隧道掘進周邊孔間隔裝藥結構選取及優化*

劉江超，高文學，張聲輝

(北京工業大學 建筑工程學院，北京 100124)

目前空氣間隔裝藥結構在隧道光面爆破中得到大量應用，它能夠保證開挖輪廓的光滑平整減小對圍巖的損傷，以及圍巖的完整性和自身承載力[1,2]。國內外研究人員通過數值模擬、理論分析和相關實驗等多種方法對其進行了研究。謝烽等在炸藥單耗相同的情況下對三種不同孔徑的合理空氣間隔長度進行研究，結果表明采用空氣間隔爆破形成的大塊率及級配情況好于連續裝藥[3]；張迅結合爆破設計及實際施工情況，介紹了不耦合裝藥系數對施工的影響[4]；王圣濤等在施工現場進行多次空氣間隔光面爆破試驗[5]，通過不斷優化爆破參數提出了適合的爆破方案；Fourney W L和Moxon N T也先后通過實驗、理論進行了空氣間隔爆破技術的研究及應用[6,7]。

后來發現水介質相對空氣具有不可壓縮性，傳遞爆炸能量的效果更好而且爆炸后形成的水霧能夠降低爆破粉塵，因此水間隔裝藥在隧道掘進過程中得到了應用。劉江超等對常見的三種水封爆破裝藥結構進行模擬并結合現場試驗，得到了最優的水封爆破裝藥結構[8]；李啟月等采用預留光爆層水壓爆破技術進行爆破施工，有效的解決了線性超挖大、光爆效果差等問題[9]，證明預留光爆層水壓爆破技術對大斷面特長公路隧道掘進爆破危害控制的可行性。萬嗣鵬等從水壓爆破、掏槽形式和延時時間三個方面對爆破方案進行優化[10]，結果表明水壓爆破技術結合準直眼掏槽形式能較好地改善爆破效果，形成較好的隧道輪廓和掏槽效果。

上述研究主要針對炮孔中存在水或空氣單一介質時的間隔裝藥爆破過程及效果，而在實際施工過程中采用水間隔爆破時，裝藥結構比較復雜，同時涉及到空氣和水兩種介質作為間隔物。當這兩種介質同時存在時，爆破裝藥結構以及參數對爆破效果的影響有待進一步研究。因此本文以延崇高速溫泉隧道為工程背景，采用LS-DYNA模擬分析水和空氣兩種介質做間隔物時周邊孔爆破效果，并與常規空氣間隔爆破進行對比得出最優的爆破裝藥結構，然后進行裝藥結構參數優化為工程施工提供參考。

1 工程背景

1.1 場地概況

以延崇高速公路為工程背景，該公路是北京和張家口聯合舉辦2022年冬奧會的重點配套工程。進京線樁號：ZK21+044～ZK26+111，全長5067 m；出京線樁號：YK21+105～YK26+141，全長5036 m。其中主要結構溫泉隧道出京線2376 m，進京線2345 m，其中Ⅴ級圍巖占比40%，Ⅳ級圍巖占比45%，Ⅲ級圍巖占比15%，圍巖性質較差。

1.2 爆破設計參數

由于隧道圍巖性質較差，為了保證施工安全，采用上下臺階法進行施工。其中上臺階循環進尺為3 m，輔助孔、周邊孔深度為3.3 m，掏槽孔深度3.5 m，炮孔孔徑42 mm，炮孔布置以及起爆順序如圖1所示。

圖 1 炮孔布置及起爆順序(雷管段別)Fig. 1 Blast hole layout and initiation sequence (detonator segment)

2 模型建立及參數的選取

2.1 模型建立

在隧道掘進爆破過程中，周邊孔對最終的爆破效果具有重要影響。為了形成良好的光爆效果，周邊孔通常采用空氣間隔進行施工。目前溫泉隧道周邊孔空氣間隔裝藥結構如圖2(a)，為了進行對比在藥量相同情況下的爆破情況，周邊孔水間隔爆破裝藥結構如圖2(b)。爆破相關參數為：循環進尺3 m，炮孔長度3.3 m，直徑42 mm；單個藥卷長度0.3 m(共4個藥卷，1.2 kg)，直徑32 mm。裝藥結構隨間隔介質的不同進行變化，采用空氣間隔裝藥結構時，空氣間隔為0.4 m。當采用水間隔時，孔口水介質長0.4 m，其余間隔長度均為0.3 m。

圖 2 四段炸藥裝填結構(單位：m)Fig. 2 Four stage explosive loading structure(unit:m)

以周邊孔為研究對象建立三維立體模型如圖3所示，長×寬×高=10 m×0.8 m×7 m，其中寬度是以光爆層厚度為依據，孔間距為0.6 m。將上方和后方界面定義為自由邊界，左右、下方和前方界面定義為無反射邊界。計算時炸藥、水和空氣采用多物質ALE算法，圍巖采用常規拉格朗日算法。

圖 3 數值模型(單位：m)Fig. 3 Numerical model(unit:m)

2.2 材料本構模型與參數

(1)巖石

在炸藥爆炸過程中，臨近炸藥的部分巖石發生屈服形成破碎區，此時巖石應變很大，應變率效應非常明顯，JHC模型適用于高應變率、大變形的混凝土和巖石，其等效屈服強度是與壓力、應變率以及損傷的函數，其相關參數為[11,12]：密度ρ=2586 kg/m3，剪切模量G=6.52 GPa，A=0.79，B=1.6，C=0.007，N=0.61，fc=0.048 GPa，T=0.004 GPa，Ef min=0.01，Sf max=7，Pcrush=0.016 GPa，ucrush=0.001，Plock=0.8 GPa，ulock=0.1，D1=0.04，D2=1，k1=85 GPa，k2=-171 GPa，k3=208 GPa，EPS0=1E-6。

(2)炸藥

采用2#巖石乳化炸藥，材料模型選用MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN，該材料模型需與JWL狀態方程聯用，JWL方程為

(1)

式中:P為壓力；V為初始相對體積(P無量綱量)；E0為初始比內能[12]；A、B、R1、R2、ω為試驗確定的參數，炸藥相關參數為：密度ρ=1240 kg/m3、爆速D=3200 m/s、爆壓PCJ=7.4 GPa、A=214.4 GPa、B=0.182 GPa、R1=4.2、R2=0.9、ω=0.15、E0=4.192 GPa、V=1.0。

(3)炮泥

炮泥選擇土壤和泡沫模型MAT_SOIL_AND_FOAM來表示，炮泥計算參數：密度ρ=1800 kg/m3、剪切模量G=0.02 GPa、體積模量B=0.035 GPa、A0=0.161 GPa、EPS2=0.05、EPS3=0.09、EPS4=0.11、P2=34 GPa、P3=45 GPa、P4=66 GPa。其中A0為塑性屈服函數的屈服函數常數；EPS2、EPS3、EPS4為體積應變值；P2、P3、P4為與體積應變值相對應的壓力。

(4)水

水作為一種流體材料，一般需要本構方程和狀態方程來描述其行為，水采用空物質材料本構MAT_NULL，狀態方程采用Gruneisen方程，其相關參數為：密度ρ=1000 kg/m3、C=1480、S1=2.56、S2=-1.986、S3=0.227、GAMAO=0.5、A=1.3937、E1=256、V0=1.0。其中E1為初始內能；V0為初始相對體積[12]。

(5)空氣

空氣與水介質一樣采用空物質材料本構MAT_NULL表示，狀態方程采用LINEAR_POLYNOMIAL_TITLE，其相關參數為：密度ρ=1.29 kg/m3，C4=0.4，C5=0.4，初始內能E0=0.25 MPa。

3 水間隔爆破與空氣爆破對比

由圖4可以看到，炸藥完全起爆以后在圍巖中主要以拉應力的形式存在，同時伴隨少量的壓應力。其中水間隔爆破完全起爆后，除藥柱周圍存在壓應力以外，在間隔水介質周圍同樣存在一定的壓應力，這是因為水作為一種不可壓縮介質，能夠將爆炸能量有效的傳遞到炮孔圍巖中，起到了等效藥柱的作用?？諝忾g隔爆破完全起爆后，爆炸形成的壓應力幾乎全部集中在藥柱周圍。因此采用水間隔裝藥進行爆破能夠將爆炸能量比較均勻的傳遞到孔壁，爆破效果更好。

圖 4 水間隔與空氣間隔爆破應力云圖Fig. 4 Stress nephogram of water and air interval blasting

巖石作為一種抗壓不抗拉的介質，在爆破過程中以拉應力破壞為主。當炸藥完全起爆時，水間隔爆破炮孔周圍和上部的拉應力作用范圍大于空氣間隔爆破，孔底拉應力作用范圍小于空氣間隔爆破。當爆炸應力波繼續傳播至自由面后，水間隔爆破炮孔周圍和炮孔上部的拉應力作用范圍依然大于空氣間隔爆破，孔底拉應力作用范圍小于空氣間隔爆破。說明采用水間隔爆破對孔壁周圍和炮孔上部的圍巖破碎情況要好于空氣間隔爆破，同時還能降低對掌子面后方圍巖的擾動以及損傷，保證新開挖掌子面的平整，減少后續施工壓力。

為了更加準確的研究圍巖爆破破碎效果，需要對圍巖的受力和圍巖的力學參數進行對比從而進行判斷。通過參考文獻[13、14]進行計算得到相關力學參數如表1。

表 1 斑狀花崗巖動態力學參數

巖石爆破過程中以拉應力破壞為主，因此在兩個炮孔連心線中部以及光爆層處沿炮孔軸向在距離自由面0.2 m、0.4 m、1.9 m、3 m、3.3 m處提取單元進行拉應力分析，并提取峰值應力與表1中的巖石動態抗拉強度對比，具體見圖5。

圖 5 水間隔與空氣間隔爆破拉應力峰值對比Fig. 5 Comparison of peak tensile stress between water interval and air interval blasting

由圖5可以看到，除了水間隔裝藥在光爆層處距離自由面3.3 m的拉應力峰值小于圍巖的動態抗拉強度12.32 MPa外，兩種裝藥結構爆炸后在其它單元處形成的拉應力峰值均大于圍巖的動態抗拉強度12.32 MPa，說明都能夠滿足設計要求的3 m循環進尺同時對圍巖進行有效破碎。但是空氣間隔裝藥由于炸藥直接放置在孔底，所以對炮孔底部圍巖破壞較大容易導致破裂，給后續施工(如鉆孔、支護等)帶來不便。

此外，水間隔爆破在距離自由面0.2 m、0.4 m、1.9 m、3 m處生成的拉應力峰值均大于空氣間隔爆破，說明同等裝藥條件下采用水間隔爆破時，巖石破碎效果優于空氣間隔爆破，形成的碎石塊度更小，能量利用率更高。

4 水間隔爆破裝藥結構優化

4.1 三段炸藥裝填

通過第3節可以看到采用水間隔裝藥進行爆破優于空氣間隔裝藥，但是現場周邊孔采用的裝藥量爆破后產生的應力整體偏大，造成炸藥浪費。因此減少裝藥量，將藥卷數量減少至3個，藥卷間距為0.3 m，裝藥結構如圖6。

圖 6 三段炸藥裝填結構(單位：m)Fig. 6 Three stage explosive loading structure(unit:m)

為了得到最優的裝藥結構設計參數(主要為炮孔兩端的水介質長度)，通過調整炮孔兩端水介質長度共得到六種裝藥參數，見表2。

對上述六種裝藥參數進行數值模擬，由于裝藥結構不同，炸藥起爆后在相同時刻的應力變化情況也不相同。為了更好的進行對比，以爆炸應力在自由面反射后的應力云圖為對象進行分析，孔底水介質長度0.3～0.8 m裝藥結構爆破應力云圖如圖7。

通過對比分析看到，隨著孔底水介質長度的增大，孔底的高應力作用范圍不斷減小且向炮孔上方逐步收縮，意味著對孔底圍巖造成的損傷逐步減小。而孔口的高應力區域不斷增大，導致孔口圍巖破壞程度增大。炮孔周圍爆炸形成的高應力整體區域隨著孔底水介質長度的增大而減小，說明當孔底水介質長度過長時，炸藥爆炸能量開始流失。為了得到最優的裝藥參數，在兩個炮孔連心線中部以及光爆層處沿炮孔軸向在距離自由面0.2 m、0.4 m、1.9 m、3 m、3.3 m處提取單元進行拉應力分析，并提取峰值應力與表1中的巖石動態抗拉強度對比，具體見圖8。

表 2 三段裝藥參數

圖 7 三段裝藥爆炸應力云圖Fig. 7 Stress nephogram of three stage charge

圖 8 三段裝藥不同結構拉峰值應力Fig. 8 Tensile peak stress of different structures of three stage charge

由圖8可知，隨著孔底水介質長度的增大以及孔口水介質長度的減小，距離自由面0.2 m、0.4 m處圍巖受到的拉應力峰值增大，距離自由面3 m、3.3 m處圍巖受到的拉應力峰值減小，距離自由面1.9 m處的圍巖由于藥卷位置的變化受到的拉應力峰值隨之變化。當孔底水間隔長度為0.7～0.8 m時，距離自由面3 m處圍巖的拉應力峰值小于圍巖的動態抗拉強度12.32 MPa，此時已不能滿足爆破施工要求的3m循環進尺。當孔底水間隔長度為0.6 m時，光爆層距離自由面3m處圍巖受到的拉應力峰值小于圍巖的動態抗拉強度12.32 MPa，同樣不能進行有效爆破。當孔底水介質長度為0.5 m時，能夠滿足施工要求的循環進尺同時對圍巖進行有效破碎。因此選擇孔底水介質長度為0.5 m，孔口水介質長度為0.8 m較為合適。

4.2 兩段炸藥裝填

通過第4.1節可以看到將藥卷數量減少至3個能夠滿足設計需求，那么繼續減少藥量是否還能滿足設計要求需要進行探討。因此繼續減小藥量，將藥卷數量降低至兩個，藥卷間距設置為0.5 m，裝藥基本結構如圖9。

圖 9 兩段炸藥裝填結構(單位：m)Fig. 9 Two stage explosive loading structure(unit：m)

同理為了得到最優的裝藥結構設計參數(主要為炮孔兩端的水介質長度)，通過調整炮孔兩端水介質長度共得到六種裝藥參數，具體參數見表3。

表 3 兩段裝藥參數

對上述六種裝藥參數進行數值模擬，由于裝藥結構不同，炸藥起爆后在相同時刻的應力變化情況也不相同。同樣選擇爆炸應力在自由面反射后的應力云圖進行分析，孔底水介質長度0.3～0.8 m裝藥結構爆破應力云圖如圖10。

可以看到爆炸應力變化情況與三段炸藥裝藥結構一樣，隨著孔底水介質長度的增大，孔底的高應力作用范圍逐步向上收縮，孔底圍巖損傷逐步減小。同時孔口的高應力作用范圍增大，導致孔口圍巖破壞程度增大。而且在相同情況下爆炸形成的高應力區域和三段藥卷爆炸相比明顯減小。在兩個炮孔連心線中部以及光爆層處沿炮孔軸向在距離自由面0.2 m、0.4 m、1.9 m、3 m、3.3 m處提取單元進行拉應力分析，并提取峰值應力與表1中的巖石動態抗拉強度對比，具體見圖11。

由圖11可知，隨著孔底水介質長度的增大以及孔口水介質長度的減小，孔底水介質長度為0.6 m、0.7 m、0.8m已不能滿足爆破施工要求的3 m循環進尺。當孔底水介質長度為0.3 m、0.4 m、0.5 m時，由于孔口水介質長度的增加導致孔口圍巖不能有效破碎。因此當周邊孔采用水間隔爆破時，兩段裝藥已經不能滿足施工要求。

5 工程應用

為了對上述結果進行驗證，選取溫泉隧道作為水間隔爆破試驗地點，在施工現場進行爆破測試，并與空氣間隔爆破效果進行對比。溫泉隧道作為2022年冬奧會配套工程之一，圍巖主要為斑狀花崗巖，其密度為2586 kg/m3，彈性模量為16.55 GPa，泊松比0.267，爆破效果見圖12。

圖 11 兩段裝藥不同結構峰值應力Fig. 11 Tensile peak stress of different structures of two stage charge

圖 12 爆破效果Fig. 12 Blasting effect

通過圖12的現場爆破效果可以看到，采用孔底水介質長度0.5 m，孔口水介質長度0.8 m，藥卷間距0.3 m的三段裝藥結構能夠達到施工設計要求的3 m循環進尺，同時可以看到殘留的炮孔壁，相較空氣間隔裝藥形成更好的光爆效果，說明采用上述裝藥結構是合理可行的。而且相比空氣間隔采用的四段裝藥，裝藥量減少降低了炸藥單耗，節約了施工成本。

6 結論

(1)在藥量相同的情況下，周邊孔采用水間隔爆破能夠將爆炸能量比較均勻的傳遞到孔壁，對孔壁周圍和炮孔上部的圍巖破碎情況要好于空氣間隔爆破，說明達到相同的爆破效果，采用水間隔爆破裝藥結構能夠降低炸藥單耗。

(2)對水間隔裝藥時的裝藥結構參數進行優化得到當周邊孔裝藥量為三段藥卷時，相比四段藥卷對孔壁圍巖的損傷明顯減小，當孔底水介質長度為0.5 m，孔口水介質長度為0.8 m較為合理，能夠達到爆破設計要求。

(3)通過現場試驗證明周邊孔采用三段藥卷，孔底水介質長度為0.5 m，孔口水介質長度為0.8 m能夠達到施工設計要求的3 m循環進尺，同時形成較好的光爆效果。相比空氣間隔采用的四段裝藥，裝藥量減少降低了炸藥單耗，節約了施工成本。