中圖分類號(hào)：U455.41文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.01.045

文章編號(hào)：1673-4874（2025）01-0153-03

0 引言

我國(guó)隧道建設(shè)正向地形和地質(zhì)條件復(fù)雜的西部山區(qū)轉(zhuǎn)移。此類地區(qū)地質(zhì)有著“高應(yīng)力、高水壓、復(fù)雜結(jié)構(gòu)、災(zāi)害頻發(fā)”等特點(diǎn)。隧道開(kāi)挖中“鉆爆”易導(dǎo)致富水巖體突水情況，其引發(fā)的大型地質(zhì)災(zāi)害占隧道工程大型安全事故的 。造成隧道突水突泥災(zāi)害的原因主要是地質(zhì)構(gòu)造差異。目前研究大致將地質(zhì)儲(chǔ)水結(jié)構(gòu)分為巖溶管道、地下河、其他含水構(gòu)造、含水體4種類型儲(chǔ)水構(gòu)造[2]。不良的地質(zhì)構(gòu)造在與地下隧道工程活動(dòng)的相互作用下，誘發(fā)隧道突水突泥災(zāi)害的發(fā)生。因此，設(shè)計(jì)富水巖體中鉆爆突水模型，研究富水巖體中鉆爆突水形成機(jī)理，認(rèn)識(shí)、預(yù)測(cè)突水發(fā)生的概率和危害程度，以及制定相應(yīng)的防范措施具有重要意義。

1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1. 1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

突水是指大量地下水突然集中涌入井巷的現(xiàn)象。目前模擬研究多采用靜態(tài)仿真模擬3，研究爆轟波在水中的傳導(dǎo)規(guī)律，對(duì)于水下物體傳導(dǎo)規(guī)律的研究較少，對(duì)于水下物體爆破后在水壓力的相互作用下物塊伴隨水運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究更少[4]。本研究設(shè)計(jì)和分析隧道鉆爆中富水巖體突水模型，采用建立物理模型方法，結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)，建立鉆爆突水模型，并對(duì)模型進(jìn)行分析和驗(yàn)證。通過(guò)研究，探討富水巖體中的鉆爆突水機(jī)理，分析突水的影響因素，提出相應(yīng)的預(yù)防和控制措施。

1.2 試驗(yàn)原理

圖1所示為隧道鉆爆中富水巖體突水模型。本次試驗(yàn)采用尺寸為 12c m×12c m×10cm的方形模型為隧道鉆爆的目標(biāo)爆破石塊。該模型由沙子和水泥按照 2：1 的比例混合制成的小型方塊（尺寸為 ）堆積而成，模型中安放了尺寸為 2c m×1 cm的藥包。將該模型放置在采用透明亞克力板組裝而成的水箱中（用于模擬隧道的剖面，可以從側(cè)面觀測(cè)發(fā)生突水情況后的水位變化和其運(yùn)動(dòng)軌跡）。隧道的支護(hù)采用木板代替，用熱熔膠加固，儲(chǔ)水結(jié)構(gòu)采用向斜儲(chǔ)水盆地構(gòu)造，側(cè)面巖面采用定制木板并用熱熔膠進(jìn)行焊接，保證其儲(chǔ)水性。采用電起爆的方式引爆炸藥，引爆后水壓力對(duì)隔水層的施壓，導(dǎo)致突水情況的發(fā)生，觀測(cè)其水位的下降速度和隧道中水泥的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，從而得出結(jié)論。

1.3 試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)旨在模擬實(shí)際情況，采用橫向布置炮孔的方式，炮孔的深度將根據(jù)最新的鉆爆炮孔布置安全要求來(lái)確定，由此確定三種不同炸藥量的試驗(yàn)方案，分別為0.1g、0.2g和0.3g炸藥量。起爆時(shí)采用高清攝影儀對(duì)試樣爆炸的過(guò)程進(jìn)行錄制，爆炸后對(duì)試樣的巖石裂縫和防水層在爆炸后產(chǎn)生的裂縫進(jìn)行拍攝，同時(shí)觀測(cè)隧道前端石塊是否承受住了爆炸帶來(lái)的影響，保證試樣右端即隧道前方不被炸穿的情況下，試樣內(nèi)部的排列情況，并在后期對(duì)水位變化和隧道內(nèi)水流的情況加以分析，從而得出結(jié)論。

試驗(yàn)預(yù)期效果：在起爆后，側(cè)面石塊呈噴發(fā)狀做拋擲運(yùn)動(dòng)，上層石塊產(chǎn)生裂縫，在一定高度時(shí)間周期下，上層巖塊在裂縫與水壓力的雙重作用力下發(fā)生破裂塌，隨后石塊與水耦合，并共同涌入隧道，形成波紋流動(dòng)狀。

2 實(shí)施效果分析

2.10.1g炸藥隧道鉆爆試驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析

起爆后 t=4 ms時(shí)隧道左側(cè)石塊在爆炸產(chǎn)生的爆轟波的影響下呈現(xiàn)喇叭狀噴射，做拋擲運(yùn)動(dòng)。上層石塊伴隨著水帶來(lái)的壓力噴發(fā)不明顯，無(wú)明顯變化。在 t= 8ms時(shí)刻由于模型在爆炸后隨著側(cè)面石塊的噴發(fā)，導(dǎo)致側(cè)面巖塊最小抵抗面降低、承受力下降，巖塊上方出水結(jié)構(gòu)中水直接壓垮巖塊，出現(xiàn)突水情況。在 t=120ms時(shí)刻部分松散塊體以懸移的形式被挾帶沖走，形成流固耦合的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，呈波紋狀流動(dòng)效果。爆炸結(jié)束后隧道試樣巖塊上截面破壞程度為 45% 左右。

0.1g的炸藥效果較為吻合實(shí)際情況，其爆炸產(chǎn)生的爆轟波作用于巖塊的裂縫中，但水壓力下最初巖塊并未出現(xiàn)塌陷的現(xiàn)象，隨著側(cè)面進(jìn)行爆破后爆轟波對(duì)巖塊裂紋的影響破壞了巖塊側(cè)面整體結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生了突水現(xiàn)象。爆炸對(duì)側(cè)面巖塊的沖擊效果并不明顯，主要原因在于：（1）在澆筑高強(qiáng)度石灰時(shí)，結(jié)構(gòu)過(guò)于牢固，導(dǎo)致藥量不足以炸開(kāi)其側(cè)面的裂紋；（2）爆炸后由于上截面開(kāi)口的緣故，水向下沖刷產(chǎn)生的壓力，不能很好地作用在側(cè)面巖塊上，以致于側(cè)面巖塊不能被沖刷至隧道中。由于水箱長(zhǎng)度導(dǎo)致觀察距離受限，上截面爆破口小導(dǎo)致流速小，流固耦合后流入隧道中的波紋其波峰之間的距離較長(zhǎng)，但波紋軌跡很好。隧道中碎石塊大多集中在隧道入口處，而隧道中部有少許碎石塊，試樣巖塊附近亦有少許碎石塊。爆炸后產(chǎn)生的碎石塊大部分伴隨著水流沖刷至隧道口，甚至是隧道外。

由理論分析可知，在隧道鉆爆中主要目的是利用爆炸產(chǎn)生的爆轟波對(duì)巖塊裂紋產(chǎn)生沖擊，擴(kuò)大裂紋使整體結(jié)構(gòu)變得松軟，從而在水壓力的作用下使其被壓垮，形成富水巖體突水突泥的情況。本次試驗(yàn)的炸藥量較吻合該情況，在爆炸時(shí)并未出現(xiàn)石塊過(guò)于明顯的上沖情況，更加符合裂紋作用力與水壓力的雙重作用下帶來(lái)的效果[6]。

2.2 0.2g炸藥隧道鉆爆試驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析

起爆后 t=4 ms時(shí)刻試樣巖塊在瞬間破碎，上層巖塊呈現(xiàn)明顯的噴射狀做向上的拋擲運(yùn)動(dòng)，側(cè)面塊體也呈噴射狀做拋擲運(yùn)動(dòng)。8ms后隨著時(shí)間的推移爆炸后隨著側(cè)面石塊的噴發(fā)，上層碎塊有著明顯的上沖效果，導(dǎo)致上截面的破壞程度顯著，水直接涌入隧道，發(fā)生突水情況。在 t=120 ms時(shí)刻伴隨著巖塊上方水壓力的作用，儲(chǔ)水結(jié)構(gòu)中的水直接壓垮巖塊，大量松散塊體都以懸移的形式被挾帶沖走，形成流固耦合的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，其流動(dòng)效果呈波紋狀流動(dòng)效果。爆炸結(jié)束后隧道試樣巖塊上截面破壞程度為68. 75% 左右。

0.2g的炸藥效果破壞程度在0.1g炸藥之上，可以觀察到其爆炸后對(duì)試樣巖塊整體造成了近 71.2% 的損壞，較0.1g炸藥爆炸效果更劇烈。在爆炸后，其水位降低速度比0.1g炸藥試驗(yàn)的較快。從耦合后隧道內(nèi)流動(dòng)的波紋圖可以觀察到，波紋曲度有著明顯的改善，其波長(zhǎng)較0.1g時(shí)有所下降。

觀測(cè)0.2g炸藥爆炸情況可以看出其效果與實(shí)際工程情況較為吻合，大致呈現(xiàn)一個(gè)傾斜45°的巖塊斜面，其內(nèi)部巖塊在爆轟波作用下呈現(xiàn)松散的狀態(tài)，較符合預(yù)期效果。隧道內(nèi)部分布仍然為隧道口的碎石塊居多，隧道中部幾乎沒(méi)有碎石塊。但本次試驗(yàn)靠近試樣巖塊的部分的碎石塊明顯增多，主要原因是：（1）由于隧道口的擴(kuò)大，對(duì)碎石塊的沖擊力度減少，從而導(dǎo)致后續(xù)水位的降低，部分碎石塊停滯在試樣巖塊附近；（2）爆炸造成試驗(yàn)巖塊成45°裂痕，其沖刷效果不明顯，以致后續(xù)碎石塊滯留在試驗(yàn)巖塊附近。

2.3 0.3g炸藥隧道鉆爆試驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析

0.3g炸藥起爆后 ，隧道鉆爆塊體拋擲情況較0.2g炸藥效果更明顯，上層巖塊呈現(xiàn)明顯的噴射狀，做向上的拋擲運(yùn)動(dòng)，側(cè)面塊體呈噴射狀，做拋擲運(yùn)動(dòng)。 t=8 ms時(shí)刻爆炸后隨著側(cè)面石塊的噴發(fā)上層碎塊上沖效果顯著，水面受到爆炸影響發(fā)生扭曲，隨后水伴隨著碎石塊涌入隧道發(fā)生突水情況。 t=120 ms時(shí)刻水位下降速度明顯加快，隨后松散塊體都以懸移的形式被挾帶涌入隧道，形成流固耦合的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，呈波紋狀流動(dòng)，效果較前兩次更明顯。爆炸結(jié)束后隧道試樣巖塊上截面破壞程度為 91.7% 左右。

0.3g炸藥爆破效果最為明顯：試樣巖塊側(cè)面石塊形成的斜面傾斜程度約為 ，巖塊分布也更加松散。爆炸過(guò)程中側(cè)面石塊的拋擲運(yùn)動(dòng)劇烈，上截面的破壞效果也尤為突出，達(dá)到了 91.7% ，符合試驗(yàn)預(yù)期效果，說(shuō)明爆炸后水壓力可以很好地沖破隔水層。隨著上截面的增大所帶來(lái)的影響有以下三點(diǎn)，其中（2）和（3）的影響效果達(dá)到了預(yù)期：

（1）水位的下降速度增快。

（2）隧道中的波紋曲度有著明顯的增大，波峰之間的間距減小。

（3）隧道中的碎石塊的分布仍是隧道口多，隧道中少，直至試樣巖塊附近，碎石塊的數(shù)量呈遞減狀態(tài)。

但爆炸過(guò)程中上層石塊并沒(méi)有達(dá)到預(yù)期中的效果，而是直接向上噴發(fā)且效果過(guò)于劇烈。

2.4總結(jié)與改進(jìn)

本次試驗(yàn)的三種不同炸藥量方案所帶來(lái)的爆炸效果均有不同，其中最好的是0.1g炸藥爆炸帶來(lái)的效果。從試驗(yàn)中可以觀察到，不同的爆炸帶來(lái)的破壞程度，對(duì)水位的下降速度有著明顯的影響。與此同時(shí)，對(duì)隧道內(nèi)水的流動(dòng)形態(tài)和碎石的分布破壞程度越顯著，從隧道口至試樣巖塊附近的碎石分布呈遞減情況越明顯，隧道內(nèi)水流動(dòng)的波紋曲度也越明顯。

隨著試驗(yàn)中采用炸藥量的不斷提升，爆炸效果也愈發(fā)顯著，但是試樣巖塊的上截面無(wú)法承受相應(yīng)的爆轟波作用。所以，本次改進(jìn)將在試樣巖塊的基礎(chǔ)上，在其上方加固防水層，采用高強(qiáng)度石灰作為防水底層，然后在其上端碼放 30% 左右的石塊，增強(qiáng)其強(qiáng)度，再用高強(qiáng)度石灰進(jìn)行防水處理，其他步驟與前文一致。

上層石塊在爆炸過(guò)程中只產(chǎn)生了裂縫，并沒(méi)有直接塌陷，后來(lái)隨著水的沖刷而塌陷，達(dá)到了試驗(yàn)預(yù)期。

3結(jié)語(yǔ)

本文研究了炸藥量的改變對(duì)爆轟強(qiáng)度的影響，主要得出以下結(jié)論：

（1）隨著炸藥量的增加，破壞程度和突水情況均加劇。0.1g炸藥的效果相對(duì)較弱，主要影響為裂縫內(nèi)部，而0.2g和0.3g炸藥明顯增加了巖塊的破壞程度和突水風(fēng)險(xiǎn)。波紋狀流動(dòng)效果隨炸藥量增加而變得更加顯著，表明隨著炸藥量的增加流固耦合效應(yīng)增強(qiáng)，存在發(fā)生嚴(yán)重地質(zhì)災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)。爆炸后的隧道試樣巖塊破壞程度從 45% 增加到 91.7% ，顯示炸藥量對(duì)爆破效果有顯著影響。

（2）隧道突水情況發(fā)生后，內(nèi)部碎石塊分布大致呈從隧道口向內(nèi)遞減狀，沖刷效果顯著。

（3）隧道內(nèi)水石混合物流動(dòng)形態(tài)呈波紋狀，該波紋狀的曲度與上截面的開(kāi)口和水位下降的速度有關(guān)，當(dāng)開(kāi)口越大水位流速越快時(shí)波紋越明顯，每段波峰之間的距離也越短。

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