基于损伤理论的硬岩隧道爆破开挖参数研究

2022-04-14陈运波彭隔年

山西建筑 2022年8期

陈运波，张建，彭隔年，周琪，贺睿

(1.中铁五局集团有限公司，湖南衡阳 420002； 2.中南大学，湖南长沙 410083)

0 引言

随着经济发展和城市现代化建设，我国高速铁路规模越来越大[1]。作为高速铁路的一个重要组成部分，隧道无论是座数或是长度的规模均在逐渐扩大，结构设计和施工难点也在逐步增加。建设期间，隧道通常会采取钻爆法施工[2-4]，为此，许多学者开始了爆破参数的研究工作[5-9]。

装药结构是影响爆破效果的重要因素[10-11]。付强[12]发现，空气不耦合装药结构具有缓冲爆炸冲击波的作用，使作用于炮孔壁的冲击波强度减小，作用时间增长，从而提高爆破效率。张理维等[13]发现，炮孔连线间岩体的损伤程度随孔间距增大而减小，损伤区由贯通变为不贯通。

爆破作用效果受装药结构、岩体性质等多种因素影响，既有分析很少装药结构在凝灰岩中的作用效果，而盲目套用既有研究成果很可能会导致爆破效率低或材料浪费等现象。为向浙江省奉化市鲍村隧道的顺利施工提供指导，根据前人的研究成果，针对凝灰岩的爆破效果开展研究，分析不同的径向不耦合系数、炮孔间距对硬岩光面爆破的影响，并结合现场情况对所提出方案进行了验证。

1 工程概况

1.1 工程简介

鲍村隧道为新建双线铁路隧道,起于奉化市溪口镇深坑新村附近，止于尚田镇张家滩村附近。该隧道紧邻5A级国家重点风景名胜区溪口风景区。隧址区为中低山地貌区、山体陡峻，流水侵蚀切割剧烈，地形起伏较大。隧址区最大标高为712 m，植被较发育。该隧道全长10 360 m，最大埋深约512 m，洞身穿越地层主要为Ⅱ级、Ⅲ级弱风化熔结凝灰岩，隧道最大开挖面积达255 m2，采用钻爆法施工。

1.2 工程特点

由于地质环境及爆破荷载作用复杂，降低围岩爆破损伤与追求快速高效爆破施工间的矛盾仍是当前硬岩隧道爆破施工中亟待解决的问题之一[14]。因此，通过数值仿真的方式，研究不耦合间距、炮孔间距对隧道施工的影响，以此对隧道施工提供参考。

2 数值模型

为向鲍村隧道工程的爆破施工提供指导，运用ANSYS/LS-DYNA建立有限元模型，研究周边眼径向不耦合系数和炮孔间距对爆破效果的影响。

2.1 模型参数

隧道爆破施工时，炸药爆炸产生的巨大能量使得岩石处于大应变、高应变率和高压力状态。HJC材料模型包括强度模型、状态方程和损伤模型等三部分，能够较好地描述爆破期间岩体的变形。使用MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CONCRETE关键字对HJC本构模型进行定义，如表1所示。炸药选用隧道爆破中常用的2号岩石乳化炸药，用LS-DYNA关键字*MAT_HIGH_EX-PLOSION_BURN，状态方程使用关键字段*EOS_JWL来定义，如表2所示。空气材料采用关键字*MAT_NULL，采用线性多项式状态方程*EOS_LINEAR_POLYNOMIAL进行描述，如表3所示。

表1 凝灰岩HJC本构模型参数表

表2 2号岩石乳化炸药材料参数

表3 空气材料参数

2.2 计算模型

本研究主要分析了径向不耦合系数和炮孔间距等对爆破效果的影响。为节省计算时间，模型采用厚度为一个单元尺寸的准三维“薄片性”计算模型，单元类型为3D Solid164，网格划分采用映射划分方式。模型的左、右两侧边界分别施加X向位移约束，上、下两侧边界分别施加Y向位移约束，厚度方向施加Z向位移约束，四周添加无反射边界条件。

炸药和空气采用ALE网格建模，单元使用多物质算法。岩石采用HJC的损伤本构，用Lagrange网格建模。岩石与炸药和空气之间的相互作用通过定义耦合算法来实现。

在分析径向不耦合对爆破效果影响的过程中，岩体采用单孔爆破，线装药密度设定为0.25 kg/m。模型直径为300 mm，炮孔位于模型中心位置，药卷直径为32 mm。通过改变炮孔直径来调整不耦合系数的大小。不耦合系数kd依次设定为1.0，1.5，2.0，2.5和3.0。

在分析炮孔间距对爆破效果的影响时，模型体尺寸为300 cm×300 cm×1 cm，炮孔在模型中左右对称位置，设置中心起爆。药卷直径为32 mm，炮孔直径为64 mm(即设定径向不耦合系数kd=2.0)，并保持不变，通过改变炮孔间距的大小，计算工况设定间距E为45 cm，50 cm，55 cm，60 cm四种。

基于上述模型计算结果，进一步建立半断面隧道模型，如图1所示。模型的整体尺寸为20 m×14 m，隧道轮廓简化为半径为8 m的半圆形，周边眼共43个，周边眼间距为50 cm，光爆层厚度为70 cm，周边眼炮孔直径D为6.4 cm，药包直径d为3.2 cm，装药方式采用径向不耦合装药结构，径向不耦合系数为2.0，周边眼线装药系数为0.25 kg/m。

3 基于损伤理论的爆破参数研究

3.1 径向不耦合系数

图2给出了不耦合介质分别为空气和水，径向不耦合参数依次为1.0，1.5，2.0，2.5和3.0时，熔结凝灰岩在炸药起爆后的有效应力和损伤云图。

由图2可知，空气耦合时，不耦合系数对爆炸应力波传播、裂纹扩展的影响较大。随着不耦合系数的增大，爆轰波传播至孔壁的阻隔作用较小，孔壁压力减小，但是裂纹数目更多，开裂更明显。引入损伤度(D)来表征围岩损伤程度：压碎区(D=1)、裂隙区(0

3.2 炮孔间距

该分析工况设定为炮孔间距E依次为45 cm，50 cm，55 cm，60 cm四种，图3是各个工况下的应力和损伤云图。

由图3可知，应力波以柱面波的形式向四周扩散传播，爆破机理与单孔爆破类似，在一定范围内形成粉碎圈、破裂区、震动区。冲击荷载压力先作用在炮孔孔壁上，并在一定范围内形成粉碎圈；应力波向远处传播，衰减再衰减，当应力波传至炮孔中心时，拉伸应力超过岩石的动态抗拉强度时，便会产生裂隙，即两个炮孔之间会形成贯通裂纹，从而达到爆破效果。

研究中凝灰岩的抗拉强度σt=4 MPa。岩体的动态抗拉强度约为静态时的1倍～10倍。为保证爆破效果，取定岩体的动态抗拉强度为16 MPa。现提取将各工况下(E为45 cm，50 cm，55 cm，60 cm)炮孔附近的单元的，统计其拉应力峰值，分别为19.0 MPa，17.8 MPa，16.0 MPa，14.3 MPa。由此得知，耦合介质为空气时，当炮孔间距大于55 cm时，中心测点单元所受拉应力峰值已经小于16 MPa，不能引起岩体破坏，影响爆破效果。故可得出：在该种模拟条件下，空气耦合装药形成贯穿裂缝应保证炮眼间距小于55 cm。考虑爆破后形成的岩体块度，测点单元所受拉应力峰值在16 MPa比较合理，此时岩体所受拉应力不会致使岩体发生粉碎性破坏，形成粉尘，避免造成能量的浪费；同时，爆破形成的岩体块度比较均匀，不至形成大块造成出渣困难。基于上述考虑：空气耦合装药炮眼间距为55 cm。

3.3 全断面周边眼爆破模拟

图4为爆破成型效果图，其中，图4(a)是完整岩体最终爆破效果图，隧道爆破后，在重力或者轻微扰动的作用下，部分已经临空的岩体单元会掉落并堆积在地面，在清理这些岩块后，得到的隧道轮廓图如图4(b)所示。

从图4(a)可以看出，炸药爆炸后，在爆炸应力波和爆生气体的共同作用下，周边眼各炮孔间已形成较好的贯穿裂缝。爆炸应力波传播到光爆层的内轮廓自由面时发生反射并形成反射拉伸应力波，虽然反射波的强度较低，但由于岩体的抗拉强度远低于抗压强度，在反射应力波的拉伸作用下，光爆层岩体形成“片落破坏”。从图4(b)可知，爆破结束后形成的隧道开挖轮廓线与设计轮廓线基本吻合。

根据《锚杆喷射混凝土支护设计施工规定》，选择径向超挖差ΔR和超挖面积ΔS评定隧道爆破成型效果的好坏，如表4所示。

表4 爆破成型效果评定表

由图4条件下隧道爆破最终轮廓的最大超挖差ΔR为0.133 m，超挖面积ΔS为0.691 m2，可知隧道爆破成型效果好。

4 现场应用效果

采用上述推荐参数情况下，鲍村隧道Ⅱ级弱风化熔结凝灰岩段的现场爆破效果如图5所示，从图5中可以看出优化后轮廓线平整，极大地改善了局部的超欠挖，降低了造价，既达到了良好的爆破开挖效率，同时也控制了岩体振速，使隧道爆破对周边环境的影响在允许范围内。爆破结束后形成的隧道开挖轮廓线与设计轮廓线基本吻合，说明周边眼爆破参数是合理的。