中等砂化白云岩小断面隧洞控制爆破技术:以滇中引水工程玉溪段隧洞为例

赵泽昌, 张翼翔, 刘万林, 晏启祥*, 代崇锐, 张开红, 唐忠辉

(1.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室, 成都 610031; 2.中铁开发投资集团有限公司, 昆明 650200;3.中铁二局第一工程有限公司, 贵阳 550007)

白云岩砂化现象是一种特殊的地质现象,是白云岩岩溶作用的结果。白云岩常含有方解石等易溶性矿物,由于方解石在白云岩中分散分布,易被地下水溶解形成众多孔隙,地下水不断渗入并循环作用于孔隙中,使得孔隙不断增大,白云岩块体积不断减小,最终形成散粒状的白云石粉,形似粉细砂[1-2],这种特殊的溶蚀现象称为白云岩“砂化”现象。

中等砂化白云岩岩体呈块状破碎结构,具有爆破、超欠挖控制难,施工风险高等特点,特别是小断面隧洞工程控制难度极大。许多学者多通过LS-DYNA数值模拟方法针对爆破参数展开研究,陈正林等[3]基于X射线衍射和室内试验获得围岩物理力学参数,并对近水平砂泥互层围岩隧道进行了爆破优化数值模拟,优化了设计参数;戴俊等[4]模拟双孔爆破裂纹扩展过程,得出炮孔间距越大,孔间裂隙越难贯通,爆破效果越差的结论;唐景文等[5]、赵晓明等[6]分别分析了光爆层厚度、最优药卷间距对光面爆破的影响,并得出了适宜参数;张晓平等[7]进行露天深孔空气间隔装药爆破的模拟,得出最优上下装药比例为3∶7,空气间隔占比为15%的结论;赵国军等[8]通过理论分析与模型试验,探究了爆破荷载下的围岩裂隙发展规律,提供了理论依据。此外,对于不同地质状况下的爆破方案设计研究,国内学者进行了有益探索。刘敦文等[9]、谢超群[10]等分别提出了适用于穿越破碎断层带隧道、软弱围岩大断面隧道的爆破方案;张鸿等[11]结合软岩隧道光面爆破设计,提出运用上一循环的边墙处和下一循环拱顶处的周边孔同时起爆的措施,有效解决了软岩隧道超欠挖问题;满轲等[12]计算出适宜甘肃北山坑探设施项目爆破的周边孔间距为50 cm,并通过施工验证了其合理性;徐帮树等[13]优化了节理裂隙发育的水平层状岩体大断面隧道掘进爆破参数,明显减小了超挖量和围岩的位移。

以上研究所依托的地层以软岩地层或断裂带为主,而在砂化白云岩地层下的爆破控制技术研究较少,缺乏系统的理论参数与施工体系,现采用LS-DYNA有限元软件进行周边孔爆破模型数值模拟,研究不同周边孔间距、径向不耦合系数和最小抵抗线距离对岩体爆破裂纹扩展的影响,提出相应的合理取值范围,并应用于现场试验,在此基础上总结形成相应控制爆破技术。

1 工程概况

依托工程为云南省滇中引水工程玉溪段隧洞。滇中引水工程的输水线路全长664.236 km,其中玉溪段全长77.069 km。玉溪段工程沿线主要穿越泥岩、灰岩、白云岩、板岩、玄武岩等地层,沿线在老尖山隧洞、扯那苴隧洞、大塘子隧洞出口等地段主要穿越Zbdn、Zbd白云岩地层,如图1所示。工程区所在位置受多处断裂带的夹持作用,其所在地的地质构造运动强烈,在断裂、褶皱构造附近出现大量白云岩砂化现象。加之工程所在地的水文气候影响,白云岩岩体节理、微裂隙发育明显,导致岩体破碎,岩体以碎裂结构为主,其隧洞掌子面处的白云岩呈现包裹状、条带状等宽度不等的砂化特征,如图2所示。

图1 扯纳苴隧洞工程地质平面图Fig.1 Engineering geological plan of Chenaju Tunnel

图2 中等砂化白云岩特征Fig.2 Characteristics of medium sanded dolomite

2 数值模型与材料参数

2.1 数值计算模型

模型由岩体、空气、炸药3种介质组成,岩体采用固体网格Lagrange算法模拟,空气和炸药采用流体网格任意拉格朗日欧拉(arbitrary Lagrange-Euler,ALE)算法模拟。在模拟不同周边孔间距E、径向不耦合系数K对裂纹扩展的影响时,采用的数值计算模型如图3所示。假设炮孔同时起爆,采用工程实际装药参数,炮孔直径4.2 cm,药卷直径3.2 cm,模型尺寸为 300 cm×300 cm×1 cm,模型四周设置无反射边界,计算时间1 000 μs。变量为周边孔间距时,径向不耦合系数K=1.3;变量为径向不耦合系数时,周边孔间距E=40 cm。

图3 不同周边孔间距、不耦合系数爆破模型Fig.3 Blasting model with different peripheral hole spacings or uncoupling coefficients

在模拟最小抵抗线距离W对裂纹扩展的影响时,采用的数值计算模型如图4所示,模型底部设置为自由边界,炮孔至自由边界的距离即为最小抵抗线距离W,其余3个边界设置为无反射边界。径向不耦合系数K=1.3,周边孔间距E=40 cm,其余参数不变。

图4 不同最小抵抗线距离爆破模型Fig.4 Blasting model with different minimum resistance line distances

2.2 材料参数

炸药爆破是一个瞬时且伴随高能量释放的过程,在LS-DYNA有限元软件中,炸药通过*MAT_HIGH_ EXPLOSIVE_BURN材料模拟,同时辅以JWL状态方程来描述炸药,其函数表达式如式(1)所示。

(1)

式(1)中:Peos为状态方程压力;V为相对体积;E0为初始内能密度;A、B、R1、R2、ω为JWL状态方程参数。该工程采用2号岩石乳化炸药进行岩体的爆破开挖,相关参数如表1所示。

表1 二号岩石乳化炸药参数

空气材料通过*MAT_NULL材料模拟,该状态方程的表达式如式(2)所示。

P=C0+C1V+C2V2+C3V3+

(C4+C5V+C6V2)E0

(2)

式(2)中:C0～C6为材料线性参数;V为相对初始体积;E0为内能参数。根据上述的空气材料与状态方程的选用,空气材料的相关参数如表2所示。

表2 空气材料参数

采用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC塑型强化模型可模拟处于爆破冲击高应变率下的岩体。通过Cowper-Symonds模型描述应变率对于岩体强度的影响,对于应变率和屈服应力的关系,如式(3)所示。

(3)

表3 砂化白云岩围岩参数

3 结果与讨论

3.1 周边孔间距对裂纹扩展影响

分别取周边孔间距E为30、40、50、60、70、80 cm共6种工况,其裂纹的最终扩展情况如图5所示。

图5 不同周边孔间距爆破裂纹扩展图Fig.5 Crack propagation diagram of blasting with different peripheral hole spacing

由图5可以看出,随着周边孔间距的增加,两炮孔爆破产生的应力波的叠加效应逐渐减弱,孔间裂纹发展区域的面积逐渐减小。对于孔间裂纹的贯通情况,在周边孔的炮孔间距E为30～70 cm时,孔间会形成贯通的裂缝,同时形成的次生裂纹数量会随着周边孔间距的增大而逐渐减少。当周边孔间距E为80 cm时,两炮孔的爆破叠加效应已不足以使炮孔连线处的裂缝贯通,两炮孔产生的裂纹随着炮孔间距的增大逐渐转变为两个独立炮孔的裂纹发展模式。

为进一步探究岩体应力分布及裂隙扩展特征,从左侧炮孔至两炮孔连线中心处设置4个监测点[4]。其中为避免炮孔压碎圈对监测数值影响,A点设置在距炮孔10 cm处,随后至炮孔连线中心处等距离取B、C、D点,D点为炮孔连线中心。监控点位示意图如图6所示。

图6 炮孔连线监测点位示意图Fig.6 Schematic diagram of monitoring points for blasthole connection

提取不同周边孔间距工况下炮孔连线中心4个监测点位的Y向应力峰值[14],绘制其变化曲线如图7所示。

图7 不同周边孔间距监测点Y向应力峰值变化曲线Fig.7 Y-direction peak stress change curve of monitoring points with different peripheral hole spacing

由图7可以看出,当炮孔间距从30 cm增加至80 cm时,由于A点靠近炮孔区域,其Y向峰值应力数值接近,没有随着炮孔间距的改变而产生明显的变化趋势,其数值在32.44～37.43 MPa波动。而B、C、D点的Y向峰值应力随着炮孔间距变大而逐渐减小。当应力波在炮孔连线中心相遇并叠加时,D点的Y向峰值应力有所提高。4个监测点位的Y向应力最小值出现在C点。

当Y向应力大于岩体的抗拉强度6.5 MPa时,岩体将产生径向裂缝发生破坏。由图7分析可知,当炮孔间距为30～70 cm时,各监测点位的Y向应力峰值均大于岩体抗拉强度,炮孔间的裂缝贯通。当炮孔间距达到80 cm后,监测点C的Y向应力为6.17 MPa,D点的Y向应力为6.54 MPa,裂缝在C点之后停止扩展。

通过改变周边孔炮孔间距的爆破模拟结果表明,周边孔炮孔间距在30～70 cm时相邻炮孔之间的裂纹能够顺利贯通,其合理取值范围为7d～16.5d,d为炮孔直径。

3.2 不耦合系数对爆破裂纹扩展的影响研究

在光面爆破参数设计中,周边孔的不耦合系数是光面爆破产生的轮廓线是否出现超欠挖的重要影响因素。分别取周边孔径向不耦合系数K为1.1、1.3、1.6、1.9、2.3、2.6共6种工况,其爆破后的裂纹扩展结果如图8所示。

图8 不同不耦合系数爆破裂纹扩展图Fig.8 Crack propagation diagram of blasting with different uncoupling coefficients

由图8可以看出,在炮孔间距一定的情况下,炮孔径向不耦合系数较小时,炮孔壁与炸药间空气间隔较少,炸药爆炸导致两炮孔产生的压碎圈范围较大,炮孔连线处和炮孔两端的裂隙区裂纹发展较为密集。炮孔间主裂纹贯通后,周围还将形成较多的次生裂纹,容易出现超挖现象。随着径向不耦合系数的增大,压碎圈范围逐渐减小,同时由于应力波在岩体中叠加作用减弱,炮孔连线处除贯通主裂缝外,产生的径向裂纹数量也逐渐减少,孔间裂纹贯通区域宽度也随之减小。当径向不耦合系数K为2.6时,岩体破坏范围较小,孔间裂缝此时无法贯通。

为了更加准确地描述不同不耦合系数工况下的孔间裂纹扩展情况,提取不同径向不耦合系数下两炮孔中心连线处4个监测点的Y向应力,绘制其变化曲线如图9所示。

图9 不同不耦合系数监测点Y向应力峰值变化曲线Fig.9 Y-direction peak stress change curve of monitoring points with different uncoupling coefficients

由图9可知,径向不耦合系数从1.1增加至2.6时,冲击波在岩体中的作用逐渐减小,炮孔连线中心4个监测点处岩体所受的Y向应力均呈减小的趋势。当径向不耦合系数K=2.6时,C点的Y向应力为5.68 MPa,D点的Y向应力为6.14 MPa,均小于岩体的抗拉强度6.5 MPa,裂纹在C点处停止扩展,相邻周边孔间的裂缝不能贯通。

通过改变不耦合系数的爆破模拟结果表明,在砂化白云岩的光面爆破参数设计中,周边孔的径向不耦合系数K<2.6为宜。

3.3 最小抵抗线距离对爆破裂纹扩展的影响研究

最小抵抗线的距离决定了爆炸产生的入射波和反射波的作用时间长短,其中反射波的作用时间决定了层裂区的裂纹发展与爆破漏斗的形成时间。分别取最小抵抗线距离W为30、40、50、60、70、80 cm共6种工况,其在爆破完成后的裂纹扩展情况如图10所示。

图10 不同最小抵抗线距离爆破裂纹扩展图Fig.10 Crack propagation diagram of blasting with different minimum resistance line distances

由图10可以看出,在最小抵抗线距离为30～70 cm时,随着最小抵抗线距离的增加,爆破应力波传递至自由面的入射时间增加,反射拉伸波的反射时间减少,导致层裂区的层裂裂缝和径向裂缝数量减少,进而导致炮孔裂隙区裂纹和层裂区径向裂纹相互贯通的数量逐渐减少,爆破完成后岩体破碎的块度变大。当最小抵抗线距离达到80 cm时,炮孔附近的裂纹与层裂区产生的径向裂纹已无法贯通形成爆破漏斗。

考虑爆破漏斗形成与爆破块度,选取两条参考线,第一条参考线在距离炮孔连线中心10 cm处设置A点,垂直至自由面处等距取B、C、D点,共4个监测点;第二条线在右侧炮孔产生的爆破漏斗线至自由面处距离炮孔10 cm处设置L1点,延伸至自由面等距离取L2、L3、L4共3个点,共4个监测点,监测点位的示意图如图11所示。

图11 监测点位示意图Fig.11 Schematic diagram of monitoring points

通过X向应力表征切向拉应力的变化情况[15],提取两条参考线的X向应力峰值,绘制其随最小抵抗线距离的变化曲线,如图12所示。

图12 不同最小抵抗线距离X向应力变化曲线图Fig.12 X-direction stress change curve with different minimum resistance line distances

由图12可以看出,对于同一最小抵抗线的岩体监测点,由于反射拉伸波与初始应力波的叠加作用,位于自由面附近的岩体所受X向应力会有所提高(如D点、L4点)。对于不同最小抵抗线的监测点,靠近炮孔和炮孔连线处的监测点X向应力受影响较小(如A点、L1点),随着最小抵抗线距离的增加,应力波在岩体中传播时间增加,到达后续监测点位的应力逐渐减小。当最小抵抗线距离W=70 cm时,其爆破漏斗线上的X向应力均超过岩体抗拉强度6.5 MPa,能够形成爆破漏斗,但是其内部岩体B、C监测点处岩体均未发生开裂,说明其爆破漏斗线内部破碎裂纹少,爆破产生的块度较大。当最小抵抗线距离W为80 cm时,爆破漏斗线上的监测点X向应力开始小于6.5 MPa,已经无法形成爆破漏斗。综合考虑爆破漏斗形成与爆破漏斗线内部岩体裂纹发展,认为在中等砂化白云岩小断面隧洞爆破时,最小抵抗线距离取30～60 cm时爆破效果良好。

为综合考虑周边孔间距和最小抵抗线距离对爆破轮廓线的影响作用,在控制爆破参数中定义周边孔密集系数m这一概念,计算公式为

(4)

式(4)中:m为周边孔密集系数;E为周边孔间距;W为抵抗线距离。

根据计算结果,在周边孔密集系数0.6

4 控制爆破参数选定、设计与施工

4.1 爆破参数选定

控制爆破设计的核心问题是控爆参数的确定以及掏槽方式的选择,其直接决定了爆破效果及断面进尺。依托工程为滇中引水工程玉溪段扯那苴隧洞前段。由于炮孔间距越大,孔间裂纹越难以形成,爆破效果越差,结合数值模拟结果以及本工程围岩现状,经施工中通过多次试验、优化与调整,选取炮孔间距和最小抵抗线距离最大为50 cm,最终确定了如表4所示的适合本工程的控制爆破参数。

表4 周边眼控制爆破参数表

4.2 爆破设计

根据白云岩控制爆破参数表,扯那苴隧洞中等砂化白云岩爆破炮孔布置图如图13所示,爆破参数表如表5所示。

表5 钻眼及装药数量统计表

4.3 爆破施工

4.3.1 施工工艺流程

中等砂化白云岩小断面隧洞工程控制爆破施工工艺流程如图14所示。

图14 施工工艺流程图Fig.14 Construction process flow chart

4.3.2 操作要点

1)测量放线及布孔

采用全站仪激光导向测量中线与开挖轮廓线顶部中心点,通过人工按照钻爆设计进行布孔,人工布孔如图15 (a) 所示。

图15 爆破施工操作要点图Fig.15 Diagram of the key points of blasting construction

2)钻孔

(1)周边眼:按炮眼布置和设计角度、深度钻孔,周边眼按40～50 cm间距控制,周边眼的开眼误差控制在±5 cm以内,外插角宜控制在3°～5°;周边眼钻进如图15 (b) 所示。

(2)内圈眼:按炮眼布置及设计深度钻孔,内圈眼按30 cm间距控制,内圈眼的开眼误差控制在±5 cm以内。

(3)掘进眼、掏槽眼:采用斜眼掏槽按炮眼布置与设计角度、深度钻孔,可根据爆破效果进行调整。

(4)抵抗线(控爆层):指周边眼至内圈眼垂距,抵抗线距离按30 cm控制,误差控制在±5 cm以内。抵抗线可根据爆破效果进行调整。

3)装药与起爆

(1)周边眼:采用连续装药,周边眼装药量可根据爆破效果进行装药量调整。

(2)内圈眼、掘进眼、底板眼、掏槽眼:按爆破设计药量进行装药,采用连续装药,根据爆破效果进行装药量调整。

(3)装药作业采取定人、定位、定段,按顺序装药;按爆破设计装药结构和药量装药;按爆破设计进行爆破网路联接,导爆索的连接方向和连接点应牢固。

(4)严格按爆破设计进行雷管连接;孔内非电毫秒雷管15～20个为一组,采用同段非电雷毫秒管双发簇连,用胶布将引爆雷管包扎在最后簇导爆管自由端10 cm处。爆破网路联好后,检查验收合格后方可起爆。网路连接如图15 (c) 所示。起爆顺序:掏槽眼→辅助眼→周边眼。

4.4 超欠挖分析

在隧道等地下洞室开挖过程中,应当严格控制超欠挖量以及爆破参数,以保证爆破成型效果。在隧洞超挖分析中,通常采用超挖量、平均线性超挖和最大超挖来描述隧洞的超挖情况。基于模拟结果提取隧洞不同位置爆破后的超挖情况如表6所示,并绘制超欠挖数据图如图16所示,数值模拟及现场爆破的超欠挖控制效果如图17所示。

表6 超欠挖统计表

图16 超欠挖数据图Fig.16 Data graph of over excavation and under excavation

图17 超欠挖控制效果图Fig.17 Rendering of over excavation and under excavation control

综合表6、图16、图17可以看出,在隧洞爆破后,拱顶和边墙均未出现欠挖情况。隧洞从拱顶、边墙至隧底的超挖量和平均线性超挖逐渐下降。其中最大超挖出现在拱顶右侧位置,数值为14.25 cm。

对于边墙而言,边墙中部位置超挖量较大,左右边墙的最大超挖分别为9.78 cm和9.66 cm。隧底的最大超挖为13.37 cm。并出现少量欠挖,欠挖最大值为2.23 cm。均小于评定标准中的相关规定,爆破效果良好。施工爆破结果与模拟结果相一致,超挖量均小于15 cm,超挖量得到明显控制,拱顶、边墙中点部位的超欠挖情况应重点关注。

5 结论

基于ANSYS/LS-DYNA软件,分析了不同光面爆破参数对应力波传播及裂纹扩展的影响,并应用至现场施工,得出以下结论。

(1)确定了适用于中等砂化白云岩小断面隧洞控制爆破设计参数合理取值范围,周边孔炮孔间距在30～70 cm时相邻炮孔之间的裂纹能够顺利贯通,其合理取值范围为7d～16.5d,d为炮孔直径;周边孔的径向不耦合系数K<2.6为宜;最小抵抗线距离为30～60 cm时爆破漏斗能够形成,且爆破漏斗内部岩体裂纹发育良好,破碎块度较好,此时对应周边孔密集系数取值范围为0.6

(2)将模拟得到的光面爆破参数的合理取值范围应用至现场施工中,通过多次试验、优化与调整,总结出中等砂化白云岩小断面隧洞控制爆破技术。实践证明,在隧洞爆破后,拱顶和边墙均未出现欠挖情况,最大超挖出现在拱顶右侧位置,超挖量均小于15 cm,爆破效果良好。此外,开挖断面、围岩产状、是否渗水等因素同样影响中等砂化白云岩隧洞爆破效果,需要结合现场工程地质与水文地质对爆破参数进行动态优化与调整。