液壓劈裂技術在隧道靜態破碎開挖中的應用

何 方

(中鐵二十四局集團福建鐵路建設有限公司廈門分公司，福建 廈門 361009)

0 引言

21世紀是地下空間開發的時代，在交通運輸方面主要體現為隧道交錯、下穿建筑物的情況增多。當新建隧道與鄰近建筑距離過近，不論采用何種施工手段難免會對既有建筑造成不同程度的損害，危及既有建筑物的安全[1]。尤其是采用鉆爆法施工時，如何減輕和控制爆破振動對既有建筑的影響已成為地下工程建設的難點。

靜態破碎技術作為近年來發展起來的一種切割或破碎巖石和混凝土材料的新方法液壓劈裂技術，傳統靜態爆破技術依靠靜態破碎劑填充在巖石或混凝土的孔內，利用破碎劑產生的膨脹壓力使巖石或混凝土開裂破碎[2]，因其施工過程簡便安全、施工期可控、無震動、無飛石等優點廣泛應用于隧道掘進、礦山巷道、開挖基礎等工程中[3]。目前，國內外眾多學者對于靜態破碎技術的破巖機理進行了大量的研究。高陽等[4]采用真三軸壓力機對石灰巖試樣進行三軸應力下靜態破碎試驗，研究巖石靜態破碎過程中裂紋演化規律，并利用聲發射空間定位技術對靜態破碎過程中裂紋起裂與擴展進行監測。S.Arshadneja等[5]基于有限元方法模擬了靜態破碎過程中的裂紋發展過程，并通過多項式回歸分析對靜態破碎中孔間距的經驗模型進行修正。S.B.Tang等[6]利用有限元方法和損傷力學模擬了膨脹水泥在孔眼中裂紋的產生和擴展，并與實驗結果進行對比，闡明了在膨脹壓力作用下非勻質材料的斷裂機理。姜楠等[7]通過對大孔徑靜態破碎的實驗研究，計算了在靜態破碎時鉆孔周圍巖石介質中的應力分布，得出了在大孔徑的條件下更有利于提高膨脹壓力的結論。翟成等[8]基于靜態破碎，通過單孔破碎、雙孔破碎、導向孔破碎試驗對靜態爆破布孔及致裂效果進行了相關研究。周云濤等[9]采用等效方法提出了基于巖體破裂單元的靜態爆破斷裂力學模型。郝兵元等[10]通過單軸應力狀態下的石灰巖靜態破碎試驗，利用聲發射技術來實現對靜態破碎過程中裂紋起裂與擴展的監測，建立了作用力與裂紋擴展半徑的關系。李瑞森等[11]研究了靜態破碎過程中徑向膨脹壓應力沿孔深方向的分布，探究了孔徑、孔深、約束程度對徑向膨脹壓應力大小的影響規律。丁王飛等[12]將靜態控制爆破技術與斷裂力學有效結合，提出了邊坡巖體清除的靜態爆破物理模型和斷裂力學模型，給出了邊坡斜孔裂紋尖端應力強度因子的計算公式。劉軍偉等[13]依托實際工程，通過現場實驗結合施工進度、安全等各方面因素探討了在隧道靜態開挖工程背景下液壓劈裂機、銑挖機、液壓破碎錘等多種施工方法的適用性。袁博等[14]在壩體槽挖中通過采取利“繩鋸機+無聲破碎劑”相結合的靜態開挖方案，有效控制了設計開挖體型，保證了預留壩體結構的完整、安全。李新繼等[15]在石方開挖爆破工程臨近既有鐵路的高邊坡中，根據路塹距既有鐵路遠近進行分區，確定預留隔墻淺孔小臺階延時松動控制爆破和靜態破碎機械配合開挖的方案，有效地控制了爆破飛石、滾石及爆破振動等有害效應。

但是，傳統的靜態破碎技術在施工中面臨著一些難以解決問題，如靜態破碎劑水化時間長導致施工單循環周期較長、對場地臨空面要求高、破碎效果受地下水和溫度影響大，另外施工過程中有噴漿和強堿性危害等因素影響較多，尤其是在如隧道地下施工環境特殊的工況下，受地下水的影響，采用靜態破碎劑破碎巖石的效果很差，難以達到預期的效果。隨著工業的發展，靜態破碎技術也向著機械化方向發展，如發明的液壓劈裂機最早是應用在石材開采和建筑拆除上，但隨著近年來市面上一些大劈力液壓劈裂機的出現，工程上也開始將液壓劈裂技術作為隧道開挖[16]、地鐵建設[17]、煤塊開采[18]等的靜態施工方案，并取得了良好的經濟和社會效益。但是液壓劈裂技術作為靜態破碎技術的一個重要補充，目前關于液壓劈裂技術在隧道建設方面的應用以及其破巖機理還鮮有研究?；诖?，本文對巖石在液壓劈裂作用下的破壞機理進行了理論分析，解釋了靜態破碎鉆孔裂紋擴展機制，并應用于廈門市軌道交通3號線隧道下穿鷹廈線鐵路施工的工程實踐上。

1 液壓劈裂技術的施工工藝

液壓劈裂技術的實現主要依賴于液壓劈裂機的使用，市面上常見的劈裂機由液壓缸、活塞桿、控制閥、輸油管、楔塊等組成(圖1)，可直接安裝在挖掘機上，以挖掘機自帶液壓系統作為驅動源。施工時通過在工作面上打孔后將劈裂機的劈塊端置入孔內，再通過液壓動力站輸出的超高油壓而產生的巨大推動力，

圖1 液壓劈裂機

來驅動楔塊組中的中間楔塊向前伸出，推動劈塊向兩邊擴張，從而在孔壁上造成強大的擴張力來致使巖石破裂。

液壓劈裂技術在隧道內實施的主要步驟如下：

1)新臨空面的形成。由于在隧道掘進中通常只有一個臨空面的存在，在這種情況下直接采用液壓劈裂機破碎巖石往往達不到預期的破碎效果，故可先在隧道的掌子面中部或沿外輪廓周邊通過連續咬合鉆孔來形成新的臨空面。

2)鉆孔施工。采用高壓潛孔鉆在掌子面上進行鉆孔，鉆孔的深度、大小以及間距應當根據現場的巖質特性、施工斷面和液壓劈裂機的型號等來確定。

3)加載脹裂巖石。鉆孔完成后可置入劈裂機對巖石進行破碎施工，各孔眼的脹裂應當存在著一定的先后順序，一般可以從創造的臨空面附近開始，逐層進行加載破碎。

4)二次破碎，出渣。利用劈裂機加載后，掌子面上的巖體將形成裂隙網，為方便出渣運輸可以采用破碎錘進行二次破碎，將其破碎為合理的塊度。

2 液壓劈裂技術的破巖機理

2.1 破壞范圍

液壓劈裂機在隧道掌子面上工作的受力模型可簡化為圖2，在巖體內鉆設一孔眼，半徑為r0，鉆孔深度為d。取鉆孔中心軸線為Z軸，垂直于Z軸平面內的任一點位置用徑向座標r及環向座標θ來表示。

圖2 劈裂機工作示意圖及孔壁受力模型

當液壓劈裂機開始工作時，在液壓動力的推動下中間楔塊向下擠壓，迫使兩邊劈塊向外擴張，在孔壁上形成一擴張壓力q，在擴張壓力的作用下，沿徑向向外發散受壓呈現壓應力區，根據圖2孔壁的受力狀態由彈性力學理論，在該受力條件下巖石中的應力分布可用公式(1)表達：

(1)

式中：σr為徑向應力，σθ為環向應力，τrθ為剪應力，τθr為環向剪切應力，σZ為軸向應力，r為垂直于鉆孔中心軸線平面內的任一點位置距炮孔的距離，r0為炮孔半徑，q為擴張壓力，μ為巖石泊松比。

由式(1)可見，在加載過程中巖石主要在徑向承受壓應力，環向承受拉應力，呈現出拉壓混合的受力狀態，應力的大小在隨著距離的增大而減小，并且最大拉應力和壓應力出現在孔壁上(r=r0)。而巖石屬于脆性材料，抗拉強度明顯低于抗壓強度，故實質上劈裂機破巖的過程是巖石被拉壞的過程。

由式(1)可得巖石中任一點的應力強度：

(2)

巖石屬于脆性材料，抗拉強度明顯低于抗壓強度。根據Mises準則，當σi滿足公式(3)時，則巖石破壞。

σi≥σt

(3)

式中：σt為巖石單軸抗拉強度。

巖石在拉伸應力作用下，將形成受拉破壞的裂隙區即破壞范圍，根據環向拉伸應力不小于巖石抗拉強度的條件，利用式(1)、(2)和(3)，可得出裂隙區半徑Rt為

(4)

2.2 開裂方向

巖石破壞的宏觀表現即裂紋的出現，通常隨著應力的增大，微裂紋率先在孔壁上出現，并且隨著繼續加載，裂紋將像尖劈一樣進一步擴張與延伸。由于靜態破碎時采用劈裂機施工，各孔眼的加載存在一定的先后順序，當某一孔眼施工時，周圍空孔的存在將導致應力集中的現象發生，使得空孔附近的應力值明顯大于無空孔時該處的應力值，即空孔效應(圖3)[19]。

圖3 空孔效應

由圖3可見，當加載孔受力時，應力波傳到空孔處，空孔的存在將使該處的應力值明顯大于無空孔情況下的應力值，根據彈性力學理論，空孔附近的應力狀態可以表示為[20]

(5)

式(5)中：σrr、σθθ、τrθ為空孔效應下B孔附近的徑向應力、切向應力和剪切應力，rB為巖石中任一點到空孔中心的距離，θ為任意方向與孔間連線的夾角。

由式(5)分析可得：B孔周圍最大拉應力出現在相鄰兩孔的連線方向上[10]，即θ=0，±π；由于應力值隨著rB的增大而減小，故當r0=rB時，即最大拉應力出現在兩孔連線方向B孔的孔壁上，其值為

σθθ=3σθ+σr

(6)

綜上分析可知，由于空孔的存在，導致加載時周圍巖石中的應力值將相較于單孔時得到提高，且在兩孔連線上這種提高最為明顯。而較大的應力值也就表明在該處將最先達到巖石的抗拉強度，導致巖石破壞，故巖石的開裂將沿著兩孔連線方向擴展，空孔對裂紋的擴展具有一定的導向作用。在施工時為了減少后續修邊以及二次破碎的工作量，可以根據裂紋的擴展方向可針對布孔形式進行優化。

2.3 裂紋的擴展條件

液壓劈裂機加載后能否在孔間形成貫通裂紋在很大程度上影響著靜態破碎的效果，當宏觀裂紋產生后，此時的受力模型發生了根本變化，巖石成為裂紋體，根據斷裂力學理論，當裂紋尖端的應力強度因子達到巖石的斷裂韌度，裂紋便能繼續擴展下去。巖石裂紋擴展的模型可視為孔內承受內壓兩邊有邊裂紋(圖4)，其應力強度因子[21]：

(7)

式中：KI為應力強度因子；a為裂紋長度；F為邊界修正因子，可根據a/r0的比值確定。

圖4 裂紋擴展模型

由式(7)，可得裂紋的擴展條件：

(8)

式中：KIC為巖石斷裂韌度。

巖石斷裂韌度與巖石的材料性質直接相關，可由公式(9)確定[22]：

KIC=0.0265σc+0.0014

(9)

式中：KIC為巖石斷裂韌度，單位為MN·m-3/2；σc為巖石單軸抗壓強度。

故可由式(9)得出，在布孔間距為L，為滿足孔間能形成貫通裂紋即L=2a的情況下，由劈裂機產生的分裂力q還需滿足公式(10)：

(10)

3 布孔形式

布孔形式是靜態破巖過程的重要設計參數，包括了鉆孔孔徑大小、深度以及布孔間距的確定。布孔形式的好壞將直接影響到靜態破碎的效果以及施工效率，在制定時應當根據現場的巖質特性、劈裂機型號和施工環境等來綜合考慮。其中鉆孔的孔徑和深度主要取決于劈裂機楔塊組的幾何尺寸，一般在劈裂機的工作參數中會標示出該型號正常工作所需的孔徑大小和深度要求。

而對于布孔間距的確定則是制定施工方案時應當著重考慮的環節，當孔距布置太大時，往往達不到預期的破碎效果，導致二次破碎的工作量加大，另外孔距也不宜布置太小，因為在靜態破巖過程中孔眼的打設需要花費大量的時間，從而影響施工進度。在確定布孔間距時，可以根據裂隙區的形成半徑，確定靜態裂解的破壞范圍，根據式(4)可以對布孔間距做出基本估計，即孔眼間距L應滿足式(6)。

(11)

由式(11)可見，孔距的確定與劈裂機所能產生的擴張壓力有關，當擴張壓力較大時，布孔間距也可隨之加大；與巖石的力學性質有關，且隨著巖石單軸抗拉強度的增大，布孔間距應相應減??；以及與鉆孔的孔徑有關，且隨著孔徑的增大，布孔間距也隨之增大。

在具體施工中，布孔方案應當根據具體工程的地形地質、周圍環境、施工手段等條件各異，但主要應當遵循以下原則和方法：

1)為保證劈裂效果和加快施工進度，開挖時應當盡量采用上下臺階法開挖，增加施工時的臨空面，鉆孔時上臺階孔眼垂直掌子面的，由于上臺階的開挖為下臺階提供了豎向作業面，所以下臺階豎向打設鉆孔。

2)根據斷面大小、現場巖質條件以及劈裂設備性能調整好布孔間距，各類孔眼的布置時應當滿足的順序是：首先根據斷面形狀布置好隧道周邊輪廓線的劈裂孔，再從外向里布置劈裂孔，保證劈裂后形成的輪廓線符合設計要求，減少修邊工作。

3)為保證劈裂效果布孔時各孔眼應盡量互相平行，間距一致，孔底落在同一平面上，均勻地分布在斷面上。

4 工程實例

4.1 工程概況

廈門市軌道交通3號線創業橋站—安兜站區間隧道下穿鷹廈線鐵路施工，隧道下穿既有鐵路施工，工程環境復雜，施工風險性高，制約因素也多，由于鉆爆法爆破過程中對地表產生的振動以及變形難以保證施工期間地面鐵路線的安全運營，故在下穿區間擬制定靜態破碎方案。根據現場實測，區間隧道場地以微風化花崗巖為主，巖石完整性較好，單軸抗壓強度σc=125.2 MPa，單軸抗拉強度σt=4 MPa。

4.2 方案制定

根據圍巖情況以及開挖斷面的特點，隧道采用上下臺階法開挖。所選用的劈裂機型號為博奧FL300，工作特性和性能參數見表1。

表1 FL300劈裂機工作特性與性能參數

對于布孔形式先按設備要求鉆孔直徑和深度分別取115 mm、1500 mm。對于布孔間距按式(10)將各參數代入計算得

(12)

施工中取整按布孔間距500 mm來實施。

另外根據上述理論，驗算在該孔距下分裂力是否滿足孔間形成貫通裂縫的條件。先由式(6)確定該工況下巖石斷裂韌度為

(13)

則在布孔間距為L=500 mm的情況下，由劈裂機產生的分裂力q需滿足：

(14)

式中，對于a/r0≈4.35，可取邊界修正因子F=0.2。

而由劈裂機產生的理論分裂力可達45 MPa，滿足孔間形成貫通裂縫的條件，故確定布孔間距為500 mm。

布孔參數確定后，根據斷面形式制定具體的施工方案。由于采用臺階法開挖，為保證靜態破碎的效果，在施工時應先在上臺階創造新的臨空面，通過沿隧道輪廓線內50 cm采用φ200 mm潛孔鉆成孔，間距40 cm，孔與孔之間殘留的巖塊用φ160 mm水磨鉆取巖心，形成連續的臨空帶。再用風動鑿巖機在上臺階鉆設孔眼，鉆孔與掌子面垂直，鉆孔孔徑115 mm，深度1500 mm，孔距500 mm，采用梅花型布置?？孜徊贾靡妶D5。

上臺階開挖后為下臺階打孔提供了豎向鉆孔的作業面，故施工時可以對下臺階進行分層開挖，每層高1.5 m，采用鑿巖機在臺階面上打設垂直孔，孔徑115 mm，深度1500 mm，孔距500 mm，布孔形式見圖6。

4.3 破碎效果

經過現場試驗，巖石經劈裂機加載后的破碎效果良好(圖7、圖8)。從圖7、圖8中可以看出，由于周圍空孔的存在，加載后裂紋出現在鉆孔的兩邊上并沿著孔間連線的方向發展，且單孔加載后裂紋的擴展長度超過了布孔間距的1/2，保證了在相鄰孔眼加載后能夠在孔間形成貫通的裂紋，達到靜態破碎的要求，也從中表明了現場施工的實際效果與理論推導結果吻合良好，證明了該理論的適用性。

圖5 上臺階布孔形式

圖6 下臺階布孔形式

圖7 單孔加載下裂紋擴展效果

圖8 孔內開裂情況

5 結論

本文以彈性和斷裂力學的基本理論為基礎，對隧道靜態破碎過程中液壓劈裂技術的破巖機理進行了分析，并提出了施工參數中布孔形式的確定方法并應用在實際工程上，得到以下結論：

1)由應力分布可知，在劈裂機加載作用下巖石呈拉壓混合狀態，通過利用巖石抗拉強度明顯小于抗壓強度的特點來達到破碎巖石的目的；在加載過程中，巖石將率先在孔壁上出現微裂紋，并且隨著繼續加載，裂紋將沿著相鄰兩孔連線上發展，故空孔的存在對裂紋的擴展具有一定的導向作用。

2)施工中布孔間距的大小與劈裂機所能產生的分裂力、現場的巖質條件以及孔徑有關，當分裂力和孔徑較大時可加加大孔距，加快施工進度；但當巖石單軸抗拉強度較大時應相應減小孔距。

3)將液壓劈裂施工技術應用在廈門軌道交通3號線創業橋站—安兜站區間隧道下穿鷹廈線鐵路段工程上，結合現場巖質條件和巖石破碎理論優化了靜態開挖設計參數，取得了良好的破碎效果，為今后同類型工程提供一些寶貴經驗。