杭温隧道聚能水压爆破技术原理与施工应用

钟庆华 唐潮 刘宇 杨新安

摘  要：杭温铁路木匪岭、石尖等隧道围岩强度高，局部节理发育，存在极高的水平向地应力，岩爆频发。传统光爆在控制超欠挖及减轻诱发岩爆等方面存在显著缺陷，为此，开展数值模拟分析研究以及普通光爆与聚能水压光爆对比试验。结果表明，聚能水压爆破在聚能方向的孔壁压力峰值和岩体内有效应力峰值较大，利于形成导向裂缝，减小对保留围岩的损伤；聚能水压爆破在减小爆破振速、控制超欠挖、降低粉尘及有害气体浓度等方面效果显著，同时减少爆破诱发岩爆次数及强度。研究成果可以对矿山法硬岩隧道爆破施工提供理论支撑和现场技术指导。

关键词：铁路隧道；现场试验；光面爆破；聚能水压爆破；数值模拟

中图分类号：U455        文献标志码：A          文章编号：2095-2945（2024）08-0058-05

Abstract： Tunnels in Mufeiling and Shijian on Hangzhou-Wenzhou Railway have high-strength surrounding rocks， developed local joints， extremely high horizontal ground stress and frequent rockburst. Traditional light explosion has obvious defects in controlling over-underexcavation and reducing induced rockburst. Therefore， numerical simulation analysis and comparative experiments of ordinary light explosion and concentrated water pressure light explosion are carried out. The results show that the peak value of hole wall pressure and effective stress in rock mass are larger in the direction of energy accumulation， which is beneficial to the formation of guided cracks and reduce the damage to reserved surrounding rock. Energy-concentrated hydraulic blasting has a remarkable effect in reducing blasting vibration velocity， controlling over-underexcavation， reducing dust and harmful gas concentration， and decreasing the number and intensity of rockburst induced by blasting. The research results can provide theoretical support and on-site technical guidance for the blasting construction of mine hard rock tunnel.

Keywords： railway tunnel; field test; smooth blasting; concentrated energy hydraulic blasting; numerical simulation

杭温铁路二期木匪岭、石尖等隧道所处地层为凝灰岩，强度高，属硬岩～极硬岩，岩体局部節理发育。现场实测表明，隧址区存在极高的水平向地应力。普通光爆存在超欠挖过大、容易诱发岩爆等问题，无法满足隧道现阶段施工要求。因此，控制超欠挖、降低爆破振速、减少岩爆发生次数以及改善洞内作业环境是杭温铁路隧道施工中的关键技术难题。为此，根据聚能水压爆破[1-3]在一些工程中实际应用的经验和效果，提出采用聚能水压爆破的技术方案。

国内外学者对聚能水压爆破已经开展了一些研究。吴波等[4]通过现场试验和数值模拟的方法探究聚能水压爆破作用机理及损伤特性。王军[5]研究表明在增加循环进尺、提高炸药利用率、提高炮眼利用率等方面，聚能水压爆破有显著作用。刘海波[6]发现聚能水压爆破能够减少超挖，控制开挖轮廓线。王汪洋[7]依托林家岙隧道工程，使用数值分析、技术调研和原位试验等手段，极大提高了预裂缝等效分析方法的合理度。李立功等[8]采用现场实测方法，分析了不同钻爆设计参数与水压爆破时的爆破振动速度值。胡东荣[9]研究发现，爆破会使掌子面岩石变成两部分，一部分是裂隙区，一部分是压碎区。闫海伦[10]采用诸多科学的研究方法，探讨聚能水压岩石爆破作用下的应力传播规律以及将爆破振速以及位移变化进行对比分析。宋鹏伟等[11]基于聚能水压光爆机理，通过LS-DYNA进行数值模拟和现场试验，探究聚能水压爆破的作用效果，从而优化周边眼装药结构。熊成宇等[12]开展现场爆破试验，在经济环保和技术层面对比聚能水压爆破技术与普通光爆技术，发现聚能水压爆破能有效地控制超欠挖。李兴全等[13]提出切缝药包聚能水压爆破技术，显著提高能量利用率，减少超欠挖。

本文将聚能水压爆破用于杭温铁路木匪岭、石尖等隧道工程，用LS-DYNA[14]进行了数值模拟分析，并进行了现场测试与分析，取得良好的工程效果与有益的结论。

1  工程概况、问题及方案提出

杭温铁路杭州至义乌段，正线全长59.018 km。木匪岭隧道10.24 km，为唯一的特长隧道；长隧道4座，中长隧道7座，短隧道9座。围岩等级主要以Ⅱ、Ⅲ级为主，围岩条件较好。

整体区段巖质普遍较硬，所以在普通钻爆法的施工过程中，很容易产生超欠挖严重、粉尘浓度过大等一系列问题。加之木匪岭、石尖等隧道存在极高的水平向地应力，岩爆频发，势必使围岩的松动圈范围扩大，降低其自稳能力，加大隧道施工的安全隐患。

故根据现场条件，在石尖隧道的K72+535—K72+837和木匪岭隧道K76+433—K78+881进行聚能水压爆破、聚能爆破和普通光面爆破的现场对比试验。目的是探索更好的爆破方案，降低爆破扰动，减少超欠挖，改善洞内作业环境；减少岩爆频率，降低岩爆强度等。

2  数值模拟分析

为了验证现场试验方案的可行性以及进一步探究聚能水压爆破作用机理，故利用LS-DYNA建立爆破单孔三维模型。

2.1  聚能水压爆破数值模型的建立

2.1.1  模型构建

如图1所示，建立爆破单个爆孔三维计算模型，其中，聚能管、水袋、炸药采用1∶1建模。根据聚能水压光爆设计，孔深为4.3 m，装药半径为1.6 cm。每一个炮孔插入4根C27A型聚能管，采用间隔装药，以导爆索进行连接，并在孔口设置水砂袋。

2.1.2  材料参数

聚能水压光面爆破模型包含炸药、空气、水、岩石、水砂袋及聚能管6种材料。炸药采用2号岩石乳化炸药，本构模型采用高能炸药爆轰本构；空气材料和水采用MAT_NULL本构模型。水砂袋选用泡沫材料本构模型，密度为1.9 g/cm3。岩石材料和聚能管材料均选用塑性硬化本构模型。其中岩石材料参数由现场取样后测得，见表1。聚能管参数与C27A型[15]聚能管保持一致。

（a）  模型图             （b）  部分网格划分图

2.1.3  初始边界条件设置

计算模型在外围设置XY方向位移约束，在炮孔底部设置与炮孔轴向平行的Z方向上的位移约束。为简化计算，各段炸药采用点起爆，且为同时起爆。

2.2  数值模拟结果与分析

2.2.1  应力波传播特征

在炮孔径向方向上20 μs时，爆炸冲击波传至炮孔壁，在聚能方向上产生聚能射流；25 μs时，聚能射流的有效应力下降，继续向岩石内部侵彻；30 μs时，聚能射流携带的能量进一步减少，但聚能方向上应力波的传播速度明显大于非聚能方向，有利于导向裂缝的生成；40 μs时，射流作用基本停止，炮孔周围形成椭圆状的应力场。炮孔径向应力波传播特征如图2所示。

2.2.2  炮孔壁压力特征

在炮孔壁上以70 cm等距离轴向选取测点。测点分为聚能方向和非聚能方向，将聚能管闭口侧取为非聚能方向。聚能加非聚能方向总共为16个测点。统计每个测点单元的峰值压力，从而绘制以距炮孔口距离为自变量，炮孔壁聚能方向上的峰值压力变化曲线以及将聚能与非聚能峰值压力相比数值变化曲线。如图3所示。

由图3可知，“双峰式”变化趋势显而易见，峰值所处部位为炮孔壁中间和底端。聚能效果均大于1，聚能方向上孔壁应力峰值是非聚能方向上的2.5倍左右，中间聚能效果最好。

2.2.3  围岩等效应力特征

每隔6 cm在岩体峰值压力最大截面处的径向上选取测点，共计12个测点，具体位置如图4所示。

统计有效应力峰值，从而绘制出以距炮孔壁距离为自变量，岩体内部有效应力峰值变化曲线，如图5所示。

由图5可得，聚能方向上的有效应力峰值始终大于非聚能方向，且两者都随着距炮孔壁距离的增加，峰值和变化速率不断降低，同时距炮孔壁距离越近，两者差距越大，有利于孔壁上聚能方向上导向裂缝的产生。

2.2.4  围岩振速响应特征

选取图4中的测点，绘制出以距炮孔壁距离为自变量，岩体径向上振速峰值的变化曲线，如图6所示。

由图6可得，聚能方向上围岩振速大于非聚能方向，且两者整体呈下降趋势。在距炮孔壁18 cm之前围岩振速下降较快，在18 cm之外围岩振速渐渐趋于平缓。

以上数值分析结果表明，对于聚能水压爆破，孔壁压力峰值和岩体内有效应力峰值均大于非聚能爆破，从而提高爆炸能量利用率。由于导向裂缝的形成，使得聚能水压爆破压碎区范围减小，有利于减轻对保留围岩的损伤。这也为开展现场对比试验提供了理论依据。

3  普通光爆与聚能水压爆破现场试验

3.1  爆破参数设计

对于聚能水压爆破和聚能爆破来说，和普通光面爆破爆破参数的区别为周边孔设置的不同。对于普通光面爆破，周边孔间距为0.50 m，光爆层厚度为0.7 m，孔深为4.3 m。对于聚能水压光爆，周边孔间距为0.85 m，光爆层厚度为0.8 m，孔深为4.3 m。2种爆破方案的具体装药参数见表2。

3.2  实测结果与分析

3.2.1  爆破振速特征

本测试选用的监测仪器为TC4850爆破测振仪，利用计算机从中提取数据并利用仪器配备的分析软件对波形数据进行判读和分析。根据每次爆破测得的振速时程曲线，普通爆破、聚能爆破以及聚能水压光爆的监测振速最大值见表3。可知，聚能水压爆破整体上比聚能爆破和普通爆破的爆破振速要小。进一步对3种爆破形式的爆破振速取平均值进行对比，对比结果如图7所示。

根据图7可得，与普通光爆相比，聚能光爆的各分量的最大振速降低约29.12%，最大合振速降低约26.98%。与聚能爆破相比，聚能水压爆破的各分量的最大振速降低约18.81%，最大合振速降低约25.93%。由此可见，与普通光爆、聚能爆破相比，聚能水压光爆可以进一步降低对保留岩体的影响，降低爆破振动，减少岩爆发生频率，增加缓冲时间。

3.2.2  超欠挖特征

对普通光面爆破与聚能水压光面爆破后的轮廓面进行激光扫描，统计分别采用聚能水压爆破和普通爆破区段的超欠挖数值，得出表4的结果。

对比普通爆破，采用聚能水压爆破后，最大超欠挖值减少50.5%，平均超欠挖值减少26%。由此可见，采取聚能水压爆破能有效控制超欠挖，从而减少支护成本和保障人员安全。

3.2.3  粉尘浓度和有害气体浓度特征

在爆破完成后，立刻进入隧道进行监测，由于爆破完成后安全的考虑，从距离掌子面100 m的距离开始测量，分别监测掌子面前100、110、120、130、140、150、160、170、180 m处的粉尘浓度和有害气体浓度，监测结果对比如图8所示。监测时发现隧道掌子面前的有害气体主要为一氧化碳，其余的有害气体几乎没有，可以忽略不计。

根据图8洞内粉尘和有害气体浓度对比图可知，普通爆破和聚能水压爆破之后洞内粉尘和有害气体的浓度总体上随着距离掌子面距离的增加而减少。在Ⅲ级围岩处与普通光爆相比，聚能水压光爆在掌子面前100、110、120、130、140、150、160、170、180 m处的粉尘浓度分别降低42.76%、26.49%、42.09%、45.00%、49.48%、33.69%、44.07%、50.51%、48.05%；有害气体浓度分别降低43.45%、43.42%、18.95%、23.62%、44.25%、49.61%、41.16%、45.97%、49.53%。由此可见，采用聚能水压光面爆破时，会使粉尘浓度、有害气体浓度显著降低，利于绿色施工，保障人员安全。

4  结论

上述研究表明，聚能水压爆破可以显著降低爆破振速、岩爆发生频率、超欠挖、粉尘浓度以及有害气体浓度。在杭温铁路硬岩施工中有良好的适用性。

1）基于LS-DYNA动力学软件的爆破单孔三维模型数值模拟结果表明，对于聚能水压爆破，孔壁压力峰值、岩体内有效应力峰值、围岩振速均大于非聚能方向，有利于导向裂缝的形成，从而使得聚能水压爆破压碎区范围减小，有利于减轻对保留围岩的损伤。这为现场试验提供了理论依据。

2）杭温铁路硬岩隧道所进行的聚能水压爆破、聚能爆破和普通光面爆破的现场试验表明：与普通光爆相比，聚能光爆的各分量的最大振速降低约29.12%，最大合振速降低约26.98%。与聚能爆破相比，聚能水压爆破的各分量的最大振速降低约18.81%，最大合振速降低约25.93%。

3）对比普通爆破，采用聚能水压爆破后，最大超欠挖值减少50.5%，平均超欠挖值减少26%。将普通光爆与聚能爆破相比，粉尘浓度平均降低约42.26%，有害气体浓度平均降低约40.00%。

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