宋鵬偉, 楊新安, *, 李 淮, 孫衛(wèi)星

(1. 同濟大學(xué) 道路與交通工程教育部重點實驗室, 上海 201804； 2. 同濟大學(xué)交通運輸工程學(xué)院, 上海 201804； 3. 中交第三航務(wù)工程局有限公司, 上海 200030)

0 引言

目前，鉆爆法仍是巖石隧道掘進的主要方法。但傳統(tǒng)光爆技術(shù)存在超欠挖嚴重、圍巖擾動過大、光爆效果差等問題，不能滿足隧道精細化施工的要求。針對此問題，聚能水壓光爆技術(shù)被提出并得到實際應(yīng)用，其可以顯著改善隧道的光爆效果，降低對圍巖的擾動，保障隧道圍巖的穩(wěn)定，具有良好的社會效益與經(jīng)濟效益。

聚能水壓光爆技術(shù)出現(xiàn)的時間并不長，國內(nèi)外學(xué)者對其也開展了一些研究。如： 魏垂勝[1]分析了線性聚能光爆的原理，并通過現(xiàn)場試驗證明線性聚能光爆技術(shù)具有成本低、工效高、光爆效果好的特點； 熊炎林等[2]以段家坪隧道工程為依托，采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗對聚能爆破在隧道開挖成型控制中的作用進行了研究，表明周邊眼采用聚能水壓爆破技術(shù)可有效減小超欠挖值，改善光爆效果； 何滿潮等[3]、宋彥琦等[4]對比分析了不同炮孔間距下聚能爆破的應(yīng)力波傳播與裂縫發(fā)展情況，優(yōu)化了聚能爆破的炮孔間距； Ma等[5]提出了 JH 材料模型，并通過 LS-DYNA 軟件運用該模型研究了加載速率對爆破效果的影響； 陳壽峰等[6]基于不同炸藥炸高、聚能罩材質(zhì)下的聚能爆破試驗，研究有無聚能罩、炸高及聚能罩材質(zhì)等因素對破巖效果的影響規(guī)律； 郭云龍等[7]對護壁結(jié)構(gòu)下不耦合裝藥和耦合裝藥的爆炸應(yīng)力波傳播特征進行了分析； 齊慶杰等[8]基于理論分析、數(shù)值模擬以及現(xiàn)場試驗，對不同裝藥位置下深孔聚能爆破周圍巖體的應(yīng)力分布情況及裂縫發(fā)展情況進行了對比分析； Adachi等[9]通過試驗研究水壓爆破中應(yīng)力場分布，討論巖石破裂的發(fā)展規(guī)律，并得到裂縫增長隨時間變化的函數(shù)關(guān)系； 徐風(fēng)等[10]采用數(shù)值仿真及理論驗證，對聚能罩不同錐角及藥、罩距離下的爆炸能量輸出進行了對比分析; 梁洪達等[11]基于理論分析與數(shù)值模擬，對單孔爆破、間隔爆破爆炸應(yīng)力波的傳播形式和裂紋擴展規(guī)律進行了研究； 李立功等[12]利用信息化監(jiān)測技術(shù)手段，對不同鉆爆設(shè)計參數(shù)下采用節(jié)能環(huán)保水壓爆破技術(shù)時周圍環(huán)境的爆破振動速度進行了監(jiān)測對比分析。

綜上所述，目前的研究大都通過炮孔間距、裝藥位置、聚能管材質(zhì)及形狀、不耦合系數(shù)等對聚能水壓光爆進行優(yōu)化，但鮮有針對聚能水壓光爆裝藥結(jié)構(gòu)中炸藥、水袋等布設(shè)形式的優(yōu)化研究。另外，目前聚能水壓光爆技術(shù)的周邊眼裝藥結(jié)構(gòu)選取主要依賴于經(jīng)驗，存在一定的隨意性，嚴重制約了該技術(shù)的實際運用。因此，本文基于聚能水壓光爆的基本原理，采用數(shù)值分析與現(xiàn)場試驗相結(jié)合的方法，對比研究不同周邊眼裝藥結(jié)構(gòu)下的圍巖動力響應(yīng)特性及光爆效果，優(yōu)化聚能水壓光爆技術(shù)裝藥結(jié)構(gòu)。

1 聚能水壓光爆機制

聚能水壓光爆就是在隧道周邊眼中采用聚能管裝置代替普通光爆裝藥結(jié)構(gòu)，并在炮孔上部增設(shè)水袋，利用水砂袋(非牛頓流體)代替炮泥來堵塞炮孔，以此達到充分利用爆破能量、控制爆破振動速度、減小對圍巖的擾動、改善光爆效果等目的。

聚能水壓光爆基于聚能爆破的聚能效應(yīng)，在聚能方向上形成初始導(dǎo)向裂縫，利用水介質(zhì)的近似不可壓縮性及緩能效應(yīng)，在減少爆破能量損失的同時可顯著降低炮孔壁上的爆破振動，利用應(yīng)力波的拉剪(徑向壓應(yīng)力和環(huán)向拉應(yīng)力)作用、水楔劈裂作用以及爆生氣體的膨脹壓力，使裂隙進一步發(fā)育、擴展，最終裂隙沿相鄰炮孔連心線貫通，形成光爆斷面。聚能水壓光爆作用原理如圖1所示。

裝藥結(jié)構(gòu)是指炸藥等在炮孔內(nèi)的安置方式，是影響爆破效果的重要因素[13]。不同的炸藥、水袋、聚能管等安置方式對爆破沖擊波在孔壁上的作用、圍巖內(nèi)應(yīng)力場、振動速度分布及爆炸能量的有效利用率有很大的影響，且與光爆效果密切相關(guān)。

基于此，本文研究徑向不耦合及軸向空氣間隔裝藥條件下炸藥、水袋與聚能管裝置的最優(yōu)布設(shè)方式，優(yōu)化聚能水壓光爆周邊眼裝藥結(jié)構(gòu)，為工程應(yīng)用提供一定參考。

2 數(shù)值模擬試驗

利用顯式動力分析軟件LS-DYNA建立單孔爆破三維模型，對聚能水壓光爆的不同周邊眼裝藥結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化研究。

結(jié)合聚能水壓光爆特點，該模型共建立炸藥、空氣、水、水砂袋、PVC聚能管、巖石6種材料，采用流固耦合算法。其中： 炸藥、空氣、水、水砂袋單元采用ALE算法，四者之間網(wǎng)格共節(jié)點； PVC聚能管與巖石單元采用Lagrange算法，二者分別與ALE算法單元(即流體單元)定義接觸面，建立流固耦合關(guān)系。為簡化模型，節(jié)省計算工作量，建立1/2模型。

2.1 模型構(gòu)建與數(shù)值試驗方案設(shè)計

據(jù)文獻[14]的研究，在爆破作用下巖石會產(chǎn)生壓碎區(qū)與裂隙區(qū)，壓碎區(qū)半徑為裝藥半徑的2～7倍，裂隙區(qū)半徑為裝藥半徑的8～150倍。實際施工中，裝藥半徑為1.6 cm，炮眼深度為430 cm。為研究聚能水壓光爆圍巖壓碎區(qū)以及裂隙區(qū)動力響應(yīng)特性，取巖石半徑為50 cm，建立單孔柱狀模型。模型外尺寸為52.4 cm(半徑)×450 cm(高)，其中PVC聚能管、炸藥、水砂袋按實體進行1∶1建模。本文所建立的PVC聚能管模型基于C型聚能管，其為第2代聚能管，長度為1 m，管壁厚為1.2 mm，截面呈C型。聚能管兩側(cè)各有1個凹槽，即聚能槽，聚能槽頂角為60°，頂部距離為17.89 mm，聚能槽外部存在厚度為0.6 mm的薄壁，聚能管上部開口為20 mm，外形尺寸為32 mm×26.62 mm。C型聚能管截面尺寸如圖 2所示。

圖2 C型聚能管截面尺寸(單位： mm)

根據(jù)聚能水壓爆破技術(shù)實際施工情況，分別設(shè)計6種不同的周邊眼裝藥結(jié)構(gòu)，每個炮孔使用3根長為1 m的C27型聚能管，每根聚能管中安裝1卷2號巖石乳化炸藥(采用間隔裝藥，聚能管兩端各裝1/2卷炸藥，并以導(dǎo)爆索進行連接)，除此之外，炮孔中設(shè)置1卷加強藥、水袋，并在孔口設(shè)置水砂袋。改變6種結(jié)構(gòu)的炸藥、水袋布設(shè)形式，具體試驗方案設(shè)計如圖3所示。

基于6種裝藥結(jié)構(gòu)，分別建立6個單孔聚能水壓光爆模型，基于裝藥結(jié)構(gòu)1建立的三維數(shù)值模型如圖4所示(另外5個模型只改變裝藥結(jié)構(gòu))。

2.2 材料參數(shù)及初始邊界條件設(shè)置

相對于爆炸產(chǎn)生的應(yīng)力，初始地應(yīng)力要小得多，故本數(shù)值模型試驗忽略地應(yīng)力的影響。

2.2.1 材料參數(shù)

炸藥材料采用高能炸藥爆轟本構(gòu)模型(MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN)，并利用狀態(tài)方程EOS_ JWL來描述炸藥起爆后體積變形和壓力的關(guān)系。試驗中炸藥采用2號巖石乳化炸藥，炸藥材料參數(shù)及狀態(tài)方程參數(shù)如表 1所示。

水采用空材料本構(gòu)模型(MAT_NULL)，并定義EOS_GRUNEISEN作為狀態(tài)方程。水的材料參數(shù)及狀態(tài)方程參數(shù)如表 2所示。

(a) 裝藥結(jié)構(gòu)1

(b) 裝藥結(jié)構(gòu)2

(c) 裝藥結(jié)構(gòu)3

(d) 裝藥結(jié)構(gòu)4

(e) 裝藥結(jié)構(gòu)5

(f) 裝藥結(jié)構(gòu)6

(a) 模型圖 (b) 細部網(wǎng)格劃分圖

空氣材料采用空材料本構(gòu)模型(MAT_NULL)，選擇線性多項式EOS_LINEAR_POLYNOMIAL作為狀態(tài)方程，該狀態(tài)方程適用于描述空氣的壓力狀態(tài)以及壓縮膨脹過程?？諝獾牟牧蠀?shù)及狀態(tài)方程參數(shù)如表3所示。

水砂袋采用泡沫材料模型(MAT_ SOIL_AND_ FOAM)作為本構(gòu)模型，該模型可描述流體運動，適用于結(jié)構(gòu)或邊界約束下的材料。由試驗測得，水砂袋密度ρ為1.8 g/cm3。

PVC聚能管在爆破中會被壓垮，隨之產(chǎn)生大的變形，并發(fā)生破壞。本文采用塑性硬化模型(MAT_ PLASTIC_ KINEMATIC)作為其本構(gòu)模型來描述PVC聚能管的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。PVC聚能管材料參數(shù)如表4所示。

表1 2號巖石乳化炸藥材料參數(shù)及狀態(tài)方程參數(shù)[15]

表2 水的材料參數(shù)及狀態(tài)方程參數(shù)[16-17]

表3 空氣的材料參數(shù)及狀態(tài)方程參數(shù)[18]

表4 PVC聚能管材料參數(shù)[17]

本模型基于彈塑性力學(xué)，巖石材料選用塑性硬化模型(MAT_ PLASTIC_ KINEMATIC)作為本構(gòu)模型，巖石材料參數(shù)采用片巖參數(shù)，在現(xiàn)場取樣后由試驗測得，如表5所示。

表5 巖石材料參數(shù)

2.2.2 初始邊界條件

在對稱面X0Z上設(shè)置Y方向的位移約束，在模型底部設(shè)置Z方向的位移約束。由于本模型只是在無限大巖體范圍內(nèi)取了一小部分，所以在模型底面與半圓柱狀巖體單元外表面設(shè)置無反射邊界，使應(yīng)力波在到達該表面時不發(fā)生反射。

另外，上述裝藥結(jié)構(gòu)均采用間隔裝藥，炸藥起爆方式包括電力起爆法及導(dǎo)爆索起爆法。為簡化計算，本文炮孔內(nèi)4段炸藥均采用點起爆，在各段炸藥底部中心處各設(shè)置1個起爆點，且各起爆點設(shè)置為同時起爆，即起爆時間均為0。

3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.1 炮孔壁壓力特征分析

在炮孔壁上沿軸向選取聚能方向與非聚能方向上的測點，研究炮孔壁壓力特征。相鄰測點之間的距離為70 cm，并增選孔底處測點，共8個測點，具體位置如圖5所示。非聚能方向取聚能管閉口側(cè)，在實際工程中該方向上巖體為保留巖體。

以孔壁軸向中心點單元A3和B3為例，6種裝藥結(jié)構(gòu)下炮孔壁巖石聚能方向與非聚能方向的壓力時程曲線如圖6所示。

A側(cè)為聚能方向，B側(cè)為非聚能方向。

圖6 孔壁壓力時程曲線

由圖6可知： 6種裝藥結(jié)構(gòu)下，孔壁壓力均在10 μs左右開始急速上升， 20 μs左右達到最大值，然后在10 μs內(nèi)急速降低，最后趨于穩(wěn)定。

就聚能方向的孔壁峰值壓力而言，裝藥結(jié)構(gòu)4>裝藥結(jié)構(gòu)6>裝藥結(jié)構(gòu)3>裝藥結(jié)構(gòu)5>裝藥結(jié)構(gòu)2>裝藥結(jié)構(gòu)1，這有利于孔壁初始裂縫的產(chǎn)生。其中，裝藥結(jié)構(gòu)4和裝藥結(jié)構(gòu)6的孔壁壓力差別不大，在30 μs后，二者的孔壁壓力低于其余4種裝藥結(jié)構(gòu)，有利于減少巖石的過度破碎，提高爆破能量的利用率。就作用時間來看，裝藥結(jié)構(gòu)1在130 μs后孔壁壓力趨于穩(wěn)定，裝藥結(jié)構(gòu)3和裝藥結(jié)構(gòu)5在140 μs后孔壁壓力趨于穩(wěn)定，而裝藥結(jié)構(gòu)2、裝藥結(jié)構(gòu)4和裝藥結(jié)構(gòu)6在150 μs后孔壁壓力才趨于穩(wěn)定。可見，裝藥結(jié)構(gòu)2、裝藥結(jié)構(gòu)4和裝藥結(jié)構(gòu)6的聚能射流持續(xù)時間更長，初始裂縫更深。在非聚能方向上，6種裝藥結(jié)構(gòu)的孔壁壓力區(qū)別不大。

為分析軸向上孔壁的壓力分布情況，統(tǒng)計孔壁軸向上聚能方向和非聚能方向上不同測點單元的峰值壓力，并計算相應(yīng)測點上的聚能效果，做出聚能方向上孔壁峰值壓力及聚能效果隨距炮孔口距離的變化曲線，如圖7所示。

圖7 軸向上孔壁峰值壓力及聚能效果變化圖

由圖7可知： 在軸向上除裝藥結(jié)構(gòu)5和裝藥結(jié)構(gòu)6外，孔壁峰值壓力的變化趨勢呈“雙峰式”，2個峰值分別位于孔壁中部及底部單元，聚能效果在炮孔中部最好； 在炮孔上部，即距炮孔口0～140 cm范圍內(nèi)孔壁壓力最小，除裝藥結(jié)構(gòu)6外，幾乎沒有聚能效果，這是由于其余結(jié)構(gòu)炮孔上部沒有聚能管和炸藥導(dǎo)致的； 在炮孔中部140～280 cm范圍內(nèi)，孔壁峰值壓力及聚能效果先上升后下降，裝藥結(jié)構(gòu)4和裝藥結(jié)構(gòu)6的聚能效果最明顯，其聚能方向的孔壁峰值壓力最大，且二者趨于一致，有利于炮孔中部導(dǎo)向裂縫的產(chǎn)生； 在炮孔下部280～350 cm范圍內(nèi)，裝藥結(jié)構(gòu)4和裝藥結(jié)構(gòu)6的聚能效果最好，且后者的孔壁峰值壓力略大于前者； 在炮孔底部350～430 cm范圍內(nèi)，就孔壁峰值壓力而言，裝藥結(jié)構(gòu)4>裝藥結(jié)構(gòu)2>裝藥結(jié)構(gòu)3>裝藥結(jié)構(gòu)1>裝藥結(jié)構(gòu)6>裝藥結(jié)構(gòu)5，這是由于裝藥結(jié)構(gòu)5和裝藥結(jié)構(gòu)6孔底為水袋，孔壁峰值壓力較小，不利于孔底巖石的破碎，會使炮眼利用率降低，減少循環(huán)進尺。

總體來說，在炮孔軸向上，就聚能效果而言，裝藥結(jié)構(gòu)4和裝藥結(jié)構(gòu)6的聚能效果最好，且二者趨于一致。但是，后者在炮孔底部孔壁峰值壓力較小，一定程度上會使炮孔利用率降低。

3.2 圍巖等效應(yīng)力特征分析

在炮孔壁上峰值壓力最大處巖體截面A6—B6的聚能方向上沿徑向選取測點，研究巖體的等效應(yīng)力特征，相鄰測點距離6 cm，共計8個測點，具體位置如圖8所示。

圖8 A6—B6截面徑向測點位置圖

為分析巖體內(nèi)部的有效應(yīng)力場分布，統(tǒng)計聚能方向上不同測點單元的有效應(yīng)力峰值，做出巖體內(nèi)部有效應(yīng)力峰值隨距炮孔壁距離的變化曲線，如圖9所示。

σcd為巖石動態(tài)抗壓強度，片巖為130 MPa; σtd為巖石動態(tài)抗拉強度，片巖為5.6 MPa。

由圖9可知： 隨著距炮孔壁距離的增加，巖體的有效應(yīng)力峰值在不斷降低，變化速率也隨之降低； 當有效應(yīng)力σi>σcd時，巖體為壓碎區(qū)，當σtd<σi<σcd時，巖體為裂隙區(qū)； 裝藥結(jié)構(gòu)4的有效應(yīng)力峰值總體大于其他裝藥結(jié)構(gòu)，故壓碎區(qū)和裂隙區(qū)范圍最大； 裝藥結(jié)構(gòu)1的裂隙發(fā)育區(qū)邊界約位于距孔壁48 cm處，根據(jù)其余5種裝藥結(jié)構(gòu)的有效應(yīng)力峰值減小速率，裝藥結(jié)構(gòu)2、裝藥結(jié)構(gòu)3和裝藥結(jié)構(gòu)5的裂隙發(fā)育區(qū)邊界約位于距孔壁50 cm處，裝藥結(jié)構(gòu)4和裝藥結(jié)構(gòu)6的裂隙發(fā)育區(qū)邊界大于50 cm，有利于相鄰炮孔連心線上裂縫的貫通，另外也可進一步增加炮孔間距，減少裝藥量。

3.3 巖體振動速度響應(yīng)特征分析

選取圖7聚能方向上相應(yīng)測點單元的節(jié)點，提取各個節(jié)點的振動速度峰值，分析巖體內(nèi)部徑向上的振動速度分布情況，做出圍巖振動速度峰值隨距炮孔壁距離的變化曲線，如圖10所示。

圖10 徑向上巖體內(nèi)部振動速度峰值變化圖

由圖10可知： 隨著距炮孔壁距離的增加，圍巖爆破振動速度不斷降低，在距炮孔壁12 cm范圍內(nèi)圍巖振動速度急速下降，在12 cm范圍外變化速率趨于平緩。總體來說，在控制圍巖振動、減少圍巖擾動方面，裝藥結(jié)構(gòu)5>裝藥結(jié)構(gòu)6>裝藥結(jié)構(gòu)4>裝藥結(jié)構(gòu)3>裝藥結(jié)構(gòu)2>裝藥結(jié)構(gòu)1。其中： 裝藥結(jié)構(gòu)4、裝藥結(jié)構(gòu)5和裝藥結(jié)構(gòu)6的圍巖振動速度區(qū)別很小，在距炮孔壁25 cm范圍內(nèi)，裝藥結(jié)構(gòu)5和裝藥結(jié)構(gòu)6的圍巖振動速度略低于裝藥結(jié)構(gòu)4，這是由于增加水袋所致； 在距炮孔壁25 cm范圍外，三者趨勢基本一致。

綜上所述，由孔壁壓力、巖體有效應(yīng)力場分布與圍巖振動響應(yīng)特征分析結(jié)果可知： 6種裝藥結(jié)構(gòu)中裝藥結(jié)構(gòu)4的孔壁壓力與有效應(yīng)力峰值最大，有利于初始導(dǎo)向裂縫的產(chǎn)生及裂縫的進一步發(fā)育； 裝藥結(jié)構(gòu)4和裝藥結(jié)構(gòu)6的聚能效果趨于一致，并大于其他裝藥結(jié)構(gòu)； 裝藥結(jié)構(gòu)4和裝藥結(jié)構(gòu)6的控制爆破效果較好，且二者差別很小，但裝藥結(jié)構(gòu)6不利于炮眼利用率的提高，且水袋數(shù)量大于裝藥結(jié)構(gòu)4。綜合社會效益、經(jīng)濟效益分析，6種裝藥結(jié)構(gòu)中裝藥結(jié)構(gòu)4較為合理。下面將通過現(xiàn)場試驗，對不同周邊眼裝藥結(jié)構(gòu)下的光爆效果進行比較分析，進一步驗證其合理性和適用性。

4 現(xiàn)場試驗

4.1 工程概況

碾盤隧道為分離式特長隧道，左線起訖里程為ZK62+560～ZK67+011，全長4 451 m，最大埋深約462 m； 右線起訖里程為K62+536～K66+990，全長4 454 m，最大埋深約470 m； 兩線間距為20～35 m。左右線巖體風(fēng)化程度為微風(fēng)化—強風(fēng)化，圍巖級別為Ⅲ—Ⅴ級。

在碾盤隧道右線K63+150～+170區(qū)段進行不同周邊眼裝藥結(jié)構(gòu)下的聚能水壓光爆現(xiàn)場試驗。該區(qū)段圍巖級別為Ⅲ級，坡度較?。?地層巖性為中—微風(fēng)化片巖，呈褐黃色、灰白色，片構(gòu)造，節(jié)理裂隙不發(fā)育，巖體較完整，局部硬度較高； 工程地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件十分類似，圍巖硬度及裂隙發(fā)育程度較為一致，滿足試驗要求。

4.2 方案設(shè)計

根據(jù)現(xiàn)場施工條件，采用Atlas Copco XE3C三臂鑿巖臺車進行鉆孔作業(yè)，現(xiàn)場試驗中周邊眼采用聚能水壓光爆技術(shù)，炮孔深度為4.3 m，直徑為48 mm，間距為93 cm?，F(xiàn)場拱部光爆炮孔間距如圖11所示。最小抵抗線為70 mm，試驗中除周邊眼裝藥結(jié)構(gòu)外，其余所有爆破參數(shù)均相同。結(jié)合數(shù)值模擬試驗及現(xiàn)場施工實際操作難度，設(shè)置4組試驗方案，具體方案設(shè)計如表6所示。裝藥結(jié)構(gòu)與數(shù)值試驗相對應(yīng)，如圖3所示。

(a) 現(xiàn)場拱部光爆炮孔

(b) 現(xiàn)場拱部光爆炮孔間距實測圖(93 cm)

表6 現(xiàn)場試驗方案設(shè)計

碾盤隧道開挖施工中，Ⅲ級圍巖采用全斷面法開挖，爆破施工采用水平楔形復(fù)式掏槽法爆破，周邊眼、底眼及輔助眼采用直眼鉆孔，除周邊眼外，其余炮眼均采用連續(xù)裝藥。炮孔平面布置及試驗方案位置如圖12所示。

4.3 試驗結(jié)果

為了更好地反映不同周邊眼裝藥結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣，現(xiàn)場試驗以爆破振動速度、超欠挖值、眼痕率、炮孔利用率等參數(shù)為指標，對不同周邊眼裝藥結(jié)構(gòu)下的光爆效果進行對比分析。

4.3.1 爆破振動速度對比分析

利用TC-4850爆破測振儀對隧道掌子面后方40 m拱腰處圍巖的爆破振動速度進行測量，根據(jù)每次試驗爆破測得的振動速度時程曲線，各組試驗的振動速度最大值如表7所示。

由表7可知： 4組試驗在Y方向，即隧道輪廓面法線方向上的振動速度峰值最大，在爆破合速度峰值方面，組1>組2>組3>組4，與數(shù)值試驗結(jié)果相同。與組1相比，組3的最大振動速度降低54.17%，與組2相比，組4的最大振動速度降低47.12%。由此可見，增加水袋后，由于水的密度遠遠大于空氣的密度，炸藥在水中爆炸后氣體的膨脹速度比空氣中要小得多，從而降低了周圍圍巖的爆破振動。

綜上，4組試驗方案中，周邊眼按照組4的方式進行裝藥時，控制爆破振動的效果最為顯著，對圍巖的擾動最小。

(a) 炮孔平面布置圖及延時圖(間距單位： m； 延時單位： ms)

(b) 試驗方案位置圖

表7 爆破監(jiān)測振動速度最大值統(tǒng)計

4.3.2 超欠挖對比分析

采用徠卡TS06plus全站儀對4組試驗爆破后的隧道輪廓面超欠挖值進行掃描，并對超欠挖情況進行統(tǒng)計對比分析，對比結(jié)果如圖13所示。

由圖13可知，就最大超挖值和平均超挖值而言，組1>組3>組2>組4。究其原因，根據(jù)數(shù)值試驗結(jié)果來看，在巖體的有效應(yīng)力值方面，組4>組2>組3>組1，巖體內(nèi)部聚能方向上有效應(yīng)力越大，其裂縫擴展越長，爆破能量在該方向的分配就越多，相應(yīng)地對保留巖體的損傷就越小，超欠挖值也越小。4組試驗斷面的欠挖值變化不大，最大欠挖值不超過0.04 m，平均欠挖值在0.02 m左右，因此，可不作為控制指標。與組1和組2相比，周邊眼按照組3和組4結(jié)構(gòu)進行裝藥時，平均超挖值降低23%左右，效果明顯。由此可見，在周邊眼裝藥結(jié)構(gòu)中增加水袋后，由于水的緩能作用，降低了對周圍巖體的損傷。綜上，周邊眼按照組4的結(jié)構(gòu)進行裝藥時，爆后斷面與設(shè)計輪廓線更為貼合，對隧道斷面超欠挖的改善效果最好。

圖13 超欠挖情況對比

4.3.3 眼痕率與炮孔利用率對比分析

眼痕率及炮孔利用率是衡量光爆質(zhì)量及施工進度的重要指標，在每次試驗后，對可見眼痕的炮孔數(shù)及周邊眼循環(huán)進尺進行統(tǒng)計，計算各組試驗的眼痕率及炮孔利用率，并進行比較，對比結(jié)果如表8所示。

表8 眼痕率與炮孔利用率對比結(jié)果

由表8可知，在循環(huán)進尺及炮孔利用率方面，總體而言，組4>組3>組2>組1，其中組3比組1提高7.21%，組4比組2提高6.74%。由此可見，增加水袋后，由于水的可壓縮性很小，所以在水中沖擊波只有很小的能量損失，炮孔利用率提高。與原有結(jié)構(gòu)(組1)相比，周邊眼按照組4的結(jié)構(gòu)進行裝藥時，循環(huán)進尺增加0.43 m，炮孔利用率提高10%，效果最為顯著。在眼痕率方面，4組試驗的隧道斷面眼痕率都在80%以上，周邊眼按照組4的結(jié)構(gòu)進行裝藥時，眼痕率超過95%，光爆效果最好，對保留巖體的損傷最小。

綜上所述，周邊眼按照組4的結(jié)構(gòu)進行裝藥時，可有效減少對保留巖體的擾動，控制爆破振動。除此之外，其有利于提高炮孔利用率與眼痕率，降低超欠挖值，進一步改善光爆效果。

綜合數(shù)值模擬試驗及現(xiàn)場試驗結(jié)果，同一地質(zhì)條件下的4種周邊眼裝藥結(jié)構(gòu)中裝藥結(jié)構(gòu)4為最優(yōu)方案，其水袋、炸藥布設(shè)形式為底部加強藥×30 cm+聚能管裝置×100 cm×3(間隔裝藥)+水袋×30 cm +空氣間隔×40 cm+孔口水砂袋×30 cm，如圖14所示。

1—電子雷管； 2—1卷加強藥； 3—聚能管； 4—1/2卷炸藥； 5—導(dǎo)爆索； 6—水袋； 7—腳線； 8—水砂袋。

5 結(jié)論與討論

1)本文基于數(shù)值模擬及現(xiàn)場試驗，對聚能水壓光爆技術(shù)的周邊眼裝藥結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化研究，通過建立6種不同裝藥結(jié)構(gòu)下的聚能水壓爆破模型，對圍巖動力響應(yīng)特性進行對比； 然后，根據(jù)數(shù)值模擬試驗結(jié)果對周邊眼分別采用4種裝藥結(jié)構(gòu)進行現(xiàn)場試驗，檢驗其光爆效果，從而對裝藥結(jié)構(gòu)進行對比優(yōu)化。

2)數(shù)值模擬試驗表明，周邊眼采用裝藥結(jié)構(gòu)4較為合理，其孔壁峰值壓力最大，有利于提高炮孔利用率，在徑向方向上有效壓力峰值總體大于其他裝藥結(jié)構(gòu)，裂隙區(qū)范圍最大，且聚能效果及控制爆破振動效果較好?，F(xiàn)場試驗表明，周邊眼按照組4的結(jié)構(gòu)進行裝藥時，可有效減少對保留巖體的損傷與擾動，降低超欠挖值，減少圍巖爆破振動，并有利于提高炮孔利用率及眼痕率。與原有結(jié)構(gòu)(組1)相比，周邊眼按照組4的結(jié)構(gòu)進行裝藥時，最大超挖值降低44.34%，平均超挖值降低46.47%，圍巖最大振動速度降低69.88%，周邊眼炮孔利用率提高10%，眼痕率超過95%。

3)綜合數(shù)值模擬試驗及現(xiàn)場試驗結(jié)果，并經(jīng)現(xiàn)場應(yīng)用驗證，同一地質(zhì)條件下裝藥結(jié)構(gòu)4為最優(yōu)方案，其水袋、炸藥布設(shè)形式為底部加強藥×30 cm+聚能管裝置×100 cm×3(間隔裝藥)+水袋×30 cm+空氣間隔×40 cm+孔口水砂袋×30 cm，采用該裝藥結(jié)構(gòu)的光爆效果較好。

4)雖然本文對聚能水壓光爆技術(shù)的裝藥結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化研究與現(xiàn)場應(yīng)用，但仍缺乏全面性，仍需進一步研究。除此之外，光爆參數(shù)也是影響聚能水壓光爆效果的重要因素，如不同地質(zhì)條件下的周邊眼間距、最小抵抗線等，以及裝藥結(jié)構(gòu)與光爆參數(shù)的組合應(yīng)用，這是下一步研究的重點。

致謝

由衷感謝中交第三航務(wù)局欒盧高速6標碾盤隧道工點負責(zé)人馬帥輝及隧道一隊全體施工人員對本文研究的協(xié)助與配合。