光面爆破不耦合装药参数优化的试验研究

张 迅

(中铁隧道局集团有限公司，广州 511458)

当前，一般隧道工程施工方法主要有明挖法、盾构法以及钻爆法(矿山法)，特别是山岭隧道一般是采用钻爆法(掘进以爆破技术为主要施工方法)。由于爆破开挖是间歇循环作业，循环进尺是整个隧道工程效率的关键。而隧道爆破，因临空面少且受岩石的夹制作用，爆破较为困难，导致炸药单耗高、进尺小，产生爆破振动大等问题。针对这些难点，前人从没间断相关领域的研究工作。

针对降低爆破振动，文献[1-2]介绍了隧道掏槽方式的研究，提出降低爆破振动的技术措施。在提高隧道爆破进尺方面，文献[3-4]报道了不同的掏槽方式对隧道爆破进尺影响的研究成果。文献[5]介绍了在硬岩隧道中使用楔形深孔掏槽技术。李自强等[6]针对隧道不同爆破进尺下进行了最优经济效益评价，得到Ⅱ级围岩可采用3.5～4 m的爆破进尺。王振东[7]从炮孔深度、参数设计、合理施工等方面提出了提高炮孔利用率、保证单循环进尺的措施。文献[8]介绍了增加辅助掏槽孔，能提高爆破效果的方法。由于种种原因，施工中的超、欠挖现象不可避免，既对围岩造成了破坏，使隧道存在一定的安全隐患，又影响了工期和成本。本文结合爆破设计及实际施工情况，介绍了不耦合装药系数对施工影响的研究过程，为隧道爆破施工积累经验，为国内外同类工程提供借鉴。

1 工程概况

三岔顶隧道是江罗高速的控制性工程，全长3.2 km，其中Ⅱ级围岩占72.9%；III级围岩占18.5%，IV级和V级围岩占8.6%。围岩以全风化砂岩、花岗岩、微风化砂岩为主。超、欠挖较多，爆破参数优化前，隧道爆破效果不好，半孔残留率在55%左右(见图1)，掏槽孔的间距为50～70 cm，轴向装药不耦合系数为1.0～1.5，炸药较浪费。

图1 现场试验前爆破效果Fig.1 Blasting effect before the field test

2 试验方案优化

采用固、水、气三相不耦合爆破方案进行优化，通过调整水袋和炮泥位置、改变掏槽孔和辅助孔的装药形式、利用竹片装药等措施，不断进行爆破参数的调整、优化[9]。

炮孔装药结构(见图2)分为径向和轴向，施工中根据围岩情况进行调整，若是岩层较完整，则炸药在轴向上均匀布置；若是岩层较破碎，则在两个节理中间装药并在节理处放置水袋，起到保护节理的作用，炸药0.3 kg/节。优化前后装药结构如图3所示。

图2 装药结构Fig.2 Charge structuce

图3 优化前后装药结构Fig.3 Charge structure before and after optimization

工程现场常规爆破改变为固、水、气三相不耦合装药爆破，而固、水、气三相不耦合现场爆破在掏槽形式、炮孔深度、起爆顺序等方面与现场优化前装药参数相同，所不同的是固、水、气三相不耦合爆破周边炮孔中增加了水袋和竹片以及装药量和装药结构的不同，炮孔布置和断面炮孔分布分别如图4和图5所示，图中方框内为拱脚处，为保证拱脚开挖顺利，拱脚处装药量不变。

注：图中炮孔旁边数字代表装药节数，线上数字为起爆段位。图4 炮孔布置Fig.4 Blasthole arrangement

图5 断面炮孔分布Fig.5 Section of blasthole distribution

通过试验效果可得，固、水、气三相不耦合装药技术具有提高炸药利用率、控制超欠挖、降低施工后通风除尘成本、增强岩层稳定性等优点，调整装药方案后的半孔残留率高于90%，比以往的轴向空气不耦合装药技术和耦合装药效果更佳。优化后的光面爆破效果较好，超、欠挖得到了有效控制。

3 爆破计算模型及参数分析

在爆破参数优化的基础上，采用ANSYSLS-DYNA软件对掏槽孔和周边孔不耦合系数等数值进行模拟论证，分析其对爆破效果的影响，即采用固、水、气三相不耦合计算模型。

1)掏槽孔高效爆破优化试验。优化前装药形式为轴向装药，掏槽孔间距在50～70 cm，不耦合系数为1.0～1.5，根据固、水、气三相不耦合原理来建立计算模型，模型为不堵口工况，试验模型模拟时采用cm-g-s单位制，模型尺寸选400 cm×460 cm，炮孔深度3 m，炮孔直径4 cm。模拟方案均采用反向起爆形式。考虑实际爆破围岩是半无限性质的，因此数值模型的左、右边界和底边界均采用无反射边界条件，而顶部设定为自由临空面。实际爆破围岩是轴对称立体三维模型，这里为计算方便简化采用二维计算模型(见图6)。借鉴文献[9]的研究经验，爆破后的冲击波、爆生气体和爆生气体压力持续时间设置为300s。采用ANSYSLS-DYNA和LS-PrePost-4.0对模型分别进行了前处理和后处理。

图6 固、水、气三相轴向不耦合装药数值模拟模型Fig.6 The numerical simulation model of axial decoupling charge of solid-water-gas three phases

通过理论计算和数值仿真模拟，根据优化前、后的情况各自建立数值模型，分别对2种情况下的模型进行数值模拟运算，得出掏槽孔优化前、后的效果(见图7)，以及整理得到掏槽孔rc与轴向装药不耦合系数kl的关系(见图8)，rc为围岩破裂区半径值，kl为轴向不耦合系数。

图7 数值模拟结果Fig.7 Numerical simulation results

图8 掏槽孔rc与kl的关系Fig.8 Relationship between rc and kl

由图7～图8可以得出，掏槽孔原装药方案在轴向不耦合系数介于1.0～1.5之间时，爆破效果不佳，围岩较破碎，炸药的爆破能量并未得到充分发挥；当轴向不耦合系数介于1.5～2.33之间时，装药方案较优，爆破效果也较好。并且在现场条件允许的情况下，建议采用堵孔爆破施工。

2)周边孔控制爆破优化试验。周边孔关系到隧道超、欠挖的控制，周边孔爆破计算模型的选取同掏槽孔装药模型相同的数值模型，仅改变炮孔的装药形式，得到偏心不耦合装药下数值模拟结果(见图9)，以及整理得到围岩外侧破裂区半径rc随径向不耦合系数kr的变化规律(见图10)，rc为围岩破裂区半径值，kr为径向不耦合系数。

注：不耦合装药系数为2图9 偏心不耦合装药数值模拟Fig.9 Numerical simulation results of eccentric decouple charge

由图9可知，水不耦合介质装药情况下，围岩外侧破裂区半径明显比空气不耦合介质大，水不耦合介质相比空气不耦合介质具有爆破增效的效果；但对于周边孔控制超、欠挖目的，水不耦合介质装药是不利的，因此现场装药应该避免采用。

9组方案试验结果如图10所示，在装药结构、围岩级别相同时，数值分析每一组方案都显示随着径向不耦合系数的增大，围岩外侧破裂区半径是不断减小的；并且模拟结果表明，当偏心不耦合系数≥2时，围岩外侧破裂区半径值稳定在炮孔半径内，即围岩外侧没有超挖，半孔残留率得到保障。由此可以得到：在保证不出现爆破挂帘现象或欠挖情况下，现场施工周边孔装药应尽量采用径向不耦合系数≥2的装药结构。

图10 围岩外侧rc与 kr 的关系Fig.10 Relationship between rc and kr of outside rock

由图9～图10可知，隧道周边孔在偏心不耦合装药的情况下，围岩的超、欠挖得到有效控制。只有保证周边孔的偏心不耦合系数不小于2，才能很好地控制隧道爆破施工中的超、欠挖问题，也才能保证较高的隧道半孔残留率。因此装药方案优化后，周边孔偏心不耦合系数为2，即药卷直径等于隧道周边孔的半径时，爆破效果较好，超、欠挖现象得到有效控制，隧道半孔残留率从优化前的50%～60%提高了优化后的90%以上，施工时还应注意现场的可操作性和周边孔不出现欠挖及爆破挂帘等现象。

4 结语

1)通过大量优化试验后得出，三相不耦合装药比两相不耦合装药更合理，爆破效果更优。

2)隧道周边孔在偏心不耦合装药的情况下，偏心不耦合介质优选采用空气。

3)本工程的爆破参数轴向不耦合系数在1.5～2.33之间较为合理，周边孔采用空气介质、偏心不耦合系数为2的装药方案，经方案优化后，工程隧道每爆破开挖1 m节省爆破施工费约980元。