双层周边孔护壁爆破在软弱破碎围岩的应用研究*

2022-03-31黄志强崔正宇杨幸福

爆破 2022年1期

黄志强,崔正宇,刘夺，杨幸福

(1.沈阳工业大学建筑与土木工程学院，沈阳110870；2.中交路桥北方工程有限公司，北京100024)

目前，光面爆破在山岭隧道开挖中得到了广泛应用，但在实际隧道开挖过程中，由于隧道受力特性复杂，爆破效果难以控制，经常会出现超欠挖等不良工况。隧道超欠挖首先会影响隧道围岩稳定性，欠挖部分需要进行二次爆破，这样会对围岩产生爆破震动，扩大隧道围岩松动圈范围，引起坍塌、失稳等工程事故，不利于施工安全；而超挖严重不仅对洞室结构稳定形成不利影响，还容易造成隧道内出渣时间比较长，施工人员施作支护结构周期延长，使工程的材料成本和人员成本增加，导致工程造价的提高。

对于隧道爆破的超欠挖问题，目前已有学者从爆破理论、技术等方面提出了一系列优化措施。国外学者在20世纪60～70年代就开始岩体爆破效果的研究，Rinehart针对应力波在一般岩体中的传播过程和规律进行了研究[1]，认为岩体节理、裂隙对应力波传播影响较大。张志呈等为减少超欠挖[2-4]，降低爆破对孔壁岩石的损伤，提出了光面护壁爆破的技术，并分析了不同种类的护壁形式和作用原理，通过模型试验以及巷道爆破施工验证了其爆破效果。杨玉银、陈长贵等在卡鲁玛水电站尾水隧道施工中提出了“微量装药软岩光面爆破技术”的概念[5]，针对极软岩的开挖采用了双层光面爆破的方法，取得了良好的效果。李启月等针对Ⅳ级围岩爆破后超挖严重的情况[6]，从围岩损伤的角度进行了分析，优化了光爆层厚度、装药结构、起爆顺序等爆破参数，并通过现场试验验证了优化的可行性[7-20]。

上述研究运用不同方法有效控制了光面爆破的超欠挖问题，但并未形成完整的周边孔爆破方案，本课题以小白岩隧道为工程背景，综合以上研究进行一系列优化，提出了双层周边孔护壁爆破技术，通过数值模拟和现场爆破试验验证了该方案的有效性，为类似工程提供参考。

1 依托工程概况

小白岩隧道位于贵州省石阡至玉屏高速公路第TJ07标段(K46+250～K53+473.573)，属于双洞分离式隧道，隧址区地貌起伏较大，且不同程度穿越了断层破碎带、岩溶区等不良地质区域。隧道左洞Ⅳ级、Ⅴ级围岩比例为76.6%，右洞Ⅳ级、Ⅴ级围岩比例为73.8%，其中Ⅴ级围岩的破碎程度最为严重，隧道断面积为98.65 m2，在爆破开挖施工过程中断面轮廓超、欠挖现象比较严重，对洞室岩体自身结构稳定性造成极为不利影响，而且还会带来巨大的经济损失。

2 双层周边孔护壁爆破设计研究

本研究选取YK49+955-YK50+030标段为试验段，该标段属于Ⅴ级围岩，围岩主要为中风化炭质页岩及变余砂岩，薄-中厚层状构造，岩体极破碎，拱部及两侧壁自稳性差，开挖时易发生滑塌。图1为Ⅴ级围岩中原爆破方案的炮孔布置图，根据图1的炮孔布置图可知，由于隧道断面面积较大，原爆破方案中炮孔数达222个，每循环炸药使用量较大，爆破过程中产生的应力波和爆生气体会破坏围岩的应力平衡，从而使岩体内部应力重分布或发生局部应力集中。当局部应力大于围岩强度，很容易造成岩体内部破坏，影响隧道洞室结构的稳定性。

图1 上台阶光面爆破炮孔布置图(单位：cm)Fig. 1 Layout diagram of blasting holes upper steps(unit:cm)

为了解决超欠挖问题，减小爆破振动对围岩松动圈的影响，施工设计中设置了双层周边孔，在外层周边孔保留岩体一侧添加了护壁管，并且调整了周边孔的爆破顺序。研究中通过理论分析、数值模拟等方法来优化爆破参数，并结合现场的监测数据进行验证。

2.1 炮孔布置优化

由文献[6]可知，实际爆破开挖施工中，最外层辅助孔要先于周边孔起爆，而且装药量大于周边孔，辅助孔产生的应力波经叠加反射之后使岩体的裂纹扩展并产生新的裂纹，因此光爆层的岩体性质已经发生改变。由豪柔公式可知，光爆层厚度为[6]

(1)

式中：qb为单孔装药量；lb为孔深；c为单位体积的炸药消耗量，设计中只考虑单层孔作用而忽略了二圈孔的损伤影响。实际爆破中周边孔起爆前光爆层已经受到损伤破坏，即使周边孔采取了不耦合装药超挖情况仍然难以控制，这种损伤效应在软弱破碎围岩中尤为严重。

根据以上研究，为了有效控制超挖量，减小最外层辅助孔对光爆层的损伤破坏，应适当降低外层辅助孔的装药量。研究中将图1中的11#炮孔调整为与13#炮孔相同的装药结构，形成了双层周边孔，这样可以防止内层周边孔单孔装药量过大使裂纹贯穿光爆层，从而减小对岩壁的损伤。

2.2 装药结构优化

双层周边孔的装药结构均为不耦合装药，由于装药量的减少，轮廓处的爆生气体和应力波作用会显著下降，容易造成欠挖情况出现，对于欠挖部分需要进行二次爆破，对围岩的损伤更加难以控制。研究中在最外层周边孔设置了护壁管，添加护壁之后只有少部分爆破冲击波能够穿透护壁管和空气介质的双重阻隔，然后作用于岩壁上，大部分会在护壁管的反射作用下集中在抛掷岩体一侧，在减少超挖的同时也杜绝了欠挖情况的发生。

图2为双层周边孔护壁爆破示意图，周边孔引爆时先起爆外层周边孔，在护壁管的作用下应力波会向临空面一侧集中传播，并与内层周边孔爆破后的应力波产生叠加效应，从而提升爆破威力。另外，外层周边孔起爆后爆生气体由于护壁管的阻隔作用，在护壁管边缘处形成了“气楔”作用，爆生气体在岩壁上产生张拉应力使围岩产生裂缝，当外层周边孔同时起爆完成后就能使裂缝贯通，形成基本的隧道轮廓线。

图2 双层周边孔护壁爆破力学模型Fig. 2 Blasting mechanical model of double-layer perimeter hole and casing pipe

双层周边孔的装药结构如图3和图4所示，内外层周边孔均为空气间隔不耦合装药，而外层周边孔则在保留围岩的一侧设置护壁管，将护壁管与药卷绑扎在一起，并用定位卡环固定护壁的方向，最大程度地减小围岩损伤。

图3 外层周边孔装药结构示意图Fig. 3 Chart of charge structure of outer perimeter hole

图4 内层周边孔装药结构示意图Fig. 4 Chart of charge structure of inner perimeter hole

2.3 起爆顺序优化

原爆破方案中爆破施工的起爆顺序为：掏槽孔→掘进孔→辅助孔→底板孔→周边孔，每层炮孔的起爆时间间隔为100 ms。调整之后周边孔的起爆顺序细化为：外层周边孔→内层周边孔，先起爆外层周边孔，在护壁作用下使爆破冲击波定向传播，延隧道轮廓线使裂缝贯通，再起爆内层周边孔形成完整的隧道断面，整体上具有预裂爆破的效果。为了增强应力波的叠加效应，内外层周边孔起爆的时间间隔缩短为50 ms，在保证爆破质量的基础上控制超欠挖情况的发生，图5为双层周边孔的整体布置示意图。

图5 双层周边孔布置图Fig. 5 Layout of double-layer perimeter Holes

3 数值模拟研究

3.1 护壁爆破数值模拟

护壁爆破是指为保护设计轮廓线外的岩体，爆破时在炮孔内额外添加一层或多层具有一定强度和密度的护壁管的爆破技术。施工中在外层的周边孔设置了单层护壁，通过岩体护壁爆破机理分析和数值模拟，开展相关研究。

如图6所示，在抛掷岩体的一侧由于没有护壁管的保护作用，爆破冲击波可直接作用于岩体，其作用效果相当于普通光面爆破，在保留岩体一侧爆轰波需要穿透护壁和空气的双重阻隔，对保留岩体一侧炮孔内壁的破坏程度有所减小，因此能达到保护保留岩体的目的。

图6 光面护壁爆破示意图Fig. 6 Schematic diagram of casing pipe smooth blasting

为验证护壁爆破中护壁管对岩体的保护效果，运用ANSYS/LS-DYNA数值模拟软件建立护壁爆破模型，计算中主要采用Lagrange和ALE算法。如图7所示，模型中炮孔孔径40 mm、药柱直径32 mm，堵塞长度5 cm、药柱长度3 cm，在保留岩体侧炮孔内添加了护壁管，光面护壁爆破的护壁方式为炮孔内壁与护壁管耦合，护壁材料PVC管厚2 mm；为模拟岩体无限边界，模型左右两侧和后方均设置为无反射边界，采用药柱中心起爆的方式。

研究中在保留岩体一侧和抛掷岩体一侧选取两个质点，测定其在爆破过程中应力变化特征，如下图7。药柱起爆之后，a点和b点所受压力同时增大，爆破抛掷岩体一侧压力峰值出现在爆破后37.7 μs，其最大值为557.64 MPa，保留岩体一侧压力峰值出现在爆破后41.2 μs，其最大值为349.12 MPa(图8)，保留岩体一侧压力降低37.39%，由于护壁管的阻隔峰值起始时间滞后3.5 μs。

图7 质点位置Fig. 7 Particle position

图8 压力时程曲线Fig. 8 Pressure time interval curve

通过模拟结果可知，护壁爆破相对于光面爆破，由于护壁管的存在，有利于降低爆炸能量对保留岩体的破坏，同时也有利于将更多能量用于破碎抛掷岩体，达到既保护保留岩体、又充分利用能量破坏抛掷岩体的目的。

3.2 双层周边孔间距研究

如图9所示，取双层周边孔一部分作为研究对象，设环向间距为d，径向间距为s，外层周边孔取两个，内层周边孔取一个，形成一个三角形结构。在原设计方案中周边孔间距为450 mm，最外层辅助孔与周边孔的径向间距为650 mm，研究中运用ANSYS/LS-DYNA建立有限元模型，以超欠挖量衡量环向间距d的最佳值，以三角形结构的中心单元所受应力峰值来确定径向间距s的最佳值，模拟爆破时先引爆外层周边孔，再引爆内层周边孔，时间间隔为50 ms，通过有限元模拟为现场掌子面炮孔的布置提供参考依据。

图9 双层周边孔位置示意图Fig. 9 Position diagram of double-layer perimeter hole

在原设计方案中环向间距d为450 mm，研究中将d从400 mm到600 mm逐渐递增，每次间距增大10 mm，经过数值模拟之后超欠挖量的变化曲线如图10所示，当环向间距d为500 mm时，超欠挖量接近于0，爆破效果达到最佳，因此现场双层周边孔的环向间距选择500 mm。

图10 环向间距对超欠挖影响曲线Fig. 10 Influence curve of circumferential spacing on over-under-excavation

而对于径向间距s，原设计方案中为650 mm，研究中将s从500 mm到700 mm进行递增，每次变化量为20 mm，如图9中三炮孔形成的三角形结构，取其中心单元监测爆破过程中受到的应力峰值，比较后确定最佳径向间距。由下图11可知，当径向间距为640 mm时，中心单元的应力峰值达到最大为1093 MPa，但考虑到原设计方案中径向间距为650 mm，现场钻孔时640 mm的间距难以控制，因此双层周边孔的径向间距仍保持650 mm。

图11 径向间距对应力峰值影响曲线Fig. 11 Influence curve of radial spacing on peak stress

4 现场爆破效果分析

施工中在试验段先进行两个循环的双层周边孔护壁爆破开挖，然后选取隧道开挖断面进行监测，检验隧道开挖情况是否符合设计。表1为双层周边孔护壁爆破参数表。

表1 双层周边孔护壁爆破参数Table 1 Blasting parameters of double-layer perimeter holes

对于本案例中的Ⅴ级围岩标段，选取右线YK49+980断面与左线ZK49+980断面进行对比，两断面的地质情况基本相同，其中右线采用了双层周边孔+护壁的布孔形式，而左线则为原布孔方案，开挖轮廓线示意图如图12所示，左右线隧道断面的设计半径均为6.23 m，在隧道轮廓周边布设15个测点，检测开挖断面的超欠挖量。

图12 开挖轮廓监测示意图(单位：cm)Fig. 12 Excavation contour monitoring schematic(unit:cm)

如下两表所示，表2为左线开挖断面检测结果，表3为右线的检测结果，原设计断面中隧道的轮廓半径为6.23 m，而在实际的爆破开挖中，软弱破碎围岩均存在不同程度的超挖情况。将两断面的超挖量对比可知，采用双层周边孔爆破后超挖量明显减小，左线隧道最大超挖为29 cm(8#)，而右线隧道最大超挖减小为17 cm(7#)，减小了41.3%，欠挖现象基本杜绝，而超挖状况也得到了明显改善，其中超挖的部位主要集中在拱顶处，因此在现场开挖中应注意拱顶部位的加固和支护。

表2 ZK49+980断面检测结果(单位：m)Table 2 ZK49+980 Section detection results(unit：m)

表3 YK49+980断面检测结果(单位：m)Table 3 YK49+980 Section detection results(unit：m)

现场试验断面爆破完成后，施工中最小抵抗线由60 cm增大为80 cm，炮孔数量也减少了10个。根据考虑到工程的经济性指标，将最外层辅助孔的装药结构调整为周边孔后，每个炮孔的炸药使用量由1.01 kg减少为0.98 kg，整个断面每循环进尺炸药使用量减少了22 kg，降低了爆破施工成本。

常规光面爆破与双层周边眼光面爆破的爆破效果对比列于表4。

表4 爆破效果对比Table 4 Comparison of blasting effect

常规光面爆破与双层周边眼光面爆破耗材对比见表5。

表5 每循环耗材对比分析Table 5 Comparative analysis of consumables per cycle

由表4和表5可知，与常规光面爆破相比，采用双层周边孔护壁爆破后隧道每循环施工的耗材量明显减少，整体的施工成本有所下降。最大超挖量减小了41.3%，爆破后的抛石距离较之前更为集中，有利于出渣，加快了施工进度，而且在最外层周边眼设置了护壁，根据监测结果，围岩松动圈显著减小，爆破后周边围岩的稳定性有所提高，提升了工程的安全系数。

图13和图14为双层周边孔护壁爆破后的现场照片。