软弱夹层对隧道光面爆破效果影响机理研究

张运良，孙宁新，毛雨，雷明锋, 2，苏光明，黄国富，安永林

软弱夹层对隧道光面爆破效果影响机理研究

张运良1，孙宁新1，毛雨1，雷明锋1, 2，苏光明3，黄国富4，安永林5

(1. 中南大学 土木工程学院, 湖南 长沙 410075；2. 重载铁路工程结构教育部重点实验室，湖南 长沙 410075；3. 中铁十六局集团路桥工程有限公司，北京 101500；4. 中建隧道建设有限公司，重庆 401320；5. 湖南科技大学 土木工程学院，湖南 湘潭 411201)

以一实际隧道为工程依托，采用ANSYS/LS-DYNA数值模拟方法，针对含软弱夹层围岩隧道光面爆破成型效果问题开展研究。根据软弱夹层与隧道光爆层的相对位置关系，对软弱夹层的空间分布形态特征进行归类和概化处理，提出一种适用于分析软弱夹层影响下光爆层爆破成型效果的概化模型；开展软弱夹层对隧道爆破成型效果影响的多工况数值计算，分别从爆炸应力波的传播及爆生气体的楔入2个方面探讨软弱夹层对隧道爆破成型效果的影响机理，推演得到不同软弱夹层赋存状态下隧道爆破成型轮廓分布图式；结合工程实际施工情况，提出软弱夹层条件下隧道超欠挖爆破控制措施并进行爆破试验验证。结果表明，推演的软弱夹层条件下爆破成型与实际吻合较好；爆破参数调整后，隧道爆破成型效果理想。

隧道；光面爆破；软弱夹层；数值模拟；超欠挖控制

钻爆法以其成本低、不必投入大型机械设备和适用范围广等优点，仍是我国当前修建山岭隧道的主流施工方法[1]。大量实践经验表明，隧道钻爆法开挖，爆破效果的好坏对施工成本及进度等有重要影响[2]。特别是，当隧道穿越节理裂隙、软弱夹层发育的地层时，受这类结构层低强度、力学界面突变等特性的影响，爆破效果往往不易控制，超欠挖严重，甚至出现塌方工程事故等[3]。如安徽六安高速公路新开岭隧道在穿越软弱夹层地段爆破施工时，洞顶出现严重塌方，最大坍塌高度为2.8 m，塌方总体积达400 m3。有鉴于此，国内外诸多学者针对该类问题开展了大量的研究工作。郝亚飞等[4-5]通过相似模型试验研究爆破作用下含软弱夹层岩体的层裂特性及稳定性。黄锋等[6-7]对软弱夹层围岩开挖时的变形发展过程进行模拟，指出可根据围岩周向应力增量，确定围岩松动区范围。韩新平等[8-9]开展了含软弱夹层顺层岩体的深孔爆破试验，指出药包与软弱夹层的间距是影响含软弱夹层岩体台阶爆破效果最重要的因素。梁为民等[2, 10]通过数值模拟和试验研究相结合的方法，比较软弱夹层的有无以及夹层的不同厚度对确定位置应力波的影响。张斌等[11-12]针对软弱夹层围岩进行爆破方案的优化设计，提出使用半管爆破或电子雷管等优化措施。现有研究成果在探讨软弱夹层对隧道爆破施工的影响时，多假定夹层为水平向，缺乏对其他位置关系的考量，且主要关注爆炸应力波的传播特性，而未直接关联其成型效果，因此，难以直接应用或指导施工。为此，本文以一实际隧道工程为背景，针对含软弱夹层围岩段隧道爆破成型效果问题，采用数值试验方法，探讨软弱夹层空间位置分布特征对爆破成型效果的影响规律，进而提出相应的控制方法，以期为类似工程提供经验借鉴。

1 软弱夹层空间形态特征分析

1.1 形态分类

实践证明，光面爆破是当前隧道工程中应用最为广泛，且成型效果较好的控制爆破技术。其核心是根据岩土体性质对光爆层的炮眼(周边眼)布置、装药量进行合理设计，从而达到控制超欠挖和保护围岩的目的。与此同时，自然界中，软弱夹层空间分布复杂，需要采用较多的参数来概化和表征其形态特征。因此，考虑到文章的研究目的以及隧道光面爆破技术的设计关键，本文仅从软弱夹层与隧道光爆层的相对空间位置关系来归纳总结其形态特征。同时，为进一步为简化分析，作出如下限定：

1) 仅考虑隧道横断面范围，不考虑软弱夹层沿隧道轴线的分布状态及其对爆破效果的空间影响。

2) 所研究的软弱夹层是指赋存于坚硬岩体中的薄层软弱地质体，厚度一般为几厘米到几十厘米。因此，在考虑软弱夹层与光薄层尺度及厚度关系时，仅按“厚夹层”和“薄夹层”2种情况。如图1：1)软弱夹层较薄，实际施工过程中，炮孔不会布置在软弱夹层中，夹层一般与炮孔连心线相交；2)软弱夹层较厚，为了满足隧道开挖轮廓的尺寸要求，需在夹层内布置炮孔。

由此，进一步考虑软弱夹层与光爆层的位置关系可得到其空间形态分布类型。图2给出了厚软弱夹层相对于光爆层的分布形态类别。同理，也可得到薄软弱夹层相对于光爆层的形态分布类型。

(a) 厚软弱夹层；(b) 薄软弱夹层

(a) 软弱夹层位于光爆层以外；(b) 软弱夹层与光爆层局部相交；(c) 软弱夹层整体穿过光爆层

1.2 形态特征概化

通过上述形态特征分析可见，考虑软弱夹层对光爆层爆破效果影响的工况仍然较多，难以全面分析。因此，有必要对其形态特征分类情况进行概化处理，以建立一种适用于分析软弱夹层影响下光爆层爆破成型效果的简化概念模型。

1) 根据前期计算分析发现，尽管软弱夹层的存在，对光爆层爆破成型效果存在较大的影响，但其影响范围相对有限。哈努卡耶夫[13]认为，炸药爆炸后，形成的压碎圈半径为装药半径的2~3倍，裂隙圈半径为装药半径的10~15倍。基于此，可假定软弱夹层对光爆层成型效果的影响范围为15倍装药半径。图3给出了薄软弱夹层位于光爆层以外时的大致影响区域(红色虚线框)。从中分析可见，软弱夹层对隧道爆破开挖效果的影响主要反映在靠近软弱夹层的若干周边眼区域，如图3(a)中，2号～6号炮孔区域(区域A)即为爆破效果受软弱夹层影响的范围，而其他范围基本不受软弱夹层的影响。

(a) 夹层水平分布；(b) 夹层垂直分布；(c) 夹层倾斜分布

2) 相对爆炸应力波而言，重力作用影响相对较小。因此，针对光爆层的爆破成型效果，图3中区域A，区域B和区域C可视为是等效的，其仅仅是整体的位置和角度变化，而软弱夹层、炮孔和光爆层三者之间的相对关系并未改变。

基于上述原则和分析，软弱夹层对光爆层成型效果的影响研究可概化为对与空间位置分布无关的一个爆破影响区进行研究，不妨称之为“关注区”，如图4。同理，对于厚、薄软弱夹层在其他空间位置分布时也可以根据软弱夹层、炮孔、光爆层三者相对位置关系，分别提取出一个关注区进行研究。

图4 薄夹层在开挖轮廓线以外时的关注区

2 数值模型

2.1 材料本构及参数

2.1.1 围岩材料模型

数值模型中设定围岩为弹塑性体，满足双线性随动硬化本构关系，采用2个不同斜率来表征岩体弹性和塑性阶段的应力应变关系，如图5。图中，为强化参数，为弹性模量，t为切线模量。

图5 围岩材料本构

表1 岩体和软弱夹层力学参数

依据工程实况，岩体与软弱夹层网格单元的材料参数分别采用砂岩与炭质板岩的力学参数，如表1。

2.1.2 炸药材料模型

炸药选用常用的2号岩石乳化炸药，其物理力学参数见表2。模型中，炸药材料选用LS-DYNA内嵌的高能炸药材料模型*MAT_HIGH_EXPLO- SION_BURN，对应的JWL状态方程为：

式中：为爆轰产物压力；为相对体积；0为初始比内能；，，1，2和为常数。

表2 2号岩石乳化炸药材料参数

表3 空气材料参数

2.1.3 空气材料及状态方程

炸药在炮孔中采用不耦合装药结构布置，耦合介质为空气，采用LS-DYNA程序提供的空白材料模型*MAT_NULL以及线性多项式状态方程*EOS_ LINEAR_POLYNOMIAL进行模拟：

式中：06为常数；其他符号意义同前，对应的参数取值见表3。

2.2 计算工况

根据前述概化处理模型，计算选取3种代表性断面进行建模分析，其关注区如图6。具体计算工况见表4，其中，厚软弱夹层的厚度为50 cm，薄软弱夹层的厚度为8 cm。由此，基于ANSYS/LS- DYNAMIC程序可建立相应的计算模型，表4给出了对应工况下的关注区网格图。

表4 计算工况

(a) 厚夹层在隧道开挖轮廓线以外；

(b) 厚夹层与光爆层内轮廓线部分相交；

(c) 薄夹层与光爆层外轮廓线相交

图6 计算工况所对应的关注区

Fig. 6 Focus area corresponding to calculation conditions

上述工况模型整体尺寸以及炮孔尺寸均相同，区别仅在于软弱夹层的厚度以及软弱夹层的分布位置。图7给出了工况2的计算模型细节：模型整体尺寸为700 cm×300 cm，采用“薄片型”三维计算模型。软弱夹层厚度为50 cm，倾角为0°；周边眼共13个，直径为42 mm，间距为50 cm；2号岩石乳化炸药直径为16 mm，采用不耦合装药结构，径向不耦合系数为2.63；隧道光爆层厚度为60 cm，并假定隧道掌子面中部岩体已按设计要求挖除。四周均设置无反射边界条件以模拟围岩的无限性，其施加方法为：将模型四周的节点选出并建立为组元(Component)，将该组元的约束定义为无反射边界条件(Non-Refl Bndry)。图中虚线框弧线部分未添加无反射边界条件以模拟爆破自由面。

图7 工况2关注区有限元模型

3 计算结果分析

在使用LS-DYNA进行爆破仿真过程中多采用Von Mises有效应力来表示岩体的应力特征[14-15]，分析结果得到广泛认同。Von Mises应力是基于剪切应变能的一种等效应力，遵循材料力学的第四强度理论。它同时考虑了3个主应力对材料屈服的影响，适用于一般材料在外力作用下产生塑性变形的破坏形式。鉴于此，本文采用 Von Mises 有效应力来评价爆破过程中岩体的破坏情况。

图8给出了各工况起爆后=150s时有效应力场分布及最终爆破效果计算结果，分析可知：

1) 无软弱夹层条件时(工况1)，炸药起爆后，爆炸应力波呈圆形由炮孔中心向四周传播，在=150s时已传播至自由面并产生反射拉伸应力波，造成光爆层岩体受拉破坏而出现层裂。同时，爆炸应力波在岩体中相遇叠加，炮孔之间形成贯通裂隙，开挖轮廓面基本形成。爆破结束后，形成较为规整的开挖面，成型效果较好。

2) 厚软弱夹层的存在(工况2)，一方面使得爆炸应力波在软弱夹层迎波面发生反射并产生拉伸应力波，造成夹层下层面与开挖轮廓线之间拱顶区域的岩体破坏加剧；另一方面阻隔了爆炸应力波向拱顶方向传播，该作用并不会对爆破效果造成影响，但由于软弱夹层的抗拉强度显著低于相邻岩体的强度，导致爆生气体侵入软弱夹层内时，即使强度被削弱却仍能造成夹层的破坏。隧道爆破结束后，拱顶部分出现超挖，清除危石后拱顶呈板状，爆破成型效果较差。

3) 软弱夹层的低强度特性，造成夹层内炮孔爆炸对夹层岩体的破坏程度明显大于相邻岩体，从而形成拱腰处超挖(工况3)。同时，在爆生气体的楔入作用下，夹层下层面出现膨胀开裂，使得关注区拱腰处围岩超挖量增大。由于靠近软弱夹层上层面的炮孔爆生裂隙朝垂直于上层面方向发展，使得夹层上层面上方拱腰处有少量欠挖。另外，尽管爆炸应力波会在夹层下层面产生反射拉伸作用，造成拱脚部位岩体的爆生裂隙向垂直夹层方向发展，但由于软弱夹层下层面夹层法线方向与相邻两炮孔连心线夹角较小，从而使得裂隙发展方向与炮孔连心线方向相差不大。光爆层外轮廓线拱顶部分与软弱夹层上层面之间的岩体则由于爆炸应力波的反射拉伸作用而破坏充分，且未对隧道开挖轮廓线以外岩体造成损伤。隧道爆破结束并清理完危石后，关注区拱腰部位软弱夹层处超挖量较大，同时上层面上方局部存在欠挖，爆破成型效果较差。

4) 薄软弱夹层的存在(工况4)，阻隔了夹层上下侧爆炸应力波的传播与叠加，导致上侧炮孔爆炸产生的应力波透过软弱夹层传播至自由面时强度出现严重衰减，从而使得光爆层拱腰处岩石破坏不充分，造成大块岩石脱落。同时在夹层与拱腰两炮孔连心线相交处，夹层隔断了炮孔间爆生裂隙的贯通，使得夹层上侧岩体出现局部欠挖。由于应力波在薄夹层的下层面发生反射，使得夹层下侧靠近拱脚部位岩体出现超挖。另外，在爆生气体的楔入作用下，夹层内岩体相对夹层上方岩体先发生顺层破坏，使得夹层上方光爆层拱部位置岩体也出现大块岩石未充分破坏现象。隧道爆破结束后，在清理危石的过程中，靠近拱脚处的岩体呈大块状脱落，爆破成型效果较差，爆渣大块率较高。

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(a) 工况1；(b) 工况2；(c) 工况3；(d) 工况4

4 隧道爆破成型效果推演

根据前述4种工况关注区爆破结束后断面轮廓图及其与软弱夹层的相对空间形态特征，进一步可推演出厚、薄软弱夹层其他不同空间位置分布条件下的隧道爆破成型效果，如图9和图10，进而可为实际施工和爆破设计提供参考。图中实线为爆破开挖结束后的断面轮廓，虚线分别为光爆层以及软弱夹层轮廓线。

5 工程应用

5.1 工程概况

依托工程为我国某在建分离式双线隧道工程，该隧道左右洞长度分别为3 024 m和3 049 m，隧址区地层主要为坡洪积堆积层及三叠系风化砂岩。施工过程揭露，该隧道局部存在软弱夹层，层厚约92 cm，具体位置关系如图11。前期施工过程中，因未有效考虑软弱夹层对光面爆破效果的影响，出现了较为严重的超挖现象，典型的成型轮廓如图12。从中分析可见，隧道左拱腰及拱顶处出现明显超挖，其成型轮廓与前述分析中厚软弱夹层与光爆层外轮廓线部分相交且倾斜分布时隧道爆破成型效果相似，可见，前述分析和推演结果具有可靠性。

(a) 厚软弱夹层在开挖轮廓线以外；

(b) 厚软弱夹层与光爆层外轮廓线部分相交；

(c) 厚软弱夹层与光爆层内轮廓线部分相交；

(d) 厚软弱夹层与光爆层内轮廓线完全相交

图9 厚软弱夹层条件下隧道爆破成型效果

Fig. 9 Blasting shaping effect of tunnel under thick and weak interlayer conditions

(a) 薄软弱夹层在开挖轮廓线以外；(b) 薄软弱夹层与光爆层外轮廓线相交；(c) 薄软弱夹层与光爆层内轮廓线相交

图11 隧道掌子面软弱夹层分布示意图

单位：m

5.2 超欠挖成因分析

结合前述分析，从隧道左拱腰及拱顶处超挖形成机理上，超挖部位可分为A和B 2个区域，其中区域B可分为2个部分并分布在区域A两侧，如 图13。

图13 隧道超挖部位分区图

1) 由于软弱夹层岩性为炭质板岩，遇水易软化，加上该围岩段地下水极发育，使得软弱夹层的强度明显低于相邻岩体(砂岩)。当布置在夹层内的周边眼爆炸时，将造成夹层内岩体的破坏程度显著高于相邻岩体，破坏范围超过了隧道开挖轮廓线而在区域A形成超挖。同时，由于爆炸应力波在夹层下层面的反射拉伸作用，使得区域B的爆生裂隙向夹层处延伸发展，从而造成区域B的超挖。

2) 由于爆生气体在夹层内的“气楔”作用，使得夹层下层面出现膨胀开裂，在此过程中，一方面导致区域A和区域B超挖现象加重，另一方面由于爆生气体压力迅速减小并沿着张开裂隙向夹层深处渗流而引起能量大量损失，使得光爆层拱顶处围岩无法被破坏而造成大块岩石脱落，最终导致爆渣的大块率增加。

5.3 超欠挖控制措施及效果

基于前述软弱夹层对隧道成型效果的影响规律分析，对现场爆破参数进行调整和试爆。

1) 将区域A中的周边眼钻孔位置向隧道设计开挖轮廓线内偏移10 cm；周边眼间距由原来的50 cm调整为40 cm；周边眼单孔装药量由原来的0.21 kg/m调整为0.16 kg/m。

2) 对区域B中的周边眼在两炮孔间增设导向空眼；周边眼单孔装药量由原来的0.21 kg/m调整为0.18 kg/m。

3) 周边眼采用间隔装药结构，将中间间隔装药量由原来的1卷药，调整为0.5卷，由此间隔距离也随之减小。

爆破试验长度累计24 m/12个循环，典型成型轮廓检测结果如图14，开挖效果统计如表5。

单位：m

从中分析可知，

1) 调整后，除局部仍存在少量超挖与欠挖外，开挖轮廓更加平整，爆破成型较理想。

2) 平均线性超挖量由前期的16.4 cm减小为6.1 cm，减少幅度为62.5%；隧道洞壁半眼残痕率由前期的19%增长为46%；隧道出现欠挖的概率由前期的33%降低为12%，可见爆破参数调整后，超欠挖量明显减小。

3) 前期施工段爆破结束隧道轮廓周边围岩松动、掉块现象较严重，而试验段基本无掉块现象且渣堆大块率也相对减小。

表5 隧道超欠挖效果比较表

6 结论

1) 根据软弱夹层与隧道光爆层的相对位置关系，对“厚夹层”及“薄夹层”的空间分布形态特征进行归类和概化处理，提出一种适用于分析软弱夹层影响下光爆层爆破成型效果的简化概念模型。

2) 设置典型工况，开展软弱夹层对隧道爆破成型效果影响的有限元数值计算，分别从爆炸应力波的传播及爆生气体的楔入2方面探讨软弱夹层对隧道爆破成型效果的影响机理，并推演得到不同软弱夹层赋存状态下隧道爆破成型轮廓分布图式。

3) 根据依托工程施工情况，开展爆破试验验证，并提出软弱夹层条件下隧道超欠挖爆破控制措施。实践证明推演的软弱条件下爆破成型与实际吻合较好；爆破参数调整后，爆破成型效果理想，超欠挖现象得到有效的控制。

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Study on the influence mechanism of weak interlayer on tunnel smooth blasting effect

ZHANG Yunliang1, SUN Ningxin1, MAO Yu1, LEI Mingfeng1, 2, SU Guangming3, HUANG Guofu4, AN Yonglin5

(1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China;2. Key Laboratory of Engineering Structure of Heavy Haul Railway (Central South University), Changsha 410075, China;3. China Railway 16st Bureau Group Road & Bridge Engineering Co., Ltd, Beijing 101500, China;4. China Construction Tunnel Construction Co., Ltd, Chongqing 401320, China;5. School of Civil Engineering, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China)

Based on an actual tunnel, ANSYS/LS-DYNA numerical simulation method was adopted to study the tunnel smooth blasting effect of surrounding rock with weak interlayer. According to the relative positional relationship between the weak interlayer and the tunnel smooth blasting layer, the spatial distribution characteristics of the weak interlayer were classified and generalized. A generalization model suitable for analyzing the blasting molding effect of smooth blasting layer under the influence of weak interlayer was proposed Then the numerical calculation of multi-working conditions was carried out, and the influence mechanism of weak interlayer on the tunnel blasting effect was discussed from two aspects of the propagation of explosive stress wave and the wedge of explosive gas respectively. The contour distribution schema of tunnel blasting forming under different weak interlayer occurrence state was deduced. Combined with the actual construction situation of the project, the control measures of overbreak and underbreak blasting of the tunnel under the condition of weak interlayer are put forward and the blasting test was carried out. The results show that the calculated blasting molding is in good agreement with the actual conditions. After adjusting the blasting parameters, the tunnel blasting molding effect is ideal.

tunnel; smooth blasting; weak interlayer; numerical simulation; overbreak and underbreak control

10.19713/j.cnki.43-1423/u.T20190241

TU94+1

A

1672 - 7029(2020)01 - 0148 - 11

2019-04-01

中铁十六局集团科技研发计划项目(K2018-08-6)；中建股份科技研发课题(CSCEC-2016-Z-21-1)；中建五局科技研发课题(cscec5b-2016- 06)

雷明锋(1982-)，男，湖南祁东人，副教授，从事隧道及地下工程专业教学与科研工作；E-mail：124520238@qq.com

(编辑 阳丽霞)