況設定間距E為45 cm，50 cm，55 cm，60 cm四種。

基于上述模型計算結果，進一步建立半斷面隧道模型，如圖1所示。模型的整體尺寸為20 m×14 m，隧道輪廓簡化為半徑為8 m的半圓形，周邊眼共43個，周邊眼間距為50 cm，光爆層厚度為70 cm，周邊眼炮孔直徑D為6.4 cm，藥包直徑d為3.2 cm，裝藥方式采用徑向不耦合裝藥結構，徑向不耦合系數為2.0，周邊眼線裝藥系數為0.25 kg/m。

3 基于損傷理論的爆破參數研究

3.1 徑向不耦合系數

圖2給出了不耦合介質分別為空氣和水，徑向不耦合參數依次為1.0，1.5，2.0，2.5和3.0時，熔結凝灰?guī)r在炸藥起爆后的有效應力和損傷云圖。

由圖2可知，空氣耦合時，不耦合系數對爆炸應力波傳播、裂紋擴展的影響較大。隨著不耦合系數的增大，爆轟波傳播至孔壁的阻隔作用較小，孔壁壓力減小，但是裂紋數目更多，開裂更明顯。引入損傷度(D)來表征圍巖損傷程度：壓碎區(qū)(D=1)、裂隙區(qū)(0

3.2 炮孔間距

該分析工況設定為炮孔間距E依次為45 cm，50 cm，55 cm，60 cm四種，圖3是各個工況下的應力和損傷云圖。

由圖3可知，應力波以柱面波的形式向四周擴散傳播，爆破機理與單孔爆破類似，在一定范圍內形成粉碎圈、破裂區(qū)、震動區(qū)。沖擊荷載壓力先作用在炮孔孔壁上，并在一定范圍內形成粉碎圈；應力波向遠處傳播，衰減再衰減，當應力波傳至炮孔中心時，拉伸應力超過巖石的動態(tài)抗拉強度時，便會產生裂隙，即兩個炮孔之間會形成貫通裂紋，從而達到爆破效果。

研究中凝灰?guī)r的抗拉強度σt=4 MPa。巖體的動態(tài)抗拉強度約為靜態(tài)時的1倍～10倍。為保證爆破效果，取定巖體的動態(tài)抗拉強度為16 MPa。現提取將各工況下(E為45 cm，50 cm，55 cm，60 cm)炮孔附近的單元的，統(tǒng)計其拉應力峰值，分別為19.0 MPa，17.8 MPa，16.0 MPa，14.3 MPa。由此得知，耦合介質為空氣時，當炮孔間距大于55 cm時，中心測點單元所受拉應力峰值已經小于16 MPa，不能引起巖體破壞，影響爆破效果。故可得出：在該種模擬條件下，空氣耦合裝藥形成貫穿裂縫應保證炮眼間距小于55 cm?？紤]爆破后形成的巖體塊度，測點單元所受拉應力峰值在16 MPa比較合理，此時巖體所受拉應力不會致使巖體發(fā)生粉碎性破壞，形成粉塵，避免造成能量的浪費；同時，爆破形成的巖體塊度比較均勻，不至形成大塊造成出渣困難。基于上述考慮：空氣耦合裝藥炮眼間距為55 cm。

3.3 全斷面周邊眼爆破模擬

圖4為爆破成型效果圖，其中，圖4(a)是完整巖體最終爆破效果圖，隧道爆破后，在重力或者輕微擾動的作用下，部分已經臨空的巖體單元會掉落并堆積在地面，在清理這些巖塊后，得到的隧道輪廓圖如圖4(b)所示。

從圖4(a)可以看出，炸藥爆炸后，在爆炸應力波和爆生氣體的共同作用下，周邊眼各炮孔間已形成較好的貫穿裂縫。爆炸應力波傳播到光爆層的內輪廓自由面時發(fā)生反射并形成反射拉伸應力波，雖然反射波的強度較低，但由于巖體的抗拉強度遠低于抗壓強度，在反射應力波的拉伸作用下，光爆層巖體形成“片落破壞”。從圖4(b)可知，爆破結束后形成的隧道開挖輪廓線與設計輪廓線基本吻合。

根據《錨桿噴射混凝土支護設計施工規(guī)定》，選擇徑向超挖差ΔR和超挖面積ΔS評定隧道爆破成型效果的好壞，如表4所示。

表4 爆破成型效果評定表

由圖4條件下隧道爆破最終輪廓的最大超挖差ΔR為0.133 m，超挖面積ΔS為0.691 m2，可知隧道爆破成型效果好。

4 現場應用效果

采用上述推薦參數情況下，鮑村隧道Ⅱ級弱風化熔結凝灰?guī)r段的現場爆破效果如圖5所示，從圖5中可以看出優(yōu)化后輪廓線平整，極大地改善了局部的超欠挖，降低了造價，既達到了良好的爆破開挖效率，同時也控制了巖體振速，使隧道爆破對周邊環(huán)境的影響在允許范圍內。爆破結束后形成的隧道開挖輪廓線與設計輪廓線基本吻合，說明周邊眼爆破參數是合理的。

5 結語

1)合理增大徑向不耦合系數能夠有效地減少炮孔周圍的損傷。在施工過程中既要保證足夠的爆破方量也要減小圍巖對周邊巖石的損傷。

2)針對熔結凝灰?guī)r地層，建議施工期間炮孔的徑向不耦合系數kd=2.0，考慮爆破后形成的巖體塊度，并保證周邊眼炮孔連線之間巖體充分破碎，建議施工期炮孔間距E=55 cm。

3)爆破方案優(yōu)化后，隧道輪廓線平整，極大地改善了局部超欠挖，降低了造價，爆破形成的隧道開挖輪廓線與設計輪廓線基本吻合，達到了良好的爆破開挖效率，說明周邊眼爆破參數是合理的。