对强岩爆隧道进行分区爆破卸压的设计方法

康永全，薛 里，孙崔源，郭云龙，孟海利

(中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081)

随着我国铁路事业的蓬勃发展，深埋长大隧道逐年增多，这些深埋隧道明显不同于浅部岩体的力学特征和工程响应[1]，具有地质条件复杂、构造活动强烈、地应力水平高等特点，由此带来的突发性、高能级岩爆问题最为突出。岩爆是深埋隧道在开挖过程中，破坏了原有的应力平衡状态，储存于硬脆性完整岩体中的弹性应变能突然释放的一种动力失稳现象，已成为世界性的地下工程难题之一[2]。通常情况下，防治岩爆的具体措施包括主动应力卸压和被动加强支护，其中，爆破卸压法对地质条件适应性强，操作方便，卸压效果显著，是一种基于卸压-支护耦合思想的岩爆根治性措施，应用前景十分广阔。陈寿峰等[3]利用利文斯顿能量平衡理论，提出一套高地应力条件下巷道围岩内部控制爆破卸压的设计方法，但对于爆破裂隙圈半径的计算未考虑高地应力条件。刘美山等[4]根据弱能量爆破治理岩爆的原理，提出围岩内倾斜发散孔、掌子面倾斜发散孔和围岩超前平行孔等4种爆破卸压方案，并利用常规爆破参数设计进行了现场试验，这种在隧道开挖区向四周围岩钻孔爆破的方式容易影响隧道围岩和支护结构的稳定性，现场实施安全隐患较大。蔡建德等[5]通过数值模拟研究优选了延伸辅助孔浅孔爆破卸压方案，但是这种向掌子面正前方钻孔爆破的方式容易造成掌子面前方岩体破碎，导致下一循环钻孔出现卡钻现象，影响隧道施工进度和开挖质量。目前，爆破卸压大都作为一种局部解围措施用于开挖期应力卸载，由于爆破卸压参数的选取取决于应力释放部位的确定，参数设计大多依赖于工程经验，缺乏深部岩体爆破理论指导。因此，结合深部岩体分区破裂化原理，针对长期服役隧道强岩爆地段提出一种安全高效的超前深孔分区爆破卸压技术，形成爆破卸压参数系统化设计方法，以达到施工期和运营期全时空防治岩爆的目的，具有重要的实际意义。

1 分区爆破卸压方案及理论基础

1.1 分区爆破卸压方案

随着对深部岩体力学特性的深入研究及越来越多的工程实践表明，特定条件下深地工程开挖过程中会交替出现破裂区和非破裂区的地质现象[6-8](见图1)，且分区破裂化的出现呈现一定的规律性，М.В.Курленя和В.Н.Опарин[9]通过大量试验数据和理论研究发现破裂区半径与隧道半径表现出一定的数学关系，如下式所示：

图1 深部岩体分区破裂化现象Fig.1 Zonal fracture of deep rock mass

(1)

Δri=(0.05～0.11)ri(i=1,2,3,4,……n)

(2)

式中：i为隧道发生分区破裂时，自开挖面往围岩深部出现的破裂区编号；ri为第i条破裂区距离隧道中心的半径；r0为隧道半径；Δri为第i条破裂分区宽度。

分区破裂化现象的出现实际上是深部地下工程围岩在地下开挖活动引起的高地应力下的一个自卸压的过程，围岩分区破裂的过程是围岩逐级逐层释放弹性应变能的过程，从而伴随着高应力的释放及转移。基于深部岩体出现分区破裂现象的启示，结合深部岩体爆破破碎机理，提出超前深孔分区爆破卸压防治强岩爆的方法(见图2)，人工诱导掘进前方围岩产生分区破裂，提前释放集聚的应变能，为前方未开挖岩体的应力状态调整提供触发条件，从而降低隧道周边的应力集中程度，使高应力区向深部转移，避免岩爆发生或降低岩爆烈度。

图2 分区爆破卸压炮孔布置Fig.2 Layout of zonal destress blast holes

研究及实践证明硬脆性完整岩石是岩爆发生的必要条件，因此，分区爆破卸压的作用机理就是在围岩特定位置钻孔装药爆破，利用炸药爆炸的能量，对设计部位岩体进行合理破碎，在隧道外围形成若干圈环形均匀破裂带，从而逐级释放集聚在岩体内的弹性应变能，同时人造破裂带作为地应力的“天然屏障”，改变了应力的传导路径，使隧道开挖后自然承载拱和支护结构的应力集中程度得到缓解，从根本上解决岩爆问题。卸压爆破的实质是无限体内部药包爆破作用过程，要达到理想的卸压效果，其基本的设计原则为：一是爆破参数要合理控制，避免对开挖后形成的自然承载拱产生破坏作用，保证隧道的整体稳定；二是爆破卸压裂隙带分布要尽量均匀，确保集聚应变能的有效释放。因此，卸压爆破的参数设计非常重要。

1.2 高围压作用下爆破破碎机理

1)爆炸荷载传播规律。在耦合装药条件下，岩石中的柱状药包爆炸后产生的冲击波透射入岩石中的冲击波压力可表示为

(3)

式中：p为透射入岩石中的冲击波初始压力，MPa；ρ、ρ0分别为岩石和炸药的密度，kg/m3；CP、D分别为岩石中的声速和炸药的爆速，m/s；γ为爆轰产物的膨胀绝热指数，一般γ=3。

岩石中的透射冲击波不断向外传播而衰减，最后变成应力波。岩石中任一点引起的径向应力和切向应力可表示为

(4)

σθ=-bσr

(5)

2)地应力荷载分布规律。参考文献[10]的研究，以炮孔中心为极坐标系圆心，围压作用下起爆前炮孔周围的初始应力可以表示为

(6)

(7)

式中：λ为地应力侧压系数；d为炮孔直径，m；β为极角，°。

3)爆炸荷载和地应力荷载耦合作用。根据弹性力学理论可知，在爆破开挖过程中，爆破卸载面上的径向应力迅速卸载到零，爆破冲击波峰值压力远大于地应力，因此地应力对爆破粉碎区的形成影响不大，所以粉碎圈范围可参考文献[11]中的表达式

(8)

经过粉碎圈能量耗散后，冲击波峰值压力大大降低，衰减为应力波后继续在围岩中传播，当产生的切向拉应力超过岩石的抗拉强度时，即在围岩中产生径向裂隙。在地应力荷载和爆炸荷载耦合作用下，破裂圈边界上应力平衡状态见公式(9)，由此方程可得到高地应力作用下爆破裂隙区的半径长度，理论分析证明地应力的存在抑制了径向裂纹的扩展，所以卸压爆破确定孔间距时应充分考虑地应力的影响。

(9)

式中：σct为岩石的动态抗拉强度；R2为爆破破裂圈的半径。

2 分区爆破卸压参数系统化设计

分区爆破卸压的基本思路为首先在掌子面掘进爆破孔钻孔完毕后，沿掌子面斜向前方30°～60°钻凿一圈卸压爆破孔，然后基于破裂分区宽度，确定卸压爆破孔网参数，如孔位布置、炮孔长度、炮孔倾角、装药结构等，根据岩石爆破理论确定装药参数如装药量、不耦合系数、起爆时差等，卸压孔先于掌子面掘进孔起爆，在围岩体中人为制造出一圈“柔性”防冲带，诱发围岩破裂化向深部转移，使卸压影响范围内的岩体储存的弹性能有效释放。

1)卸压爆破孔位布置。卸压爆破与隧道钻爆工序同步进行，卸压爆破孔先于掌子面掘进孔起爆进行超前卸压，沿掌子面斜向前方钻凿一圈卸压爆破孔，其在隧道轴线的投影长度等于2～3倍的爆破循环进尺，如此卸压爆破与掌子面掘进可以循环进行或间隔一个循环进行(见图3)。

图3 卸压爆破孔布置纵断面Fig.3 Vertical section of destress blasting hole layout

2)炮孔直径d。炮孔直径不宜过大或过小，可选择40～90 mm之间，具体取值应根据药卷规格、装药不耦合系数及现场钻孔机具型号确定。

3)不耦合系数K。不耦合系数的确定原则为不能在岩石中产生粉碎区，并尽量增大裂隙区的破碎程度和范围[10]，因此，可使不耦合装药爆破产生的粉碎区R1的半径等于炮孔的半径db。

(10)

式中：n为压力增大系数；K为径向不耦合系数;dc为装药半径。

由此可得到卸压爆破最佳的装药不耦合系数为

(11)

4)炮孔倾角θ。炮孔倾角根据几何关系由承载圈厚度和卸压超前长度H确定，根据理论和实践经验承载圈的厚度一般为1倍洞径大小。为保护承载圈免受爆破破坏作用，将卸压爆破装药段设置在第4和第5破裂带，可基本满足要求，如此，承载圈的厚度h=r5-r0，炮孔倾角按下式计算：

(12)

5)炮孔长度L。为了达到爆破卸压目的的同时保证隧道周边围岩的完整性，卸压爆破的最小抵抗线应满足内部药包爆破的临界深度，因此将爆破卸压区域设定在围岩发生分区破裂时形成的第4和第5条破碎带，形成双重卸压带对应力的传导进行阻隔。

(13)

6)孔距a。根据公式(9)可计算出耦合装药和不耦合装药条件下破裂圈半径的计算公式，从而确定卸压爆破的孔间距：

a=2R2

(14)

7)装药结构。卸压爆破孔装药结构采用分区轴向水袋间隔装药，利用水的不可压缩性，充分传递爆炸能量，以破坏岩体完整性和软化硬岩。考虑第5破碎带的炮孔切向作用长度要大于第4破碎带，因此第5破碎带装药采用径向耦合装药，第4破碎带装药采用径向不耦合装药。

图4 卸压爆破孔装药结构Fig.4 Charge structure of destress blasting hole

8)装药长度l。装药长度由卸压破碎带的宽度决定，可由下式确定:

(15)

9)起爆时差。卸压孔先于掌子面掘进孔100 ms起爆，使卸压爆破影响范围内的岩体有足够的时间完成应力重分布。

3 分区爆破卸压数值模拟

下面结合锦屏水电站二级引水隧洞[12]地应力条件及岩石性质进行分区爆破卸压参数设计：

1)首先确定卸压爆破的装药不耦合系数和炮孔直径。

由此计算卸压爆破的炮孔直径d=62 mm，取d=60 mm。

3)卸压爆破炮孔装药长度根据破碎带的厚度确定：

由此可确定单孔装药量Q=q1+q2=5.96 kg。

3)根据式(9)计算耦合装药条件下破裂圈的半径约为装药半径的8倍，即R2=0.24 m，可见地应力的约束作用抑制了裂纹的扩展，因此耦合装药段可考虑采用扩壶爆破的方式，以使孔间破裂区尽量贯通，卸压炮孔数量设置为9～11个，炮孔沿隧道轮廓线的间距为0.9～1.2 m。

表1 分区爆破卸压设计参数

基于以上基础条件，采用有限元软件建立隧道准二维数值模型，计算模型尺寸为30 m×30 m×1 m，模型两侧及底部边界位移约束，顶部为自由表面，岩体模型周边两侧施加水平地应力，对岩体模型顶部施加围岩自重应力，材料的物理力学参数如表2所示[13]。

表2 数值模拟岩体物理力学参数

岩爆的判别采用Barton岩爆判据，Barton认为岩爆活动由围岩的最大主应力σ1和岩石单轴抗压强度σc之比来规定，其判别关系如下[14]：

σ1/σc= 0.2～0.4 中等岩爆活动

σ1/σc> 0.4 有严重岩爆活动

从图5可以看出，爆破卸压前，在大埋深围岩自重荷载作用下，隧道拱顶及两侧边墙下部拱脚处出现明显的应力集中，开挖轮廓面附近的Barton判别系数达到0.26，发生中等岩爆活动的可能性非常大；采用爆破卸压措施后，整个隧道开挖线上Barton判别系数均有较大程度降低，特别是拱顶部位降至0.12～0.14，拱脚部位也降至0.2，发生岩爆的可能性大大降低，应力集中部位向爆破卸压部位转移，隧道轮廓面上应力分布状态得到明显改善。

图5 爆破卸压前后Barton判别系数分布Fig.5 Distribution of Barton discriminant coefficient before and after destress blasting

4 结语

1)确定卸压爆破参数的关键是首先选择应力释放部位，基于深部岩体分区破裂化原理，提出分区爆破卸压逐级应力释放的强岩爆主动控制技术，形成卸压爆破参数系统化设计方法，具有一定的理论基础，分区爆破卸压可根据岩爆强度和地质条件可以形成若干圈破裂带，阻隔高地应力的传导，与正常钻爆工序同步进行，具有良好的工程应用前景。

2)深部岩石爆破破碎机理与浅部岩体常规爆破理论具有较大差异，特别是高地应力围压条件对爆炸破裂范围的扩展具有明显的抑制作用，在确定炸药单耗、孔径、不耦合系数、孔距等卸压爆破参数时应充分考虑地应力的影响，必要情况可采用扩壶爆破方式。

3)数值模拟结果表明，应力集中部位向爆破卸压破碎区转移，隧道开挖面岩爆倾向性大大降低，充分保护了承载拱整体性，使卸压和支护协同作用，形成强—弱阶梯状卸压—支护耦合体系。