李維

(中國鐵建港航局集團有限公司，廣東 珠海市 519000)

0 引言

爆破技術(shù)被廣泛應(yīng)用于大型水利工程、交通建設(shè)以及礦山開采等領(lǐng)域，對于促進我國社會經(jīng)濟的高速發(fā)展有著不可替代的作用[1]。目前常用的爆破技術(shù)一般是炸藥通過化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生巨大的能量，對物體原有結(jié)構(gòu)進行破壞的一種技術(shù)。爆破過程中不僅產(chǎn)生巨大的噪音和一氧化碳、氮氧化合物等有害氣體，且伴隨著爆炸沖擊波及飛石的危害，爆炸后也會對巖層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定程度的破壞，導(dǎo)致地震的發(fā)生[2]。

物理爆破技術(shù)相比化學(xué)爆破技術(shù)來說，不僅能杜絕有害氣體的產(chǎn)生，且由于釋能方式不同，產(chǎn)生的沖擊波危害較小，能最大程度地減小飛石和粉塵的污染[3]。液態(tài)二氧化碳相變爆破就是一種典型的物理爆破技術(shù)，其做功主要依靠液態(tài)二氧化碳相變產(chǎn)生的氣體膨脹能，能量轉(zhuǎn)化利用的效率高，是一種可以安全高效代替炸藥爆破的破巖方式。S.P.Singh[4]闡述了二氧化碳致裂裝置的主要構(gòu)成和使用方法，并在Bulawayo金礦進行試驗，驗證了二氧化碳爆破可以達到炸藥爆破的效果。劉光輝等[5]對比了炸藥爆破與二氧化碳致裂技術(shù)，認為二氧化碳爆破具有產(chǎn)生振動小、安全性高等優(yōu)點。董慶祥等[6]根據(jù)二氧化碳致裂技術(shù)作用機理，通過LS-DYNA數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗確定了二氧化碳相變致裂的半徑及TNT當(dāng)量計算方法。李啟月等[7]在地鐵基坑開挖中運用二氧化碳爆破技術(shù)替代傳統(tǒng)炸藥爆破，取得了不錯的效果。熊宏武等[8]在周邊環(huán)境負責(zé)的綜合管廊開挖中運用二氧化碳爆破技術(shù)，消除了傳統(tǒng)炸藥爆破存在安全隱患和振動損害等問題。同時，二氧化碳致裂技術(shù)在煤層增透和瓦斯抽采等方面[9-12]也有著廣泛應(yīng)用，通過改善煤層狀態(tài)保證了回采的安全性并大幅提高了礦山的經(jīng)濟效益。從以上研究可以發(fā)現(xiàn)，二氧化碳爆破技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于礦山、公路等多個工程領(lǐng)域，但目前針對液態(tài)二氧化碳爆破技術(shù)在臨近邊坡的基坑開挖中應(yīng)用的研究較少。因此，本文對液態(tài)二氧化碳爆破對臨近邊坡穩(wěn)定性的影響進行了研究，為類似工程提供參考。

1 工程概況

隨州市繞城南路地下綜合管廊項目全長為4.15 km，斷面尺寸為5.55m×3.75 m。起點段 K0+080-K0+660 以深路塹為主，邊坡巖性主要為強-中風(fēng)化云母片巖，局部有花崗巖巖株出露。K0+080-K0+320 段深路塹巖層產(chǎn)狀 210°∠75°，與邊坡坡向呈大角度切向相交，但是邊坡巖體較破碎并發(fā)育有多組構(gòu)造裂隙，邊坡穩(wěn)定性較差，其中 K0+210-K0+320 段邊坡已發(fā)生垮塌；K0+400-K0+660 段路塹巖層產(chǎn)狀 33°∠65°，為順向坡，邊坡巖體破碎已發(fā)生多處滑塌。擬建管廊位于路塹坡腳，距離邊坡很近，如圖1 所示。

圖1 綜合管廊基坑斷面

基坑開挖對邊坡穩(wěn)定性有較大影響，極易造成邊坡垮塌、滑移。傳統(tǒng)的炸藥爆破能量較高，存在安全隱患。從安全高效的角度綜合考慮，本工程決定使用D95型CO2致裂管對基坑進行相變爆破開挖。通過數(shù)值模擬的方式對爆破過程進行研究，并監(jiān)測爆破過程中邊坡的振動情況，確定合理的布孔參數(shù)。

2 二氧化碳爆破布孔參數(shù)模擬

2.1 數(shù)值模型與邊界條件

在PFC2D 數(shù)值模擬軟件中，試驗材料都是由圓形顆粒組成，顆粒之間通過不同的接觸方式進行連接。軟件內(nèi)置的平行鍵接觸可以給顆粒間提供黏聚力，抵抗材料的拉伸和剪切破壞，適合模擬巖石材料的變形和破壞。

首先對工程區(qū)巖層進行簡化處理，建立了一個共包含25 556 個顆粒的邊坡模型。為了在保證運算精度的前提下提高運算速度，爆破區(qū)生成的顆粒半徑為4～6 cm，其他區(qū)域隨機生成的顆粒半徑為12～18 cm，如圖2 所示。路基巖層主要以花崗巖為主，邊坡為風(fēng)化云母片巖，具體參數(shù)見表1。在邊坡上設(shè)置4 個監(jiān)測點，監(jiān)測基坑爆破施工對邊坡穩(wěn)定性的影響。

圖2 數(shù)值模型

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)

模型的邊界條件設(shè)置為底部顆粒限制豎向速度，兩側(cè)顆粒限制水平方向速度。在爆破過程中，模型邊界還需要吸收入射能來模擬半無限邊界條件，在PFC2D 中可以通過對邊界施加邊界力來實現(xiàn)這一過程。邊界力F與顆粒運動速度的關(guān)系為：

式中，ξ、η為縱波、橫波彌散效應(yīng)修正系數(shù)，一般取0.35；R為顆粒半徑；Cp、Cs分別為縱波和橫波的波速；、分別為顆粒的法向和切向運動速度；ρ為巖體密度。

2.2 二氧化碳爆破致裂方程

液態(tài)二氧化碳相變致裂過程屬于高壓氣體沖擊爆破，主要是通過二氧化碳氣化形成的強大推力導(dǎo)致炮孔周圍形成初始裂紋，然后高壓氣體進入初始裂紋中，在膨脹靜壓力作用下使初始裂紋發(fā)生延伸和擴張。為確定數(shù)值模擬中超臨界二氧化碳的氣爆參數(shù)，通過爆破壓力測試實驗測得D95 型二氧化碳致裂管的壓力時程曲線，如圖3 所示。

圖3 二氧化碳沖擊壓力時程曲線

選用JWL 狀態(tài)方程確定超臨界二氧化碳氣爆過程中的氣體壓力變化，其表達式為：

式中，P為氣體壓力；ρ0為初始氣體密度；ρ1為變化后的氣體密度；Em為初始比內(nèi)能；A1、B1、R1、R2和ω為材料常數(shù)。

以JWL 狀態(tài)方程擬合圖3 的沖擊壓力時程曲線，并作為爆破荷載施加在炮孔邊界，各參數(shù)取值見表2。

表2 JWL狀態(tài)方程參數(shù)

2.3 模擬結(jié)果分析

根據(jù)工程經(jīng)驗設(shè)置3 種初始布孔方案。方案一，采用3 個間隔為3.2 m 的垂直孔，孔深6.95 m，每個垂直炮孔安裝了三支致裂管，孔口堵塞2.4 m。方案二，在垂直炮孔的兩側(cè)增加2 列傾斜炮孔，采用垂直炮孔與傾斜炮孔相結(jié)合的爆破方式，兩側(cè)的傾斜炮孔各安裝2 支致裂管，孔口堵塞長度為1.6 m。方案三，在方案二的基礎(chǔ)上增加控制孔，控制孔布置在垂直孔中間。具體布孔參數(shù)如圖4 所示。

圖4 布孔參數(shù)

對3 種不同方案進行了模擬研究，在爆破10 ms時，爆破孔周邊裂紋擴展情況如圖5 所示。由圖5可以看出，如果不設(shè)置控制孔，則炮孔周邊約1 m范圍內(nèi)為壓碎區(qū)，裂紋分布密集，但相鄰兩垂直孔間的裂紋未完全貫通。若增設(shè)控制孔，則垂直孔周邊的裂紋延伸至控制孔，相鄰垂直孔之間的巖石將會被完全破碎。由圖5 還可以看出，爆破過程中拉伸裂紋數(shù)量遠遠多于剪切裂紋數(shù)量，說明在高壓氣體的作用下巖石主要以拉伸破壞為主。方案一與方案二對比說明傾斜孔可以有效增加裂紋數(shù)量，增強巖石破碎效果。方案二與方案三對比說明控制孔可以增加巖石的自由面，導(dǎo)致裂隙進一步擴展，巖石破碎效果更顯著。

圖5 10 ms時裂紋的擴展

圖6 為3 種爆破方案不同時刻爆破區(qū)顆粒的位移情況。其中方案一起爆后，垂直炮孔兩側(cè)裂隙擴展，最終爆破效果呈漏斗狀，爆破區(qū)中部地表巖石塊度較大，不利于現(xiàn)場運輸，需要二次破碎。方案二起爆后，由于增加了傾斜孔，致裂管數(shù)量增加，在垂直孔與傾斜孔的共同作用下，爆破區(qū)中部巖體破碎后塊度適中，且爆破后底部呈倒梯形狀，與預(yù)期結(jié)果相差不大。方案三爆破后，由于增加了控制孔，爆破自由面增多，導(dǎo)致爆破后巖石破碎效果更加明顯，爆破后成型效果較好，且?guī)r石塊度較小，有利于運輸。但這也將導(dǎo)致爆破產(chǎn)生的飛石速度增大，爆破過程應(yīng)注意飛石的危害。

圖6 不同爆破方案爆破效果

模擬監(jiān)測了爆破過程中邊坡的質(zhì)點振動情況（見圖7），從圖7 可以看出，基坑爆破引起了邊坡的振動，在前50 ms 內(nèi)邊坡質(zhì)點振幅較大，隨后振動逐漸減弱。隨著監(jiān)測點距爆源距離的增加，監(jiān)測點1 至監(jiān)測點4 質(zhì)點振動速度不斷降低。方案一由于未布置傾斜炮孔，所用致裂管較少，因此引發(fā)的邊坡振動較小，最大振幅為2.53 cm/s。方案二使用傾斜孔與垂直孔結(jié)合爆破，邊坡質(zhì)點最大振幅為3.62 cm/s。方案三由于增加了控制孔，在一定程度上減弱了爆破應(yīng)力波的傳遞，邊坡的最大振幅為3.24 cm/s，略低于方案二。

圖7 邊坡質(zhì)點振動速度模擬結(jié)果

2.4 爆破振動速度安全許可值

為了保障爆破施工過程中邊坡的穩(wěn)定性，必須確定爆破振動速度的安全許可值。目前確定爆破振動速度的方法主要有爆破規(guī)程和工程類比兩種方法。

《爆破安全規(guī)程》（GB 6722-2014）規(guī)定了永久性巖石高邊坡的安全允許質(zhì)點振動速度，當(dāng)振動頻率f≤10 Hz 時，安全允許質(zhì)點振動速度為5～9 cm/s；當(dāng)10 Hz＜f≤50 Hz 時，速度為8～12 cm/s；當(dāng)f＞50 Hz 時，速度為10～15 cm/s。

表3 給出了不同邊坡爆破振動速度安全值。本工程邊坡主要為強-中風(fēng)化云母片巖，其中強風(fēng)化云母片巖結(jié)構(gòu)已大部分破壞，裂隙較發(fā)育，裂面多呈灰黑色，質(zhì)軟，手捏易碎，局部巖夾土狀，雨水軟化，屬于極軟巖，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅴ級；中風(fēng)化云母片巖為鱗片變晶結(jié)構(gòu)，片狀構(gòu)造，質(zhì)軟，錘擊易碎，屬于軟巖，遇水軟化，易崩解呈片狀，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅳ級。

表3 不同工程邊坡爆破安全振動速度

根據(jù)行業(yè)規(guī)程和工程類比最終確定邊坡的安全振動速度許可值為8 cm/s。本次模擬結(jié)果顯示，3種方案引發(fā)的爆破振動均低于安全許可值，根據(jù)爆破后的成型效果和巖石破碎程度，最終選擇方案三為施工方案。

3 現(xiàn)場測試及效果評估

基坑開挖對邊坡穩(wěn)定性有較大的影響，現(xiàn)場勘測結(jié)果顯示，路塹邊坡已發(fā)生垮塌且為臨時坡，需在施工前對邊坡予以清方整修，并在深路塹坡腳平臺處設(shè)置被動防護網(wǎng)，防止坡面滾石滑落危及基坑作業(yè)安全。然后按照爆破方案布置鉆孔，裝入致裂管，充入液態(tài)二氧化碳，堵塞鉆孔，并在相應(yīng)位置安裝NUBOX-8016 爆破振動智能監(jiān)測儀，監(jiān)測邊坡各個測點的振動情況，如圖8 所示?，F(xiàn)場安裝完畢后，采用10 kV 高壓電起爆，起爆后待安全人員確定現(xiàn)場安全后，進入監(jiān)測區(qū)讀取監(jiān)測儀上的數(shù)據(jù)。

圖8 二氧化碳致裂起爆前準備工作

表4 記錄了4 個振動測點x、y、z三個方向的振動情況。由表4 可知，1 號測點的振動速度最大，可達3.619 cm/s，略大于數(shù)值模擬結(jié)果。4 號測點的振動速度最小為0.575 cm/s，各監(jiān)測點的振動速度隨距離的增大不斷降低。在爆破施工的過程中，邊坡無滾石滑落，穩(wěn)定性較好，爆破后基坑成型效果好。

表4 各監(jiān)測點振動情況統(tǒng)計

4 結(jié)論

（1）本文將液態(tài)二氧化碳相變爆破技術(shù)應(yīng)用于鄰近邊坡的基坑開挖工程中，解決了傳統(tǒng)炸藥爆破振動影響較大，容易造成邊坡失穩(wěn)的問題。

（2）通過數(shù)值模擬的手段研究了不同布孔參數(shù)對爆破效果的影響，研究結(jié)果認為使用垂直炮孔、傾斜炮孔及控制孔相結(jié)合的方案進行爆破，爆破成型效果好，巖石破碎程度高，邊坡振動較小。

（3）進行現(xiàn)場爆破試驗，并在邊坡上設(shè)置監(jiān)測點，監(jiān)測邊坡不同位置質(zhì)點振動情況?，F(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果一致，爆破后基坑成型效果好，邊坡無滾石滑落，穩(wěn)定性較好，為鄰近邊坡基坑開挖提供了新思路與新方法。