康永全，薛 里，孫崔源，郭云龍，孟海利

(中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081)

隨著我國鐵路事業(yè)的蓬勃發(fā)展，深埋長大隧道逐年增多，這些深埋隧道明顯不同于淺部巖體的力學(xué)特征和工程響應(yīng)[1]，具有地質(zhì)條件復(fù)雜、構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈、地應(yīng)力水平高等特點(diǎn)，由此帶來的突發(fā)性、高能級(jí)巖爆問題最為突出。巖爆是深埋隧道在開挖過程中，破壞了原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)，儲(chǔ)存于硬脆性完整巖體中的彈性應(yīng)變能突然釋放的一種動(dòng)力失穩(wěn)現(xiàn)象，已成為世界性的地下工程難題之一[2]。通常情況下，防治巖爆的具體措施包括主動(dòng)應(yīng)力卸壓和被動(dòng)加強(qiáng)支護(hù)，其中，爆破卸壓法對地質(zhì)條件適應(yīng)性強(qiáng)，操作方便，卸壓效果顯著，是一種基于卸壓-支護(hù)耦合思想的巖爆根治性措施，應(yīng)用前景十分廣闊。陳壽峰等[3]利用利文斯頓能量平衡理論，提出一套高地應(yīng)力條件下巷道圍巖內(nèi)部控制爆破卸壓的設(shè)計(jì)方法，但對于爆破裂隙圈半徑的計(jì)算未考慮高地應(yīng)力條件。劉美山等[4]根據(jù)弱能量爆破治理巖爆的原理，提出圍巖內(nèi)傾斜發(fā)散孔、掌子面傾斜發(fā)散孔和圍巖超前平行孔等4種爆破卸壓方案，并利用常規(guī)爆破參數(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)，這種在隧道開挖區(qū)向四周圍巖鉆孔爆破的方式容易影響隧道圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，現(xiàn)場實(shí)施安全隱患較大。蔡建德等[5]通過數(shù)值模擬研究優(yōu)選了延伸輔助孔淺孔爆破卸壓方案，但是這種向掌子面正前方鉆孔爆破的方式容易造成掌子面前方巖體破碎，導(dǎo)致下一循環(huán)鉆孔出現(xiàn)卡鉆現(xiàn)象，影響隧道施工進(jìn)度和開挖質(zhì)量。目前，爆破卸壓大都作為一種局部解圍措施用于開挖期應(yīng)力卸載，由于爆破卸壓參數(shù)的選取取決于應(yīng)力釋放部位的確定，參數(shù)設(shè)計(jì)大多依賴于工程經(jīng)驗(yàn)，缺乏深部巖體爆破理論指導(dǎo)。因此，結(jié)合深部巖體分區(qū)破裂化原理，針對長期服役隧道強(qiáng)巖爆地段提出一種安全高效的超前深孔分區(qū)爆破卸壓技術(shù)，形成爆破卸壓參數(shù)系統(tǒng)化設(shè)計(jì)方法，以達(dá)到施工期和運(yùn)營期全時(shí)空防治巖爆的目的，具有重要的實(shí)際意義。

1 分區(qū)爆破卸壓方案及理論基礎(chǔ)

1.1 分區(qū)爆破卸壓方案

隨著對深部巖體力學(xué)特性的深入研究及越來越多的工程實(shí)踐表明，特定條件下深地工程開挖過程中會(huì)交替出現(xiàn)破裂區(qū)和非破裂區(qū)的地質(zhì)現(xiàn)象[6-8](見圖1)，且分區(qū)破裂化的出現(xiàn)呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，М.В.Курленя和В.Н.Опарин[9]通過大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論研究發(fā)現(xiàn)破裂區(qū)半徑與隧道半徑表現(xiàn)出一定的數(shù)學(xué)關(guān)系，如下式所示：

圖1 深部巖體分區(qū)破裂化現(xiàn)象Fig.1 Zonal fracture of deep rock mass

(1)

Δri=(0.05～0.11)ri(i=1,2,3,4,……n)

(2)

式中：i為隧道發(fā)生分區(qū)破裂時(shí)，自開挖面往圍巖深部出現(xiàn)的破裂區(qū)編號(hào)；ri為第i條破裂區(qū)距離隧道中心的半徑；r0為隧道半徑；Δri為第i條破裂分區(qū)寬度。

分區(qū)破裂化現(xiàn)象的出現(xiàn)實(shí)際上是深部地下工程圍巖在地下開挖活動(dòng)引起的高地應(yīng)力下的一個(gè)自卸壓的過程，圍巖分區(qū)破裂的過程是圍巖逐級(jí)逐層釋放彈性應(yīng)變能的過程，從而伴隨著高應(yīng)力的釋放及轉(zhuǎn)移?；谏畈繋r體出現(xiàn)分區(qū)破裂現(xiàn)象的啟示，結(jié)合深部巖體爆破破碎機(jī)理，提出超前深孔分區(qū)爆破卸壓防治強(qiáng)巖爆的方法(見圖2)，人工誘導(dǎo)掘進(jìn)前方圍巖產(chǎn)生分區(qū)破裂，提前釋放集聚的應(yīng)變能，為前方未開挖巖體的應(yīng)力狀態(tài)調(diào)整提供觸發(fā)條件，從而降低隧道周邊的應(yīng)力集中程度，使高應(yīng)力區(qū)向深部轉(zhuǎn)移，避免巖爆發(fā)生或降低巖爆烈度。

圖2 分區(qū)爆破卸壓炮孔布置Fig.2 Layout of zonal destress blast holes

研究及實(shí)踐證明硬脆性完整巖石是巖爆發(fā)生的必要條件，因此，分區(qū)爆破卸壓的作用機(jī)理就是在圍巖特定位置鉆孔裝藥爆破，利用炸藥爆炸的能量，對設(shè)計(jì)部位巖體進(jìn)行合理破碎，在隧道外圍形成若干圈環(huán)形均勻破裂帶，從而逐級(jí)釋放集聚在巖體內(nèi)的彈性應(yīng)變能，同時(shí)人造破裂帶作為地應(yīng)力的“天然屏障”，改變了應(yīng)力的傳導(dǎo)路徑，使隧道開挖后自然承載拱和支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中程度得到緩解，從根本上解決巖爆問題。卸壓爆破的實(shí)質(zhì)是無限體內(nèi)部藥包爆破作用過程，要達(dá)到理想的卸壓效果，其基本的設(shè)計(jì)原則為：一是爆破參數(shù)要合理控制，避免對開挖后形成的自然承載拱產(chǎn)生破壞作用，保證隧道的整體穩(wěn)定；二是爆破卸壓裂隙帶分布要盡量均勻，確保集聚應(yīng)變能的有效釋放。因此，卸壓爆破的參數(shù)設(shè)計(jì)非常重要。

1.2 高圍壓作用下爆破破碎機(jī)理

1)爆炸荷載傳播規(guī)律。在耦合裝藥條件下，巖石中的柱狀藥包爆炸后產(chǎn)生的沖擊波透射入巖石中的沖擊波壓力可表示為

(3)

式中：p為透射入巖石中的沖擊波初始?jí)毫?，MPa；ρ、ρ0分別為巖石和炸藥的密度，kg/m3；CP、D分別為巖石中的聲速和炸藥的爆速，m/s；γ為爆轟產(chǎn)物的膨脹絕熱指數(shù)，一般γ=3。

巖石中的透射沖擊波不斷向外傳播而衰減，最后變成應(yīng)力波。巖石中任一點(diǎn)引起的徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力可表示為

(4)

σθ=-bσr

(5)

2)地應(yīng)力荷載分布規(guī)律。參考文獻(xiàn)[10]的研究，以炮孔中心為極坐標(biāo)系圓心，圍壓作用下起爆前炮孔周圍的初始應(yīng)力可以表示為

(6)

(7)

式中：λ為地應(yīng)力側(cè)壓系數(shù)；d為炮孔直徑，m；β為極角，°。

3)爆炸荷載和地應(yīng)力荷載耦合作用。根據(jù)彈性力學(xué)理論可知，在爆破開挖過程中，爆破卸載面上的徑向應(yīng)力迅速卸載到零，爆破沖擊波峰值壓力遠(yuǎn)大于地應(yīng)力，因此地應(yīng)力對爆破粉碎區(qū)的形成影響不大，所以粉碎圈范圍可參考文獻(xiàn)[11]中的表達(dá)式

(8)

經(jīng)過粉碎圈能量耗散后，沖擊波峰值壓力大大降低，衰減為應(yīng)力波后繼續(xù)在圍巖中傳播，當(dāng)產(chǎn)生的切向拉應(yīng)力超過巖石的抗拉強(qiáng)度時(shí)，即在圍巖中產(chǎn)生徑向裂隙。在地應(yīng)力荷載和爆炸荷載耦合作用下，破裂圈邊界上應(yīng)力平衡狀態(tài)見公式(9)，由此方程可得到高地應(yīng)力作用下爆破裂隙區(qū)的半徑長度，理論分析證明地應(yīng)力的存在抑制了徑向裂紋的擴(kuò)展，所以卸壓爆破確定孔間距時(shí)應(yīng)充分考慮地應(yīng)力的影響。

(9)

式中：σct為巖石的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度；R2為爆破破裂圈的半徑。

2 分區(qū)爆破卸壓參數(shù)系統(tǒng)化設(shè)計(jì)

分區(qū)爆破卸壓的基本思路為首先在掌子面掘進(jìn)爆破孔鉆孔完畢后，沿掌子面斜向前方30°～60°鉆鑿一圈卸壓爆破孔，然后基于破裂分區(qū)寬度，確定卸壓爆破孔網(wǎng)參數(shù)，如孔位布置、炮孔長度、炮孔傾角、裝藥結(jié)構(gòu)等，根據(jù)巖石爆破理論確定裝藥參數(shù)如裝藥量、不耦合系數(shù)、起爆時(shí)差等，卸壓孔先于掌子面掘進(jìn)孔起爆，在圍巖體中人為制造出一圈“柔性”防沖帶，誘發(fā)圍巖破裂化向深部轉(zhuǎn)移，使卸壓影響范圍內(nèi)的巖體儲(chǔ)存的彈性能有效釋放。

1)卸壓爆破孔位布置。卸壓爆破與隧道鉆爆工序同步進(jìn)行，卸壓爆破孔先于掌子面掘進(jìn)孔起爆進(jìn)行超前卸壓，沿掌子面斜向前方鉆鑿一圈卸壓爆破孔，其在隧道軸線的投影長度等于2～3倍的爆破循環(huán)進(jìn)尺，如此卸壓爆破與掌子面掘進(jìn)可以循環(huán)進(jìn)行或間隔一個(gè)循環(huán)進(jìn)行(見圖3)。

圖3 卸壓爆破孔布置縱斷面Fig.3 Vertical section of destress blasting hole layout

2)炮孔直徑d。炮孔直徑不宜過大或過小，可選擇40～90 mm之間，具體取值應(yīng)根據(jù)藥卷規(guī)格、裝藥不耦合系數(shù)及現(xiàn)場鉆孔機(jī)具型號(hào)確定。

3)不耦合系數(shù)K。不耦合系數(shù)的確定原則為不能在巖石中產(chǎn)生粉碎區(qū)，并盡量增大裂隙區(qū)的破碎程度和范圍[10]，因此，可使不耦合裝藥爆破產(chǎn)生的粉碎區(qū)R1的半徑等于炮孔的半徑db。

(10)

式中：n為壓力增大系數(shù)；K為徑向不耦合系數(shù);dc為裝藥半徑。

由此可得到卸壓爆破最佳的裝藥不耦合系數(shù)為

(11)

4)炮孔傾角θ。炮孔傾角根據(jù)幾何關(guān)系由承載圈厚度和卸壓超前長度H確定，根據(jù)理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)承載圈的厚度一般為1倍洞徑大小。為保護(hù)承載圈免受爆破破壞作用，將卸壓爆破裝藥段設(shè)置在第4和第5破裂帶，可基本滿足要求，如此，承載圈的厚度h=r5-r0，炮孔傾角按下式計(jì)算：

(12)

5)炮孔長度L。為了達(dá)到爆破卸壓目的的同時(shí)保證隧道周邊圍巖的完整性，卸壓爆破的最小抵抗線應(yīng)滿足內(nèi)部藥包爆破的臨界深度，因此將爆破卸壓區(qū)域設(shè)定在圍巖發(fā)生分區(qū)破裂時(shí)形成的第4和第5條破碎帶，形成雙重卸壓帶對應(yīng)力的傳導(dǎo)進(jìn)行阻隔。

(13)

6)孔距a。根據(jù)公式(9)可計(jì)算出耦合裝藥和不耦合裝藥條件下破裂圈半徑的計(jì)算公式，從而確定卸壓爆破的孔間距：

a=2R2

(14)

7)裝藥結(jié)構(gòu)。卸壓爆破孔裝藥結(jié)構(gòu)采用分區(qū)軸向水袋間隔裝藥，利用水的不可壓縮性，充分傳遞爆炸能量，以破壞巖體完整性和軟化硬巖?？紤]第5破碎帶的炮孔切向作用長度要大于第4破碎帶，因此第5破碎帶裝藥采用徑向耦合裝藥，第4破碎帶裝藥采用徑向不耦合裝藥。

圖4 卸壓爆破孔裝藥結(jié)構(gòu)Fig.4 Charge structure of destress blasting hole

8)裝藥長度l。裝藥長度由卸壓破碎帶的寬度決定，可由下式確定:

(15)

9)起爆時(shí)差。卸壓孔先于掌子面掘進(jìn)孔100 ms起爆，使卸壓爆破影響范圍內(nèi)的巖體有足夠的時(shí)間完成應(yīng)力重分布。

3 分區(qū)爆破卸壓數(shù)值模擬

下面結(jié)合錦屏水電站二級(jí)引水隧洞[12]地應(yīng)力條件及巖石性質(zhì)進(jìn)行分區(qū)爆破卸壓參數(shù)設(shè)計(jì)：

1)首先確定卸壓爆破的裝藥不耦合系數(shù)和炮孔直徑。

由此計(jì)算卸壓爆破的炮孔直徑d=62 mm，取d=60 mm。

3)卸壓爆破炮孔裝藥長度根據(jù)破碎帶的厚度確定：

由此可確定單孔裝藥量Q=q1+q2=5.96 kg。

3)根據(jù)式(9)計(jì)算耦合裝藥條件下破裂圈的半徑約為裝藥半徑的8倍，即R2=0.24 m，可見地應(yīng)力的約束作用抑制了裂紋的擴(kuò)展，因此耦合裝藥段可考慮采用擴(kuò)壺爆破的方式，以使孔間破裂區(qū)盡量貫通，卸壓炮孔數(shù)量設(shè)置為9～11個(gè)，炮孔沿隧道輪廓線的間距為0.9～1.2 m。

表1 分區(qū)爆破卸壓設(shè)計(jì)參數(shù)

基于以上基礎(chǔ)條件，采用有限元軟件建立隧道準(zhǔn)二維數(shù)值模型，計(jì)算模型尺寸為30 m×30 m×1 m，模型兩側(cè)及底部邊界位移約束，頂部為自由表面，巖體模型周邊兩側(cè)施加水平地應(yīng)力，對巖體模型頂部施加圍巖自重應(yīng)力，材料的物理力學(xué)參數(shù)如表2所示[13]。

表2 數(shù)值模擬巖體物理力學(xué)參數(shù)

巖爆的判別采用Barton巖爆判據(jù)，Barton認(rèn)為巖爆活動(dòng)由圍巖的最大主應(yīng)力σ1和巖石單軸抗壓強(qiáng)度σc之比來規(guī)定，其判別關(guān)系如下[14]：

σ1/σc= 0.2～0.4 中等巖爆活動(dòng)

σ1/σc> 0.4 有嚴(yán)重巖爆活動(dòng)

從圖5可以看出，爆破卸壓前，在大埋深圍巖自重荷載作用下，隧道拱頂及兩側(cè)邊墻下部拱腳處出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中，開挖輪廓面附近的Barton判別系數(shù)達(dá)到0.26，發(fā)生中等巖爆活動(dòng)的可能性非常大；采用爆破卸壓措施后，整個(gè)隧道開挖線上Barton判別系數(shù)均有較大程度降低，特別是拱頂部位降至0.12～0.14，拱腳部位也降至0.2，發(fā)生巖爆的可能性大大降低，應(yīng)力集中部位向爆破卸壓部位轉(zhuǎn)移，隧道輪廓面上應(yīng)力分布狀態(tài)得到明顯改善。

圖5 爆破卸壓前后Barton判別系數(shù)分布Fig.5 Distribution of Barton discriminant coefficient before and after destress blasting

4 結(jié)語

1)確定卸壓爆破參數(shù)的關(guān)鍵是首先選擇應(yīng)力釋放部位，基于深部巖體分區(qū)破裂化原理，提出分區(qū)爆破卸壓逐級(jí)應(yīng)力釋放的強(qiáng)巖爆主動(dòng)控制技術(shù)，形成卸壓爆破參數(shù)系統(tǒng)化設(shè)計(jì)方法，具有一定的理論基礎(chǔ)，分區(qū)爆破卸壓可根據(jù)巖爆強(qiáng)度和地質(zhì)條件可以形成若干圈破裂帶，阻隔高地應(yīng)力的傳導(dǎo)，與正常鉆爆工序同步進(jìn)行，具有良好的工程應(yīng)用前景。

2)深部巖石爆破破碎機(jī)理與淺部巖體常規(guī)爆破理論具有較大差異，特別是高地應(yīng)力圍壓條件對爆炸破裂范圍的擴(kuò)展具有明顯的抑制作用，在確定炸藥單耗、孔徑、不耦合系數(shù)、孔距等卸壓爆破參數(shù)時(shí)應(yīng)充分考慮地應(yīng)力的影響，必要情況可采用擴(kuò)壺爆破方式。

3)數(shù)值模擬結(jié)果表明，應(yīng)力集中部位向爆破卸壓破碎區(qū)轉(zhuǎn)移，隧道開挖面巖爆傾向性大大降低，充分保護(hù)了承載拱整體性，使卸壓和支護(hù)協(xié)同作用，形成強(qiáng)—弱階梯狀卸壓—支護(hù)耦合體系。