液压劈裂技术在隧道静态破碎开挖中的应用

何 方

(中铁二十四局集团福建铁路建设有限公司厦门分公司，福建 厦门 361009)

0 引言

21世纪是地下空间开发的时代，在交通运输方面主要体现为隧道交错、下穿建筑物的情况增多。当新建隧道与邻近建筑距离过近，不论采用何种施工手段难免会对既有建筑造成不同程度的损害，危及既有建筑物的安全[1]。尤其是采用钻爆法施工时，如何减轻和控制爆破振动对既有建筑的影响已成为地下工程建设的难点。

静态破碎技术作为近年来发展起来的一种切割或破碎岩石和混凝土材料的新方法液压劈裂技术，传统静态爆破技术依靠静态破碎剂填充在岩石或混凝土的孔内，利用破碎剂产生的膨胀压力使岩石或混凝土开裂破碎[2]，因其施工过程简便安全、施工期可控、无震动、无飞石等优点广泛应用于隧道掘进、矿山巷道、开挖基础等工程中[3]。目前，国内外众多学者对于静态破碎技术的破岩机理进行了大量的研究。高阳等[4]采用真三轴压力机对石灰岩试样进行三轴应力下静态破碎试验，研究岩石静态破碎过程中裂纹演化规律，并利用声发射空间定位技术对静态破碎过程中裂纹起裂与扩展进行监测。S.Arshadneja等[5]基于有限元方法模拟了静态破碎过程中的裂纹发展过程，并通过多项式回归分析对静态破碎中孔间距的经验模型进行修正。S.B.Tang等[6]利用有限元方法和损伤力学模拟了膨胀水泥在孔眼中裂纹的产生和扩展，并与实验结果进行对比，阐明了在膨胀压力作用下非匀质材料的断裂机理。姜楠等[7]通过对大孔径静态破碎的实验研究，计算了在静态破碎时钻孔周围岩石介质中的应力分布，得出了在大孔径的条件下更有利于提高膨胀压力的结论。翟成等[8]基于静态破碎，通过单孔破碎、双孔破碎、导向孔破碎试验对静态爆破布孔及致裂效果进行了相关研究。周云涛等[9]采用等效方法提出了基于岩体破裂单元的静态爆破断裂力学模型。郝兵元等[10]通过单轴应力状态下的石灰岩静态破碎试验，利用声发射技术来实现对静态破碎过程中裂纹起裂与扩展的监测，建立了作用力与裂纹扩展半径的关系。李瑞森等[11]研究了静态破碎过程中径向膨胀压应力沿孔深方向的分布，探究了孔径、孔深、约束程度对径向膨胀压应力大小的影响规律。丁王飞等[12]将静态控制爆破技术与断裂力学有效结合，提出了边坡岩体清除的静态爆破物理模型和断裂力学模型，给出了边坡斜孔裂纹尖端应力强度因子的计算公式。刘军伟等[13]依托实际工程，通过现场实验结合施工进度、安全等各方面因素探讨了在隧道静态开挖工程背景下液压劈裂机、铣挖机、液压破碎锤等多种施工方法的适用性。袁博等[14]在坝体槽挖中通过采取利“绳锯机+无声破碎剂”相结合的静态开挖方案，有效控制了设计开挖体型，保证了预留坝体结构的完整、安全。李新继等[15]在石方开挖爆破工程临近既有铁路的高边坡中，根据路堑距既有铁路远近进行分区，确定预留隔墙浅孔小台阶延时松动控制爆破和静态破碎机械配合开挖的方案，有效地控制了爆破飞石、滚石及爆破振动等有害效应。

但是，传统的静态破碎技术在施工中面临着一些难以解决问题，如静态破碎剂水化时间长导致施工单循环周期较长、对场地临空面要求高、破碎效果受地下水和温度影响大，另外施工过程中有喷浆和强碱性危害等因素影响较多，尤其是在如隧道地下施工环境特殊的工况下，受地下水的影响，采用静态破碎剂破碎岩石的效果很差，难以达到预期的效果。随着工业的发展，静态破碎技术也向着机械化方向发展，如发明的液压劈裂机最早是应用在石材开采和建筑拆除上，但随着近年来市面上一些大劈力液压劈裂机的出现，工程上也开始将液压劈裂技术作为隧道开挖[16]、地铁建设[17]、煤块开采[18]等的静态施工方案，并取得了良好的经济和社会效益。但是液压劈裂技术作为静态破碎技术的一个重要补充，目前关于液压劈裂技术在隧道建设方面的应用以及其破岩机理还鲜有研究。基于此，本文对岩石在液压劈裂作用下的破坏机理进行了理论分析，解释了静态破碎钻孔裂纹扩展机制，并应用于厦门市轨道交通3号线隧道下穿鹰厦线铁路施工的工程实践上。

1 液压劈裂技术的施工工艺

液压劈裂技术的实现主要依赖于液压劈裂机的使用，市面上常见的劈裂机由液压缸、活塞杆、控制阀、输油管、楔块等组成(图1)，可直接安装在挖掘机上，以挖掘机自带液压系统作为驱动源。施工时通过在工作面上打孔后将劈裂机的劈块端置入孔内，再通过液压动力站输出的超高油压而产生的巨大推动力，

图1 液压劈裂机

来驱动楔块组中的中间楔块向前伸出，推动劈块向两边扩张，从而在孔壁上造成强大的扩张力来致使岩石破裂。

液压劈裂技术在隧道内实施的主要步骤如下：

1)新临空面的形成。由于在隧道掘进中通常只有一个临空面的存在，在这种情况下直接采用液压劈裂机破碎岩石往往达不到预期的破碎效果，故可先在隧道的掌子面中部或沿外轮廓周边通过连续咬合钻孔来形成新的临空面。

2)钻孔施工。采用高压潜孔钻在掌子面上进行钻孔，钻孔的深度、大小以及间距应当根据现场的岩质特性、施工断面和液压劈裂机的型号等来确定。

3)加载胀裂岩石。钻孔完成后可置入劈裂机对岩石进行破碎施工，各孔眼的胀裂应当存在着一定的先后顺序，一般可以从创造的临空面附近开始，逐层进行加载破碎。

4)二次破碎，出渣。利用劈裂机加载后，掌子面上的岩体将形成裂隙网，为方便出渣运输可以采用破碎锤进行二次破碎，将其破碎为合理的块度。

2 液压劈裂技术的破岩机理

2.1 破坏范围

液压劈裂机在隧道掌子面上工作的受力模型可简化为图2，在岩体内钻设一孔眼，半径为r0，钻孔深度为d。取钻孔中心轴线为Z轴，垂直于Z轴平面内的任一点位置用径向座标r及环向座标θ来表示。

图2 劈裂机工作示意图及孔壁受力模型

当液压劈裂机开始工作时，在液压动力的推动下中间楔块向下挤压，迫使两边劈块向外扩张，在孔壁上形成一扩张压力q，在扩张压力的作用下，沿径向向外发散受压呈现压应力区，根据图2孔壁的受力状态由弹性力学理论，在该受力条件下岩石中的应力分布可用公式(1)表达：

(1)

式中：σr为径向应力，σθ为环向应力，τrθ为剪应力，τθr为环向剪切应力，σZ为轴向应力，r为垂直于钻孔中心轴线平面内的任一点位置距炮孔的距离，r0为炮孔半径，q为扩张压力，μ为岩石泊松比。

由式(1)可见，在加载过程中岩石主要在径向承受压应力，环向承受拉应力，呈现出拉压混合的受力状态，应力的大小在随着距离的增大而减小，并且最大拉应力和压应力出现在孔壁上(r=r0)。而岩石属于脆性材料，抗拉强度明显低于抗压强度，故实质上劈裂机破岩的过程是岩石被拉坏的过程。

由式(1)可得岩石中任一点的应力强度：

(2)

岩石属于脆性材料，抗拉强度明显低于抗压强度。根据Mises准则，当σi满足公式(3)时，则岩石破坏。

σi≥σt

(3)

式中：σt为岩石单轴抗拉强度。

岩石在拉伸应力作用下，将形成受拉破坏的裂隙区即破坏范围，根据环向拉伸应力不小于岩石抗拉强度的条件，利用式(1)、(2)和(3)，可得出裂隙区半径Rt为

(4)

2.2 开裂方向

岩石破坏的宏观表现即裂纹的出现，通常随着应力的增大，微裂纹率先在孔壁上出现，并且随着继续加载，裂纹将像尖劈一样进一步扩张与延伸。由于静态破碎时采用劈裂机施工，各孔眼的加载存在一定的先后顺序，当某一孔眼施工时，周围空孔的存在将导致应力集中的现象发生，使得空孔附近的应力值明显大于无空孔时该处的应力值，即空孔效应(图3)[19]。

图3 空孔效应

由图3可见，当加载孔受力时，应力波传到空孔处，空孔的存在将使该处的应力值明显大于无空孔情况下的应力值，根据弹性力学理论，空孔附近的应力状态可以表示为[20]

(5)

式(5)中：σrr、σθθ、τrθ为空孔效应下B孔附近的径向应力、切向应力和剪切应力，rB为岩石中任一点到空孔中心的距离，θ为任意方向与孔间连线的夹角。

由式(5)分析可得：B孔周围最大拉应力出现在相邻两孔的连线方向上[10]，即θ=0，±π；由于应力值随着rB的增大而减小，故当r0=rB时，即最大拉应力出现在两孔连线方向B孔的孔壁上，其值为

σθθ=3σθ+σr

(6)

综上分析可知，由于空孔的存在，导致加载时周围岩石中的应力值将相较于单孔时得到提高，且在两孔连线上这种提高最为明显。而较大的应力值也就表明在该处将最先达到岩石的抗拉强度，导致岩石破坏，故岩石的开裂将沿着两孔连线方向扩展，空孔对裂纹的扩展具有一定的导向作用。在施工时为了减少后续修边以及二次破碎的工作量，可以根据裂纹的扩展方向可针对布孔形式进行优化。

2.3 裂纹的扩展条件

液压劈裂机加载后能否在孔间形成贯通裂纹在很大程度上影响着静态破碎的效果，当宏观裂纹产生后，此时的受力模型发生了根本变化，岩石成为裂纹体，根据断裂力学理论，当裂纹尖端的应力强度因子达到岩石的断裂韧度，裂纹便能继续扩展下去。岩石裂纹扩展的模型可视为孔内承受内压两边有边裂纹(图4)，其应力强度因子[21]：

(7)

式中：KI为应力强度因子；a为裂纹长度；F为边界修正因子，可根据a/r0的比值确定。

图4 裂纹扩展模型

由式(7)，可得裂纹的扩展条件：

(8)

式中：KIC为岩石断裂韧度。

岩石断裂韧度与岩石的材料性质直接相关，可由公式(9)确定[22]：

KIC=0.0265σc+0.0014

(9)

式中：KIC为岩石断裂韧度，单位为MN·m-3/2；σc为岩石单轴抗压强度。

故可由式(9)得出，在布孔间距为L，为满足孔间能形成贯通裂纹即L=2a的情况下，由劈裂机产生的分裂力q还需满足公式(10)：

(10)

3 布孔形式

布孔形式是静态破岩过程的重要设计参数，包括了钻孔孔径大小、深度以及布孔间距的确定。布孔形式的好坏将直接影响到静态破碎的效果以及施工效率，在制定时应当根据现场的岩质特性、劈裂机型号和施工环境等来综合考虑。其中钻孔的孔径和深度主要取决于劈裂机楔块组的几何尺寸，一般在劈裂机的工作参数中会标示出该型号正常工作所需的孔径大小和深度要求。

而对于布孔间距的确定则是制定施工方案时应当着重考虑的环节，当孔距布置太大时，往往达不到预期的破碎效果，导致二次破碎的工作量加大，另外孔距也不宜布置太小，因为在静态破岩过程中孔眼的打设需要花费大量的时间，从而影响施工进度。在确定布孔间距时，可以根据裂隙区的形成半径，确定静态裂解的破坏范围，根据式(4)可以对布孔间距做出基本估计，即孔眼间距L应满足式(6)。

(11)

由式(11)可见，孔距的确定与劈裂机所能产生的扩张压力有关，当扩张压力较大时，布孔间距也可随之加大；与岩石的力学性质有关，且随着岩石单轴抗拉强度的增大，布孔间距应相应减小；以及与钻孔的孔径有关，且随着孔径的增大，布孔间距也随之增大。

在具体施工中，布孔方案应当根据具体工程的地形地质、周围环境、施工手段等条件各异，但主要应当遵循以下原则和方法：

1)为保证劈裂效果和加快施工进度，开挖时应当尽量采用上下台阶法开挖，增加施工时的临空面，钻孔时上台阶孔眼垂直掌子面的，由于上台阶的开挖为下台阶提供了竖向作业面，所以下台阶竖向打设钻孔。

2)根据断面大小、现场岩质条件以及劈裂设备性能调整好布孔间距，各类孔眼的布置时应当满足的顺序是：首先根据断面形状布置好隧道周边轮廓线的劈裂孔，再从外向里布置劈裂孔，保证劈裂后形成的轮廓线符合设计要求，减少修边工作。

3)为保证劈裂效果布孔时各孔眼应尽量互相平行，间距一致，孔底落在同一平面上，均匀地分布在断面上。

4 工程实例

4.1 工程概况

厦门市轨道交通3号线创业桥站—安兜站区间隧道下穿鹰厦线铁路施工，隧道下穿既有铁路施工，工程环境复杂，施工风险性高，制约因素也多，由于钻爆法爆破过程中对地表产生的振动以及变形难以保证施工期间地面铁路线的安全运营，故在下穿区间拟制定静态破碎方案。根据现场实测，区间隧道场地以微风化花岗岩为主，岩石完整性较好，单轴抗压强度σc=125.2 MPa，单轴抗拉强度σt=4 MPa。

4.2 方案制定

根据围岩情况以及开挖断面的特点，隧道采用上下台阶法开挖。所选用的劈裂机型号为博奥FL300，工作特性和性能参数见表1。

表1 FL300劈裂机工作特性与性能参数

对于布孔形式先按设备要求钻孔直径和深度分别取115 mm、1500 mm。对于布孔间距按式(10)将各参数代入计算得

(12)

施工中取整按布孔间距500 mm来实施。

另外根据上述理论，验算在该孔距下分裂力是否满足孔间形成贯通裂缝的条件。先由式(6)确定该工况下岩石断裂韧度为

(13)

则在布孔间距为L=500 mm的情况下，由劈裂机产生的分裂力q需满足：

(14)

式中，对于a/r0≈4.35，可取边界修正因子F=0.2。

而由劈裂机产生的理论分裂力可达45 MPa，满足孔间形成贯通裂缝的条件，故确定布孔间距为500 mm。

布孔参数确定后，根据断面形式制定具体的施工方案。由于采用台阶法开挖，为保证静态破碎的效果，在施工时应先在上台阶创造新的临空面，通过沿隧道轮廓线内50 cm采用φ200 mm潜孔钻成孔，间距40 cm，孔与孔之间残留的岩块用φ160 mm水磨钻取岩心，形成连续的临空带。再用风动凿岩机在上台阶钻设孔眼，钻孔与掌子面垂直，钻孔孔径115 mm，深度1500 mm，孔距500 mm，采用梅花型布置。孔位布置见图5。

上台阶开挖后为下台阶打孔提供了竖向钻孔的作业面，故施工时可以对下台阶进行分层开挖，每层高1.5 m，采用凿岩机在台阶面上打设垂直孔，孔径115 mm，深度1500 mm，孔距500 mm，布孔形式见图6。

4.3 破碎效果

经过现场试验，岩石经劈裂机加载后的破碎效果良好(图7、图8)。从图7、图8中可以看出，由于周围空孔的存在，加载后裂纹出现在钻孔的两边上并沿着孔间连线的方向发展，且单孔加载后裂纹的扩展长度超过了布孔间距的1/2，保证了在相邻孔眼加载后能够在孔间形成贯通的裂纹，达到静态破碎的要求，也从中表明了现场施工的实际效果与理论推导结果吻合良好，证明了该理论的适用性。

图5 上台阶布孔形式

图6 下台阶布孔形式

图7 单孔加载下裂纹扩展效果

图8 孔内开裂情况

5 结论

本文以弹性和断裂力学的基本理论为基础，对隧道静态破碎过程中液压劈裂技术的破岩机理进行了分析，并提出了施工参数中布孔形式的确定方法并应用在实际工程上，得到以下结论：

1)由应力分布可知，在劈裂机加载作用下岩石呈拉压混合状态，通过利用岩石抗拉强度明显小于抗压强度的特点来达到破碎岩石的目的；在加载过程中，岩石将率先在孔壁上出现微裂纹，并且随着继续加载，裂纹将沿着相邻两孔连线上发展，故空孔的存在对裂纹的扩展具有一定的导向作用。

2)施工中布孔间距的大小与劈裂机所能产生的分裂力、现场的岩质条件以及孔径有关，当分裂力和孔径较大时可加加大孔距，加快施工进度；但当岩石单轴抗拉强度较大时应相应减小孔距。

3)将液压劈裂施工技术应用在厦门轨道交通3号线创业桥站—安兜站区间隧道下穿鹰厦线铁路段工程上，结合现场岩质条件和岩石破碎理论优化了静态开挖设计参数，取得了良好的破碎效果，为今后同类型工程提供一些宝贵经验。