张家岩隧道水平层状泥岩段爆破优化研究

陈正林，蒲文明,，陈 钒，潘家奇，马龙浩，任 松

(1.中电建路桥集团有限公司，北京 100048；2.重庆大学 煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆 400044)

随着我国隧道工程建设的不断发展，隧道爆破施工中所遇到的地质问题也变得愈加复杂，尤其对于西南地区，广泛分布着砂质泥岩体，该类岩体为典型的极软岩，在该围岩中进行钻爆法开挖，极易发生超欠挖现象，严重影响隧道施工安全及围岩变形稳定性.

目前，国内外相关学者对隧道光面爆破技术、作用原理等都做了较为深入的研究，黄宝龙[1]等基于工程类比与分析计算的方法，综合考虑炮眼直径与不耦合系数、孔深和角度、炮眼间距、炮眼数目、总装量、起爆顺序以及装药结构等方面因素，对京承高速公路工程横城子隧道的爆破参数进行了计算，最终获得适合该隧道爆破施工的光爆参数；王立功[2]阐述了光面爆破作用机理，并借助工程实例讨论了光面爆破参数的计算方法；顾义磊[3]等从超欠挖量、炮眼孔痕率以及围岩损伤程度三个方面提出了光面爆破质量检验标准；安静[4]通过工程类比及经验分析的方法对砂质泥岩隧道光面爆破技术参数进行了优化设计；杨勇[5]对巷道光面爆破参数的优化设计进行了相关研究；宗琦[6]对软弱岩石的爆破破坏特征进行了分析，基于此，通过理论分析构建了巷道掘进时光爆参数的结构模型，并结合工程实践，进行参数优化，最终得到适合软岩巷道距今施工的光面爆破参数；汪雪清[7]等以实验巷道为研究对象，综合考虑各种因素，通过工程类比和计算分析的方法，获得了适合该巷道光面爆破参数及技术措施.

根据以上研究可知，软弱围岩隧道光面爆破参数优化一般是通过工程类比以及经验分析的方法进行分析研究，抑或采用计算分析的方法，并在工程实践中进行进一步的优化与完善，而通过爆破过程数值模拟及现场验证对比分析的研究还需要进一步的完善与补充.基于此，本文采用ANSYS/LSDYNA软件对重庆江习张家岩隧道泥岩段的爆破参数进行了优化研究，以有效保证隧道爆破施工安全、施工质量、施工效率，降低爆破施工成本.

1 张家岩隧道爆破模拟

1.1 工程概况

张家岩隧道隧址区内地形最高点标高750.52 m，位于右线中部YK55+380山脊线上，最低点标高586.23 m，位于右线进洞口YK53+930处.隧道内轮廓面为拱高7.05 m，上半圆半径为5.45 m的三心圆曲边墙结构，净空面积64.28 m2，周长31.17 m.

隧道左洞起讫里程为：K53+950～K56+295,右线起讫里程为：YK53+930～YK56+300，最大埋深135.92 m.隧道爆破炮孔布置如图1所示.

图1 隧道爆破炮孔布置图

遂址区的围岩类别主要是V级泥岩、Ⅳ级砂岩、Ⅳ级泥岩.在爆破的施工的过程中，必须按照标准控制循环进尺和装药量，尽可能降低爆破振动.全断面爆破时，按起爆顺序依次分别装入多段毫秒电雷管.爆破参数设计见表1和表2.

表1 隧道洞身上导洞开挖爆破参数表

表2 隧道洞身下导洞开挖爆破参数表

Tab.2 The lower excavation blasting parameters

序号炮眼名称炮孔直径炮孔深炮孔数装药结构药卷单孔装药量小计起爆毫秒雷管级别1二台孔421.329连续320.38.752底板孔421.319连续320.35.733共计4814.44开挖面积30.3m25炮孔个数1.6个/m26单位用量0.43kg/m27利用率88%8预计进尺1.2m/每循环,2.4m/d,72m/月9预计药量14.4kg/每循环,28.8kg/d,864kg/月

1.2 室内力学试验

在研究泥岩段隧道爆破机制之前，需要首先清楚泥岩的矿物成分及基本力学性质，这是开展爆破研究的前提.

1.2.1 泥岩矿物成分分析

基于不同的矿物具有不同的晶体构造，结合X射线的衍射原理，根据衍射峰值计算出晶面间距，并与已知表对照，即可确定泥岩的物质成分.本次试验采用日本理学 D/MAX-1200 转靶 X 射线衍射仪，对已制备好的样本进行定性分析，并在定性分析的基础上，进行精确的定量分析.

通过泥岩的X衍射图(图2)，可以得出：泥岩的主要成分为高岭石、绿泥石等粘土矿物以及石英.其中，石英占60%～70%左右，粘土矿物占30%～40%左右；泥岩的天然含水率ω0=0.491%.

图2 泥岩矿物成分

1.2.2 泥岩基本力学试验

采用重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室AGI250电子拉压材料实验机，对泥岩进行基本力学试验，得到的基本力学参数如表3所示.

表3 泥岩常规力学参数表

1.3 模型建立

基于张家岩隧道工程实际，结合现场爆破施工方案，建立三维有限元模型，如图3.模型尺寸20 m×20 m×2 m.计算模型根据隧道的实际尺寸(洞高7.05 m，宽10.66 m)，隧道建在Ⅳ级泥岩中.对模型进行了简化，不考虑重力与地应力对隧道爆破模拟结果的影响，这是因为重力与地应力和爆破所产生的爆破应力波相比较小.

图3 模型示意图

1.4 材料模型和状态方程的构建

本文模拟隧道爆破涉及岩石、空气、炸药三种材料，具体材料模型及状态方程如下：

(1)泥岩材料模型

泥岩的材料模型选用弹塑性材料，各项参数如表4 所示.

表4 岩石的各项参数

该材料模型与应变率相关，可以用应变来考虑失效.可以通过在0(仅随动硬化)和1(仅各向同性硬化)间调整硬化参数β来选择各向同性或随动硬化.应变率用Cowper-Symonds模型来建立，用与应变率有关的因数表示屈服应力.

(1)

(2)

式中，E为杨氏模量，Etan为切成模量.

(2)炸药材料模型及状态方程

炸药采用LS-DYNA中自带的高强爆炸模型，涉及的主要参数有炸药的密度、爆速、爆压，并通过JWL状态方程来描述其爆炸特性，其状态方程为

(3)

式中：E0为炸药燃烧质量分数；Pe为来自于状态方程的炸药爆轰产物压力；V为相对体积；E为单位体积的内能密度；A，B，R1，R2，ω为输入参数.基于现场爆破方案，本文选择乳化炸药来进行模拟，炸药的各参数如表5所示.

表5 乳化炸药各项参数

(3)空气材料模型及其状态方程

空气状态方程通过LINEAR_POLYNOMIAL来进行描述，线性多项式状态方程为

Pa=C0+C1μ+C2μ2+C3μ3+

(4)

式中:Pa为爆轰压力；E为内能；V为相对体积.

表6 空气的各项参数

2 计算结果分析

根据张家岩隧道工程原有的爆破参数，通过数值模拟，得到Ⅳ级泥岩的原爆破成型模拟结果.

图4 Ⅳ级泥岩隧道原爆破成型结果

从原爆破成型结果可以看出，拱顶，拱腰，边墙部分周边轮廓成型较好，但内部存在较大欠挖，内部岩体也并未完全炸开，仰拱超挖35 cm2，局部欠挖超过45 cm，整体爆破效果较差.

针对张家岩Ⅳ级泥岩现场隧道爆破成型差这一情况，并结合相关隧道工程的光面爆破参数表(表7)，选取装药不耦合系数(η)、周边眼间距(d)、相对距(ω)为主要光面爆破参数，同时考虑微差和装药量对爆破成型效果的影响，制定出相应的泥岩爆破方案，具体实施方法为：采用五因素四水平正交试验，共计16组试验.其中，微差变化范围设置为5～20 ms，间隔为5 ms；装药不耦合系数介于1.7～2.5；周边孔孔间距范围介于34～46 cm；装药量范围介于42.35～45.05 kg；相对距的范围介于0.68～0.92.在确定了爆破待优化参数后，根据公路工程质量检验评定标准JTJ071-98，确定了本模拟对于光爆成型效果的评定标准(表8)，数值模拟结果如图5所示(由于试验较多，仅列举部分方案结果).

表7 光面爆破参数表

表8 光面爆破质量评价标准

图5 爆破方案爆破成型结果

从图5(a)～(g)的模拟结果可以得出：方案1，拱肩、拱腰、仰拱周边围岩轮廓较为平整，未出现较明显裂隙，对围岩的损伤扰动较小，上部拱顶出现超欠挖，局部最大线性欠挖量超过15 cm.方案2，周边围岩总体轮廓比较规整，基本达到设计轮廓线，但是在拱顶以及拱腰的位置出现较小程度的欠挖，欠挖范围介于8～10 cm，同时，周边岩体爆破后未出现较明显裂隙，对围岩的损伤扰动较小.方案3，周边围岩爆后存在严重的欠挖现象，上部拱顶欠挖范围超过20 cm，仰拱及拱腰部分的欠挖小于拱顶，欠挖范围约为10～15 cm.方案4，拱腰、仰拱、拱肩处围岩轮廓比较平整，尤其在拱肩部位，围岩轮廓十分平整光滑，效果好，但在拱顶部位存有超挖，约为12 cm，拱腰局部地方有较小范围(最大线性超挖量小于7 cm)的超挖.方案5，各段炮孔爆炸后，周边围岩轮廓即为规整光滑，无较明显的超欠挖现象，唯一不足之处是在拱顶与拱肩交界的地方存在欠挖(小于4.5 cm)，但符合光面爆破质量标准，同时达到设计轮廓线，且半眼孔痕率大于65%，围岩扰动深度小于1 m，基本符合要求.方案6，周边轮廓极不规整，存在较大范围超欠挖量，其中拱顶最大线性超挖约为30 cm，爆破效果差，不满足爆破设计要求.方案7，拱顶处的围岩轮廓平整度相较拱肩、仰拱、拱腰部位要好，拱腰处轮廓呈现波浪状，超欠挖现象明显，且超欠挖量大，对后续的施工造成较为严重的影响，不满足设计要求.综合图5爆破成型模拟结果以及上述分析，得到不同爆破方案下隧道在拱顶、拱肩、拱腰以及拱底位置处的超欠量，如图6所示.

图6 隧道爆破不同位置处的围岩超欠挖量

由图6中隧道爆破不同位置处的超欠挖量，可以明显发现，方案2、5的超欠挖量相较其他爆破方案来说，其超、欠挖量值均在5 cm以内，满足表8隧道光面爆破质量评价标准中规定的隧道超欠挖质量控制要求，同时也直观反映出不同爆破方案下隧道的爆破成型效果.

此外，根据张家岩Ⅳ级泥岩隧道现场实际爆破开挖轮廓线设计，结合隧道爆破成型模拟结果，绘制出现场爆破轮廓线与模拟结果的对比图，如图7所示.

图7 Ⅳ级泥岩方案2与方案5比较图

对比分析爆破方案2与方案5，不同爆破微差，方案5(10 ms)的空气隙厚度要比方案2(5 ms)薄，方案5的装药量小于方案2，周边孔的孔间距相同，均为38 cm.且两组方案的爆破效果都较好，尽管均存在超欠挖现象，但相较其他方案以及原有爆破效果有很大程度的改善，此外，方案2与方案5周边轮廓都非常平整，围岩的损伤范围都较小，但对比方案2与方案5，不难发现，方案2的装药量小于方案5，这就意味着方案2中各段炸药爆炸后在孔壁处产生的爆炸峰值压应力要比方案5要低，相应的减弱了传入围岩中的爆炸能量，进一步减弱了周边围岩中不可见微小裂隙的产生，此外，由于方案2的不耦合系数大于方案5，相同爆炸条件下，炸药产生的爆炸冲击波经由空气层时会繁盛衰减，空气层厚度越大，相应的爆炸能量的衰减幅度就越大，传入围岩的爆炸能量也会相应的有所减小，更进一步减弱了围岩损伤.综合上述，方案2通过利用空气隙的气楔作用，能够在较小药量下，有效地破碎周边围岩，保证周边轮廓的规整，保证隧道开挖过程中不易出现较大的超欠挖现象，所以，对于Ⅳ级泥岩隧道爆破，优选方案2，遵循“装药量少、不耦合系数大”的原则.

将优选得到的方案2与原爆破方案进行比较，可以得到以下结论：优化后的Ⅳ级泥岩隧道周边轮廓规整，超欠挖现象得到很好的控制，欠挖量<70 cm2，爆破整体效果较好.线性欠挖量减少90%，炸药利用率>89%.达到标准，具体结果如表9所示.

表9 Ⅳ级泥岩爆破结果

3 现场测试结果分析

根据张家岩隧道Ⅳ级泥岩隧道施工实际情况，进行现场测试来验证模拟方法的可靠性；另外，对于施工过程中忽略了层理对周边轮廓的影响，导致周边轮廓平整度不足的事实，提出了优化思路，并找出了最佳优化方案.

根据数值模拟所优选出的爆破方案，应用到张家岩层状围岩Ⅳ级泥岩段隧道实际工程中，得到现场经过优化改进的爆破效果，并与模拟效果进行对比验证，如图8、表10所示.

图8 现场结果与数值结果对比(优化后)

表10 Ⅳ级泥岩隧道优化后模拟数值与实测值对比

4 结论

基于张家岩隧道工程地质状况及现场爆破方案，采用数值模拟与现场试验的手段对张家岩Ⅳ级泥岩隧道进行了爆破优化，研究成果有助于解决类泥岩隧道爆破超欠挖及围岩损伤严重的问题，获得了以下结论：

(1)根据现场爆破情况，结合已有相关工程爆破参数表，确定了微差、孔间距、装药不耦合系数、装药量、相对距作为爆破优化参数.

(2)对比分析16组爆破模拟计算结果，结合光面爆破质量评价标准，优选爆破方案2，即微差5 ms，孔径40 mm，孔间距38 cm，装药量43.25 kg，该方案数值模拟结果显示有较好的轮廓成型效果，且拱顶落石少，超欠挖及围岩损伤现象有很好的改善.

(3)将优化后的爆破方案运用到实际工程中，结果显示数值模拟与现场结果基本一致，无论是超欠挖量、围岩剥落程度还是围岩成型效果都十分接近，这表明数值模拟的有效性与可行性，相应的研究成果也可应用到其它类似隧道爆破施工中.