高地应力互层软岩隧道爆破控制技术研究

朱耀璋

(中铁十四局集团第三工程有限公司 济宁市 272100)

0 引言

在爆破施工中，准确控制隧道开挖轮廓，可以减少围岩爆破损伤，降低爆破的超欠挖程度，较好地控制隧道的变形[1]。周边眼的爆破质量，可以直接反映隧道爆破的成形效果。在实际运用中，普通的爆破方式难以达到理想的爆破效果，实际工程中隧道的控制爆破主要为预裂爆破和光面爆破[2-3]。

隧道光面爆破对围岩的扰动小，可以有效地减少超挖和回填量，使得爆破后的围岩断面轮廓整齐，保持围岩的完整性和稳定性，可以充分发挥围岩自身的承载力。姚洪瑞[4]以岩屋冲一号隧道为依托，针对现场富水软岩工程特性提出短进尺浅孔弱爆破的施工方案，并同时采用超前加固与注浆防止围岩坍塌；张运良等[5]以某实际隧道工程为背景，采用ANSYS/LS-DYNA对软弱夹层隧道的光面爆破效果进行研究，最终提出一种概化模型可运用于含软弱夹层围岩的光面爆破成型效果。陈玉等[6]以代家坪大跨公路隧道为背景，考虑不同孔距、药量、孔径对砂岩光面爆破的影响，并根据光面爆破评价标准优化爆破方案；刘墩文等[7]以某山岭隧道为背景，类比相关工程并结合现场地质提出一种穿越破碎带断层的山岭隧道光面爆破方案。

目前国内关于高地应力作用下隧道爆破施工的研究还较少，而关于互层隧道爆破控制技术的掌控还不是很全面，爆破动力学课题的研究，由于影响因素多，研究过程复杂，试验费用高，故以甘肃尖山隧道为背景，通过有限元软件ANSYS/LS-DYNA通过对不同工况下爆破施工进行模拟，最终得到适用于互层软岩隧道施工的光面爆破参数。

1 工程背景

尖山隧道位于甘肃省白银市平川区大营水至水泉镇附近，穿越水泉尖山山脉。隧道起讫里程为DK109+780～DK115+750，全长5.97km，最大埋深约519m(DK112+780)，隧道进出口浅埋段长约300m。地层岩性主要为沉积岩、变质岩两种岩性。主要包括志留系下马沟营组变质砂岩夹千枚岩、砂岩夹片岩、板岩互层等。地应力测试结果显示隧道洞轴线附近地应力值最高为21.08MPa，按照《工程岩体分级标准》，隧道所处为高地应力区域。

2 互层软岩隧道周边眼爆破控制数值模拟

2.1 计算模型

数值模拟在实际工况的基础之上再加之简化，进行建模计算。光面爆破的周边眼炮孔布置在隧道轮廓线上，建模在考虑实际断面的同时需要考虑光爆层厚度。因为依托工程为大断面马蹄形隧道，隧道的开挖宽度为13.36 m，隧道的开挖高度为11.74 m，考虑周边眼炮孔数量及模型的网格数量，取隧道上台阶5.36 m高度为研究对象，设置5条倾斜状软弱夹层，软弱夹层厚度为0.5m，软弱夹层倾角为55°，模型的左右和上下边界为无反射边界以减少边界效应对动力分析结果的影响，隧道光爆层边界为自由边界。隧道上台阶周边眼布置见图1，模型网格情况见图2，岩体及软弱夹层材料参数见表1。

图1 互层软岩隧道光面爆破周边眼布置图(单位：cm)

图2 互层软岩隧道光面爆破模型图

表1 岩体及软弱夹层材料参数

2.2 工况设置

根据对互层软岩光面爆破中周边眼的控制进行模拟计算分析，对比在不同的炮眼直径、炮眼间距下，隧道的超欠挖程度，根据结果选出最优的控制超欠挖的光面爆破参数，以此作为指导现场爆破施工的依据。光面爆破周边眼采用小直径药卷，药卷直径为22mm，周边眼间距与周边眼抵抗线长度比值为0.8，具体分析工况见表2。

表2 光爆控制数值模拟工况

2.3 计算结果分析

数值模拟爆破过程中截图的时间间隔为50μs，不同工况下爆破过程与隧道设计轮廓线进行对比的超欠挖示意图见图3，此处以工况1为例。

图3 工况1爆破示意图与超欠挖示意图

由图3可知：隧道的最大线性超挖为0.17 m，平均线性超挖在0.15 m。隧道开挖断面允许超挖值中规定，平均线性超挖不超过10 cm，最大线性超挖不超过15 cm。因此，工况1出现了较大的超挖。

其余各工况爆破示意图如图4所示。通过对其余各工况爆破示意图与原设计隧道轮廓线进行对比，得出各工况超欠挖的数据，各工况超欠挖对比表见表3。

图4 各工况爆破示意图

表3 各工况超欠挖对比表

由表3可知，在工况1的爆破模型基础上，通过对工况1的周边眼炮眼直径和炮眼间距进行调整，在计算完成后，对工况2至工况5的光爆效果与原隧道轮廓进行对比分析，得到：

工况2至工况5，单点线性最小超挖均出现在模型中两个岩层的交接处，但平均线性超挖差别不大。其中工况2的平均线性超挖为0.15 m，不满足软岩光面爆破平均线性超挖不超过0.10 m的要求。最大线性超挖0.16 m，不满足软岩光面爆破最大线性超挖不超过0.15 m的要求。工况3中的平均线性超挖为0.13 m，不满足软岩光面爆破平均线性超挖不超过0.10 m的要求，最大线性超挖0.15 m，满足软岩光面爆破最大线性超挖不超过0.15 m的要求。工况4中的平均线性超挖为0.10 m，最大线性超挖0.13 m。工况5中的平均线性超挖为0.09 m，最大线性超挖0.12 m。工况4和工况5均满足光面爆破的要求。

3 工程应用

根据之前分析，为尽量减少爆破对围岩造成的损伤，形成更加平整、光滑的隧道轮廓面，采用超挖量更小的工况5中光面爆破参数对爆破方案进行优化。现场采用Leica TCA全站仪对爆后隧道超欠挖情况进行监测，图5为采用优化后的光面爆破参数情况下隧道轮廓面典型成形状况，由于地应力和次生裂隙面的影响，现场最大线性超挖值较数值模拟结果偏大，平均线性超挖值为0.08m，最大线性超挖值为0.13m，满足隧道开挖断面允许超挖值的要求。

图5 优化后隧道轮廓面成形情况

隧道围岩变形量是反映隧道是否稳定的重要指标，采用优化爆破参数前后的隧道拱顶沉降和拱腰收敛对比如图6所示，横坐标为监测天数。采用优化光面爆破参数后，隧道围岩位移量明显降低，16天的拱顶沉降累计值降低约30%，拱腰收敛累计值降低约25%，之后围岩趋于稳定。

图6 爆破参数优化前后围岩位移量对比

4 结论

对互层软岩隧道光面爆破的超欠挖控制进行了研究，主要考虑周边眼炮孔直径和炮眼间距两个方面，针对问题对不同炮眼直径和炮眼间距五种工况进行模拟计算，并得到以下结论：

(1)隧道爆破主要的两种方式分别为预裂爆破和光面爆破。预裂爆破由于在实际工程中容易引起较大的超欠挖，对保证围岩的完整性和隧道的变形控制有较大的影响，光面爆破是先起爆掏槽眼和辅助眼，最后起爆周边眼的爆破方式，因为可以更好地控制超欠挖得以广泛的使用。

(2)对控制互层软岩隧道光面爆破的超欠挖进行了研究，主要考虑周边眼炮孔直径和炮眼的间距两个方面，针对不同炮眼直径和炮眼间距五种工况进行模拟计算，发现当在40～42 mm，炮眼间距在38～40 cm时，对互层软岩隧道的超欠挖控制有较好的效果。

(3)互层围岩的地质特点导致围岩在施工爆破后易沿结构面及软弱破坏面破坏，形成较难人为控制的超欠挖现象，从炮孔布置、装药结构和装药量等方面优化和完善控制爆破技术，采用优化光面爆破参数后，平均线性超挖值和最大线性超挖值均满足隧道允许超挖值的要求，16天的拱顶沉降累计值降低约30%，拱腰收敛累计值降低约25%。