地应力作用下隧道爆破周边孔参数优化研究

刘忠凯 赵长龙 蒲春 廖泽阳

第一作者简介：刘忠凯（1983-），男，高级工程师。研究方向为道桥工程。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.13.026

摘  要：为探究在地应力作用下隧道爆破时周边孔最优参数，以白竹山隧道为工程背景，通过数值模拟方法研究当隧道地应力为5 MPa时的情况，将周边孔不耦合装药系数和空气间隔装药段数进行调整，确定合理的爆破参数指导现场施工。研究表明，在相同药量情况下，当不耦合系数为1.4时，粉碎区范围适中，岩体破碎充分，炮孔之间形成良好贯通；周边孔采用空气间隔装药时，孔底空气长度为0.6 m，每节药卷为0.3 m的4段间隔装药结构较为合适，能将平均超欠挖厚度控制在20 cm内，爆破效果较好。

关键词：地应力；不耦合系数；空气间隔装药；数值模拟；周边孔

中图分类号：TD235      文献标志码：A          文章编号：2095-2945（2024）13-0107-04

Abstract： In order to explore the optimal parameters of periphery holes during tunnel blasting under ground stress， taking Baizhushan Tunnel as the engineering background， when the ground stress of Baizhushan Tunnel is 5 MPa， the decoupling charge coefficient of periphery holes and the number of air interval charge sections are adjusted to determine reasonable blasting parameters to guide on-site construction. The study shows that in the case of the same charge quantity， when the uncoupling coefficient is 1.4， the range of the crushing area is moderate， the rock mass is fully broken， and a good connection is formed between the blast holes; when the air interval charge is used in the periphery hole， the air length at the bottom of the hole is 0.6 m， and the 4-section interval charge structure of 0.3 m per charge roll is more suitable; the average overbreak and underexcavation thickness can be controlled within 20 cm， and the blasting effect is better.

Keywords： ground stress; uncoupling coefficient; air interval charge; numerical simulation; periphery hole

爆破法已在隧道工程施工中得到广泛运用，合理的周边孔布设可以帮助隧道轮廓成型，减少超欠挖现象，也可以减少爆破振动危害[1]。

Mandal等[2]认为围岩的初始应力场对爆炸荷载有较大影响。段淑倩等[3]分析了各种因素对地应力的影响，研究结果可以为地应力分级研究提供借鉴。徐颖等[4]研究了装药不耦合系数对初始地应力下岩石爆破之后裂纹扩展影响，研究成果对于深部岩石爆破研究起着重要作用。康永全等[5]通过大量研究总结了不耦合装药及间隔装药分类、特点、范围，通过调整爆炸作用方式、能量利用率、爆炸气体作用持续时间等，可有效控制爆炸灾害。

关振长等[6]基于LS-DYNA平台建立了双孔周边眼空气间隔装药模型，将实际爆炸荷载均化为等效爆炸荷载，既能有效地简化爆炸荷载，又能反映爆炸荷载的实际特性，也能为数值模拟远场振动影响奠定基础。谭元军等[7]从空气间隔和不耦合装药条件下岩石的破坏机理出发，对冲击应力波的能量及爆生气体膨胀能量进行研究，分析间隔装药和不耦合装药爆破的特点。汪衡等[8]通过确定合理孔底空气长度，研究孔底不耦合装药对孔壁冲击压力的影响，确定了各种岩石空气间隔长度范围，帮助保证良好的爆破块度和降低爆破振动。

本文以白竹山隧道为工程背景，对地应力作用下隧道爆破的周边孔参数进行研究，通过数值模拟的方法确定了恰当的装药不耦合系数和空气间隔装药段数，为现场施工提供了指导。

1  工程背景

白竹山隧道左洞全长2.17 km，其中Ⅳ级围岩段2 070 m，Ⅴ级围岩段100 m。现已开挖1.25 km，爆破开挖位置为Ⅳ级围岩，以层状板岩为主。在YK17+970～YK18+920洞身段，长度为950 m，平均埋深為190 m，地应力约为5 MPa。

2  数值模型

2.1  材料参数选取

2.1.1  岩石

岩样是在白竹山隧道的一处工程中采集的，根据协会的规定，将其制作成φ50×100 mm的标准试样。板岩静力学参数见表1。

HJC数值模拟方法有关参数[8-10]见表2。

表1  板岩静力学参数

2.1.2  炸药

乳化炸药状态方程式如下

式中：A，B，R1，R2，？棕为材料常数；E0为初始内能；V为体积；P为爆压。相关参数[11-12]见表3。

2.1.3  空气

空气模型选择MAT_NULL，状态方程选择INEAR_POYNOMLAL作为状态方程。相关参数[13]见表4。

2.1.4  炮泥

用MAT_SOIL_AND_FOAM作为炮泥模型，计算参数[14]见表5。

表3  乳化炸药基本参数

表4  空气材料基本参数

表5  炮泥材料基本参数

2.2  模型建立

在隧洞开挖施工中，周边孔是影响爆破效果的重要因素，直接影响爆破后的超欠挖现象，因此周边孔参数的设置尤为关键。设置了不耦合系数K为1.2、1.4、1.7及药量不变，装药段为2、3、4的装药结构，炸药起爆方式皆为底部起爆。拟以周边孔为研究对象，除开挖面外的所有面均采用无反射边界，炸药、空气、节理炮泥采用 ALE算法，围岩采用拉格朗日算法。三维模型如图1所示。采用关键词*DEFINF定义荷载曲线CURVE，从0开始加载至5 MPa，利用关键字*INTERFACE输出包含地应力信息的dynain文件代替原来的k文件，实现了对模型上下各面5 MPa的应力作用。

（ａ）  不耦合装药结构

（ｂ）  空气间隔装药

图1  三维模型图

3  结果分析

3.1  不耦合系数爆破效果对比

不耦合系数K分别为1.2、1.4、1.7时周边孔爆破效果图如图2所示，岩体损伤程度由蓝至红逐渐加大，红色范围表示粉碎区。研究结果显示，当不耦合系数K=1.2时，粉碎区范围较大，岩体破碎充分，炮孔之间形成了良好的贯通效果，但由于不耦合系数较小，炸药爆炸能量衰减不充分，对隧道轮廓线产生较大冲击，导致出现较大的超挖現象；当不耦合系数K=1.4时，粉碎区范围适中，岩体破碎充分，炮孔之间形成了良好的贯通效果，且由于爆炸能量衰减，衰减之后能量不会对保留岩体产生较大破坏，有效缓解了隧道爆破产生的超挖现象，爆破效果较好；当不耦合系数K=1.7时，岩石虽然还是可以破碎并且在炮孔之间形成贯通，但由于能量衰减太过严重会导致出现欠挖现象。

（a）  K=1.2                  （b）  K=1.4

（c）  K=1.7

图2  周边孔爆破效果图

3.2  空气间隔装药爆破效果对比

由3.1节结果得出当不耦合系数K=1.4时，隧道周边孔爆破效果最佳，以下以K=1.4为例进行空气间隔装药结构的模拟。装药段数分别设置为2、3、4段，装药结构如图3所示。

（a）  2段装药

（b）  3段装药

（c）  4段装药

图3  装药结构图

为确定最优间隔装药结构，选取距离炮孔自由面1、1.5、2、2.5、3、3.5和4 m处有效应力进行分析，如图4所示，当选用2段装药时，各自由面有效应力分别为2.9、17.9、76.7、39.8、34.7、82.2 和16.4 MPa。除了距离自由面1 m处，其余各处有效应力皆大于岩石抗拉强度，但由于连续装药导致有效应力过大，可能会对岩体造成过大的破坏。当选用3段装药时，各自由面有效应力分别为7.19、11.8、24.2、17.8、31.1、42.1和12.8 MPa。有效应力情况与2段装药相似，依然是除1 m处之外的有效应力大于岩石抗拉强度，但有效应力却显著降低，可以减轻对轮廓线外岩体的破坏。当选用4段装药时，各自由面有效应力分别为12.5、18.6、17.3、16.5、18.2、16.7和14.3 MPa。各处有效应力皆大于岩石抗拉强度，对隧道轮廓线成型起到帮助，且由于炸药均匀分布，使得有效应力在达到岩石破坏要求的同时，又不会对轮廓线以外的岩体产生过大的破坏，导致严重的超挖现象。

（a）  2段装药

（b）  3段装药

（c）  4段装药

图4  拱顶有效应力图

4  现场应用

为了进一步证实以上结论，以雷榕高速公路白竹山隧道为例，开展了一系列的现场测试。利用非耦合装药系数K=1.4、炮泥长度0.6 m、空气介质0.6 m和单节装药量0.3 m的4段间隔装药结构，既能确保隧道轮廓线成形，又能均匀地作用于岩体中，大大减轻了超欠挖问题。如图5所示，通过对周边孔装药结构及爆破参数的优选，超挖最大值为22 cm，最小值为11 cm，平均超挖量为20 cm。

图5  超欠挖监控量测结果图

5  结论

1）地应力作用下，炸药破岩效果会受到抑制，合适的不耦合系数可以使得隧道爆破效果得到改善，分别以不耦合系数K为1.2、1.4、1.7进行了数值模拟，以周边孔爆炸效果作为衡量标准，最后得出当K=1.4时，爆破粉碎区范围适中，岩体破碎充分，炮孔之间形成了良好的贯通效果。

2）周边孔连续装药会使得爆破应力过大，空气间隔装药可以缓解这一现象，在装药量不变的情况下，以装药不耦合系数K=1.4，孔底空气长度为0.6 m，装药段分别为2、3、4段进行数值模拟，将有效应力和岩体抗拉强度进行比较，得出当4段空气间隔装药时，所有测量点有效应力皆超过岩石抗拉强度8.9 MPa，隧道轮廓线成型效果最好。

3）对雷榕高速白竹山隧道YK17+970～YK18+920区段进行了现场试验，超挖最大值和最小值分别为22 cm和11 cm，超欠挖的治理效果良好。

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