杭溫隧道聚能水壓爆破技術原理與施工應用

鐘慶華 唐潮 劉宇 楊新安

摘? 要：杭溫鐵路木匪嶺、石尖等隧道圍巖強度高，局部節理發育，存在極高的水平向地應力，巖爆頻發。傳統光爆在控制超欠挖及減輕誘發巖爆等方面存在顯著缺陷，為此，開展數值模擬分析研究以及普通光爆與聚能水壓光爆對比試驗。結果表明，聚能水壓爆破在聚能方向的孔壁壓力峰值和巖體內有效應力峰值較大，利于形成導向裂縫，減小對保留圍巖的損傷；聚能水壓爆破在減小爆破振速、控制超欠挖、降低粉塵及有害氣體濃度等方面效果顯著，同時減少爆破誘發巖爆次數及強度。研究成果可以對礦山法硬巖隧道爆破施工提供理論支撐和現場技術指導。

關鍵詞：鐵路隧道；現場試驗；光面爆破；聚能水壓爆破；數值模擬

中圖分類號：U455? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）08-0058-05

Abstract： Tunnels in Mufeiling and Shijian on Hangzhou-Wenzhou Railway have high-strength surrounding rocks， developed local joints， extremely high horizontal ground stress and frequent rockburst. Traditional light explosion has obvious defects in controlling over-underexcavation and reducing induced rockburst. Therefore， numerical simulation analysis and comparative experiments of ordinary light explosion and concentrated water pressure light explosion are carried out. The results show that the peak value of hole wall pressure and effective stress in rock mass are larger in the direction of energy accumulation， which is beneficial to the formation of guided cracks and reduce the damage to reserved surrounding rock. Energy-concentrated hydraulic blasting has a remarkable effect in reducing blasting vibration velocity， controlling over-underexcavation， reducing dust and harmful gas concentration， and decreasing the number and intensity of rockburst induced by blasting. The research results can provide theoretical support and on-site technical guidance for the blasting construction of mine hard rock tunnel.

Keywords： railway tunnel; field test; smooth blasting; concentrated energy hydraulic blasting; numerical simulation

杭溫鐵路二期木匪嶺、石尖等隧道所處地層為凝灰巖，強度高，屬硬巖～極硬巖，巖體局部節理發育?，F場實測表明，隧址區存在極高的水平向地應力。普通光爆存在超欠挖過大、容易誘發巖爆等問題，無法滿足隧道現階段施工要求。因此，控制超欠挖、降低爆破振速、減少巖爆發生次數以及改善洞內作業環境是杭溫鐵路隧道施工中的關鍵技術難題。為此，根據聚能水壓爆破[1-3]在一些工程中實際應用的經驗和效果，提出采用聚能水壓爆破的技術方案。

國內外學者對聚能水壓爆破已經開展了一些研究。吳波等[4]通過現場試驗和數值模擬的方法探究聚能水壓爆破作用機理及損傷特性。王軍[5]研究表明在增加循環進尺、提高炸藥利用率、提高炮眼利用率等方面，聚能水壓爆破有顯著作用。劉海波[6]發現聚能水壓爆破能夠減少超挖，控制開挖輪廓線。王汪洋[7]依托林家岙隧道工程，使用數值分析、技術調研和原位試驗等手段，極大提高了預裂縫等效分析方法的合理度。李立功等[8]采用現場實測方法，分析了不同鉆爆設計參數與水壓爆破時的爆破振動速度值。胡東榮[9]研究發現，爆破會使掌子面巖石變成兩部分，一部分是裂隙區，一部分是壓碎區。閆海倫[10]采用諸多科學的研究方法，探討聚能水壓巖石爆破作用下的應力傳播規律以及將爆破振速以及位移變化進行對比分析。宋鵬偉等[11]基于聚能水壓光爆機理，通過LS-DYNA進行數值模擬和現場試驗，探究聚能水壓爆破的作用效果，從而優化周邊眼裝藥結構。熊成宇等[12]開展現場爆破試驗，在經濟環保和技術層面對比聚能水壓爆破技術與普通光爆技術，發現聚能水壓爆破能有效地控制超欠挖。李興全等[13]提出切縫藥包聚能水壓爆破技術，顯著提高能量利用率，減少超欠挖。

本文將聚能水壓爆破用于杭溫鐵路木匪嶺、石尖等隧道工程，用LS-DYNA[14]進行了數值模擬分析，并進行了現場測試與分析，取得良好的工程效果與有益的結論。

1? 工程概況、問題及方案提出

杭溫鐵路杭州至義烏段，正線全長59.018 km。木匪嶺隧道10.24 km，為唯一的特長隧道；長隧道4座，中長隧道7座，短隧道9座。圍巖等級主要以Ⅱ、Ⅲ級為主，圍巖條件較好。

整體區段巖質普遍較硬，所以在普通鉆爆法的施工過程中，很容易產生超欠挖嚴重、粉塵濃度過大等一系列問題。加之木匪嶺、石尖等隧道存在極高的水平向地應力，巖爆頻發，勢必使圍巖的松動圈范圍擴大，降低其自穩能力，加大隧道施工的安全隱患。

故根據現場條件，在石尖隧道的K72+535—K72+837和木匪嶺隧道K76+433—K78+881進行聚能水壓爆破、聚能爆破和普通光面爆破的現場對比試驗。目的是探索更好的爆破方案，降低爆破擾動，減少超欠挖，改善洞內作業環境；減少巖爆頻率，降低巖爆強度等。

2? 數值模擬分析

為了驗證現場試驗方案的可行性以及進一步探究聚能水壓爆破作用機理，故利用LS-DYNA建立爆破單孔三維模型。

2.1? 聚能水壓爆破數值模型的建立

2.1.1? 模型構建

如圖1所示，建立爆破單個爆孔三維計算模型，其中，聚能管、水袋、炸藥采用1∶1建模。根據聚能水壓光爆設計，孔深為4.3 m，裝藥半徑為1.6 cm。每一個炮孔插入4根C27A型聚能管，采用間隔裝藥，以導爆索進行連接，并在孔口設置水砂袋。

2.1.2? 材料參數

聚能水壓光面爆破模型包含炸藥、空氣、水、巖石、水砂袋及聚能管6種材料。炸藥采用2號巖石乳化炸藥，本構模型采用高能炸藥爆轟本構；空氣材料和水采用MAT_NULL本構模型。水砂袋選用泡沫材料本構模型，密度為1.9 g/cm3。巖石材料和聚能管材料均選用塑性硬化本構模型。其中巖石材料參數由現場取樣后測得，見表1。聚能管參數與C27A型[15]聚能管保持一致。

（a）? 模型圖? ? ? ? ? ? ?（b）? 部分網格劃分圖

2.1.3? 初始邊界條件設置

計算模型在外圍設置XY方向位移約束，在炮孔底部設置與炮孔軸向平行的Z方向上的位移約束。為簡化計算，各段炸藥采用點起爆，且為同時起爆。

2.2? 數值模擬結果與分析

2.2.1? 應力波傳播特征

在炮孔徑向方向上20 μs時，爆炸沖擊波傳至炮孔壁，在聚能方向上產生聚能射流；25 μs時，聚能射流的有效應力下降，繼續向巖石內部侵徹；30 μs時，聚能射流攜帶的能量進一步減少，但聚能方向上應力波的傳播速度明顯大于非聚能方向，有利于導向裂縫的生成；40 μs時，射流作用基本停止，炮孔周圍形成橢圓狀的應力場。炮孔徑向應力波傳播特征如圖2所示。

2.2.2? 炮孔壁壓力特征

在炮孔壁上以70 cm等距離軸向選取測點。測點分為聚能方向和非聚能方向，將聚能管閉口側取為非聚能方向。聚能加非聚能方向總共為16個測點。統計每個測點單元的峰值壓力，從而繪制以距炮孔口距離為自變量，炮孔壁聚能方向上的峰值壓力變化曲線以及將聚能與非聚能峰值壓力相比數值變化曲線。如圖3所示。

由圖3可知，“雙峰式”變化趨勢顯而易見，峰值所處部位為炮孔壁中間和底端。聚能效果均大于1，聚能方向上孔壁應力峰值是非聚能方向上的2.5倍左右，中間聚能效果最好。

2.2.3? 圍巖等效應力特征

每隔6 cm在巖體峰值壓力最大截面處的徑向上選取測點，共計12個測點，具體位置如圖4所示。

統計有效應力峰值，從而繪制出以距炮孔壁距離為自變量，巖體內部有效應力峰值變化曲線，如圖5所示。

由圖5可得，聚能方向上的有效應力峰值始終大于非聚能方向，且兩者都隨著距炮孔壁距離的增加，峰值和變化速率不斷降低，同時距炮孔壁距離越近，兩者差距越大，有利于孔壁上聚能方向上導向裂縫的產生。

2.2.4? 圍巖振速響應特征

選取圖4中的測點，繪制出以距炮孔壁距離為自變量，巖體徑向上振速峰值的變化曲線，如圖6所示。

由圖6可得，聚能方向上圍巖振速大于非聚能方向，且兩者整體呈下降趨勢。在距炮孔壁18 cm之前圍巖振速下降較快，在18 cm之外圍巖振速漸漸趨于平緩。

以上數值分析結果表明，對于聚能水壓爆破，孔壁壓力峰值和巖體內有效應力峰值均大于非聚能爆破，從而提高爆炸能量利用率。由于導向裂縫的形成，使得聚能水壓爆破壓碎區范圍減小，有利于減輕對保留圍巖的損傷。這也為開展現場對比試驗提供了理論依據。

3? 普通光爆與聚能水壓爆破現場試驗

3.1? 爆破參數設計

對于聚能水壓爆破和聚能爆破來說，和普通光面爆破爆破參數的區別為周邊孔設置的不同。對于普通光面爆破，周邊孔間距為0.50 m，光爆層厚度為0.7 m，孔深為4.3 m。對于聚能水壓光爆，周邊孔間距為0.85 m，光爆層厚度為0.8 m，孔深為4.3 m。2種爆破方案的具體裝藥參數見表2。

3.2? 實測結果與分析

3.2.1? 爆破振速特征

本測試選用的監測儀器為TC4850爆破測振儀，利用計算機從中提取數據并利用儀器配備的分析軟件對波形數據進行判讀和分析。根據每次爆破測得的振速時程曲線，普通爆破、聚能爆破以及聚能水壓光爆的監測振速最大值見表3?？芍?，聚能水壓爆破整體上比聚能爆破和普通爆破的爆破振速要小。進一步對3種爆破形式的爆破振速取平均值進行對比，對比結果如圖7所示。

根據圖7可得，與普通光爆相比，聚能光爆的各分量的最大振速降低約29.12%，最大合振速降低約26.98%。與聚能爆破相比，聚能水壓爆破的各分量的最大振速降低約18.81%，最大合振速降低約25.93%。由此可見，與普通光爆、聚能爆破相比，聚能水壓光爆可以進一步降低對保留巖體的影響，降低爆破振動，減少巖爆發生頻率，增加緩沖時間。

3.2.2? 超欠挖特征

對普通光面爆破與聚能水壓光面爆破后的輪廓面進行激光掃描，統計分別采用聚能水壓爆破和普通爆破區段的超欠挖數值，得出表4的結果。

對比普通爆破，采用聚能水壓爆破后，最大超欠挖值減少50.5%，平均超欠挖值減少26%。由此可見，采取聚能水壓爆破能有效控制超欠挖，從而減少支護成本和保障人員安全。

3.2.3? 粉塵濃度和有害氣體濃度特征

在爆破完成后，立刻進入隧道進行監測，由于爆破完成后安全的考慮，從距離掌子面100 m的距離開始測量，分別監測掌子面前100、110、120、130、140、150、160、170、180 m處的粉塵濃度和有害氣體濃度，監測結果對比如圖8所示。監測時發現隧道掌子面前的有害氣體主要為一氧化碳，其余的有害氣體幾乎沒有，可以忽略不計。

根據圖8洞內粉塵和有害氣體濃度對比圖可知，普通爆破和聚能水壓爆破之后洞內粉塵和有害氣體的濃度總體上隨著距離掌子面距離的增加而減少。在Ⅲ級圍巖處與普通光爆相比，聚能水壓光爆在掌子面前100、110、120、130、140、150、160、170、180 m處的粉塵濃度分別降低42.76%、26.49%、42.09%、45.00%、49.48%、33.69%、44.07%、50.51%、48.05%；有害氣體濃度分別降低43.45%、43.42%、18.95%、23.62%、44.25%、49.61%、41.16%、45.97%、49.53%。由此可見，采用聚能水壓光面爆破時，會使粉塵濃度、有害氣體濃度顯著降低，利于綠色施工，保障人員安全。

4? 結論

上述研究表明，聚能水壓爆破可以顯著降低爆破振速、巖爆發生頻率、超欠挖、粉塵濃度以及有害氣體濃度。在杭溫鐵路硬巖施工中有良好的適用性。

1）基于LS-DYNA動力學軟件的爆破單孔三維模型數值模擬結果表明，對于聚能水壓爆破，孔壁壓力峰值、巖體內有效應力峰值、圍巖振速均大于非聚能方向，有利于導向裂縫的形成，從而使得聚能水壓爆破壓碎區范圍減小，有利于減輕對保留圍巖的損傷。這為現場試驗提供了理論依據。

2）杭溫鐵路硬巖隧道所進行的聚能水壓爆破、聚能爆破和普通光面爆破的現場試驗表明：與普通光爆相比，聚能光爆的各分量的最大振速降低約29.12%，最大合振速降低約26.98%。與聚能爆破相比，聚能水壓爆破的各分量的最大振速降低約18.81%，最大合振速降低約25.93%。

3）對比普通爆破，采用聚能水壓爆破后，最大超欠挖值減少50.5%，平均超欠挖值減少26%。將普通光爆與聚能爆破相比，粉塵濃度平均降低約42.26%，有害氣體濃度平均降低約40.00%。

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