聚能爆破在隧道开挖成型控制中的仿真试验研究❋

熊炎林 种玉配 齐燕军 刘书奎

①中铁隧道局集团有限公司勘察设计研究院(广东广州，511400)

②中国矿业大学力学与土木工程学院(江苏徐州，221116)

引言

近年来，我国不断加大基础设施投资建设力度，使得铁路、公路、地铁隧道工程的建设规模不断飞速发展，特别是西部地区发展更快。水平岩层是目前隧道施工作业中经常遇到的一种地质构造。在水平岩层的超欠挖控制技术中，光面爆破是一个关键的技术节点。隧道光面爆破如果处理不好，隧道拱顶会出现大面积平顶、落石、塌顶等现象，不仅直接影响隧道的光面爆破效果，还会影响隧道的围岩稳定性、初支支护的数量以及二衬混凝土的工程量，增加工程投资[1-3]。

王飞等[4]分析了水平岩层隧道的超挖与爆破作业扰动、开挖应力释放、地下水影响等因素均有关系。周宴成[5]以柳林隧道为例，通过将周边眼间距70 cm调小为60 cm，将单层掏槽眼改变为三层掏槽眼来控制隧道爆破成型。陈旺[6]以南吕梁山隧道为例，周边眼采用底部1卷炸药、中部1/3卷炸药的间隔装药结构来提高光面爆破效果。侯小军[7]以横山隧道为例，遵循短进尺、弱爆破、多分段次微差爆破，减少对围岩的扰动，加快了施工进度。冯海暴等[8]优化最大一段允许爆破装药量，将周边眼外插角控制在2°以内，隧道一次性开挖平均合格率从67.4%上升到83.9%。刘东等[9]从地质条件、钻孔精度、测量放线、爆破技术和现场管理5个因素提出了控制隧道超欠挖的技术措施。肖云华等[10]提出隧道围岩超欠挖曲线分形维数与节理间距、节理走向、洞轴线成双对数线性关系。申洪雨[11]通过精细计算光爆层厚度、周边眼密集系数、装药量，提高了光面爆破效果，超挖量减少了15%。以上学者主要通过改变起爆间隔、周边眼装药、布置参数来提高光面爆破效果。

本文中，针对段家坪隧道，采用数值模拟和现场试验对聚能爆破在隧道开挖成型控制中的作用进行研究，设计出一种周边眼聚能装药结构，从而提高水平岩层隧道的光面爆破效果，减少隧道爆破开挖的超欠挖量，加快施工进度，降低工程成本。

1 工程概况

段家坪隧道位于陕西省延安市宜川县境内蒙华铁路第九标段，隧道进口里程DK446+664.02，出口里程DK457+387.00，隧道全长10 722.98 m，为单洞双线隧道，最大埋深450 m，两处浅埋处最小覆土为3.5 m与14.0 m。

段家坪隧道隧址通过地层含有三叠系砂泥岩，该岩层为水平岩层，发育2至3组节理。段家坪水平岩层隧道在前期的钻爆开挖过程中，特别是在拱顶部位，出现了1～2 m的特大掉块，拱肩位置超挖严重，以及拱脚位置欠挖，极大地影响了后续工序的顺利进行，并且大面积的回填与二次爆破大大增加了工程造价。

2 数值模拟

2.1 材料单元的选取

在ANSYS/LS-DYNA中，一般采用高性能炸药材料∗Mat_High_Explosive_Burn来模拟炸药的爆轰，采用状态方程∗Eos_JWL来描述爆炸时炸药材料的压力特征，同时可以描述炸药爆炸产生的单位体积的内能、爆轰产物的压力和相对体积参数[12]。使用炸药的具体参数见表1。

一般采用∗Mat_Plastic_Kinematic来描述岩石材料，这是一种考虑了材料失效的随动硬化、各向同性以及应变率的模型[12]。砂岩的力学参数见表2。

一般采用∗Mat_Null来描述空气材料，这是一种可以描述流体和气体的材料模型，并且计算过程中可以允许状态方程忽略偏应力的影响，同时需要与状态方程∗Eos_Linear_Polynomial一起应用[12]。表3为空气主要参数。

一般采用∗Mat_Soil_And_Foam来描述塞炮泥材料[12]。表4为炮泥主要参数。

2.2 计算模型建立

如图1所示，建立三维有限元计算模型，周边眼炮眼深度为3.0 m，装药结构为分段装药，孔底预留0.2 m保护层，炮泥填塞0.4 m。模型外尺寸为0.8 m×0.4 m×3.2 m，药卷直径为32 mm，炮眼直径为42 mm，建立单孔柱状装药模型。模型上表面采用自由边界，其余的面均采用无反射边界，采用等距网格对计算模型中的炸药、岩石、空气和炮泥介质进行划分，炸药聚能结构如图2所示。

表1 炸药及状态方程主要参数Tab.1 Main parameters of explosive and state equation

表2 砂岩材料参数Tab.2 Main parameters of sandstone

表3 空气主要参数Tab.3 Main parameters of air

表4 炮泥主要参数Tab.4 Main parameters of stemming

图1 聚能爆破数值模型Fig.1 Numerical model of shaped charge blasting

图2 炸药聚能结构示意图Fig.2 Schematic diagram of the explosive charge

2.3 计算结果分析

在不同时刻下岩体的应力云见图3。

图3 不同时刻下岩石的应力云图Fig.3 Stress nephogram of rock at different times

由图3可知，在20 μs时，在聚能结构两侧岩体中首先出现较大的爆炸应力，随着时间的不断增加，在炸药周围，应力区域呈现椭圆形分布形式，聚能结构两侧分布范围较广。选取炸药周围岩体不同的节点和单元，观察岩体质点振动速度和单元应力情况。单元和节点选取如图4所示。图4中，A侧、B侧各节点距离炮孔中心距离由近及远分别为12、14、16、18 cm和20 cm。A侧距离炮孔中心最远的节点到模型A侧边界距离为20 cm。B侧距离炮孔中心最远的节点在模型B侧边界上。

图4 节点和单元位置示意图Fig.4 Schematic diagram of node and cell location

统 计每个节点的最大振动速度和每个单元的最大应力，如表5和表6所示。

绘制节点最大振动速度和单元最大应力随着距炸药中心距离的变化曲线，如图5和图6所示。

表5 不同节点的最大振动速度Tab.5 Maximum vibration velocity of different nodes

表6 不同单元的最大应力Tab.6 Maximum stress of different elements

从图5和图6可知，靠近聚能结构一侧(A侧)的围岩节点振动速度和单元应力均大于非聚能结构一侧(B侧)。爆炸瞬间，聚能结构一侧首先出现爆破破碎区和裂隙区，爆生气体能够沿着聚能结构方向扩大岩体裂隙，增加聚能结构方向的岩体破碎效果。随着与炸药中心距离的增大，岩体的质点振动速度和单元应力均不断减小，但是聚能结构方向上的节点最大振动速度和单元最大应力均大于非聚能结构一侧。

图5 节点最大振动速度随距离的变化Fig.5 Changes of maximum node vibration velocity with distance

图6 单元最大应力随距离的变化Fig.6 Maximum stress change with distance of element

3 现场试验

3.1 前期爆破效果

前期全断面开挖爆破参数如表7所示。

图7为隧道开挖断面轮廓图。正数代表超挖，负数代表欠挖。由图7可知，从拱顶开始到两侧的拱肩区域内，隧道的超挖量比较大，最大超挖量达到了108.4 cm，拱部的超挖量基本在50 cm以上，隧道开挖断面呈现出矩形形状。

3.2 聚能爆破效果

对原方案中周边眼的装药结构进行了优化改进，采用了具有对称凹槽型的聚能装药结构，如图8所示。将Ø32 cm的PVC管剖分为4等分，将其中相对的两片(图8中1#和2#)翻转180°后成凹槽形状，另外两片形状不做改变，并保留底部2～3 cm的PVC管不进行剖分，以便装药成型。将Ø32 cm药卷沿着药卷纵向剖分成两半，将其中一半塞入带有聚能结构的PVC管中，然后采用胶带对带有聚能结构的PVC管进行加固，然后放入周边眼中。

表7 全断面开挖爆破参数Tab.7 Excavation blasting parameters for full section

图7隧道开挖断面轮廓(单位：cm)Fig.7 Tunnel excavation section profile(unit：cm)

图8 PVC管加工成型效果图Fig.8 Processing and forming effect diagram of PVC pipe

聚能装药结构主要是凹槽的聚能作用，所以在入孔装药时，必须严格使相邻两个周边眼聚能装药结构中的凹槽正对隧道轮廓线，或者相邻两个周边眼聚能装药结构中的凹槽中心的连线平行于隧道轮廓线，图9为周边眼装药示意图。

图9 周边眼装药示意图Fig.9 Schematic charge of control hole

从图10可见，采用具有凹槽型的周边眼聚能装药结构以后，隧道超欠挖已经控制在一个比较合理的范围，个别部位的超挖值，如DK452+109.1里程右侧拱肩处的超挖量为20.7 cm，DK452+088.7里程右侧拱肩处的超挖量为22.9 cm，其余各位置处的超欠挖量均在15 cm左右，并且相对初始爆破方案下的最大超挖量减少了78.9%。

图10 试验段隧道开挖断面轮廓(单位：cm)Fig.10 Tunnel excavation section profile of test section(unit：cm)

图11为现场试验围岩爆破成型效果图。从图11可以看出，采用具有凹槽型的周边眼聚能装药结构以后，隧道围岩爆破成型效果很好，断面上的半圆形炮痕残存基本完整，清晰可见。

4 小结

图11 现场试验围岩爆破成型效果图Fig.11 Blasting shaping effect of surrounding rock in site test

采用数值模拟和现场试验对聚能爆破在隧道开挖成型控制中的作用进行研究，主要成果如下：

1)聚能结构一侧的围岩节点最大振动速度和单元最大应力均大于非聚能结构一侧。随着与炸药中心距离的增大，岩体的节点振动速度和单元应力均不断减小。

2)凹槽型的聚能装药结构，能够很好地控制隧道爆破开挖成型效果，隧道爆破超挖量基本控制在15 cm以内，相对原始爆破方案下的最大超挖量减少了78.9%。