聚能水压光面爆破在隧道中的应用

　　第 1 章 绪论

 

　　1.1 选题背景

 

　　公路隧道的修建在改善公路线型、缩短汽车行驶距离、提高运输能力、减少交通事故等方面起到重要的作用[1]。近年来公路隧道的数量、长度、断面面积和隧道群不断增加，隧道的修建规模不断扩大。截至 2017 年底，中国有公路隧道 16229 座，共计长度 15285km，其中 2016 年和 2017 年两年增加隧道 2223座，合计 2610km[2]。其中有特长隧道 902 座，长隧道 3841 座，截至目前中国最长公路隧道全长已达 18.02km。

 

　　在钻爆法掘进过程中，由于围岩地质情况、节理裂隙分布情况、打眼方式和精度等因素的影响，使得实际开挖的轮廓线与设计轮廓线不能完全重合，其中超出设计开挖轮廓线的部位称作“超挖”，达不到设计开挖轮廓线的部位称作“欠挖”[3]。岩石隧道的掘进过程中，超欠挖现象普遍存在，超挖会引起出渣量增加，从而导致出渣时间延长，增加喷射混凝土的用量，严重影响了初期支护、防水板的布设、二衬的浇筑等后续作业，耽误工期；欠挖会影响到后期钢拱架的架设，需要清除，增加了工人的作业时间以及材料用量，小的欠挖往往需要用风镐等工具去除，大面积的欠挖则需要进行二次爆破极易造成更大的超挖。超欠挖严重增加了施工支出，比如当今比较流行的三车道公路隧道，隧道轮廓线长度大概为35m，如果每循环掘进过程中平均超挖量为 15cm，每立方米湿喷混凝土按最低价 300 元计算，隧道每向前掘进 1m 时湿喷混凝土将多花费 1500 元以上。严重的超欠挖甚至会导致围岩不能自稳，容易引起隧道塌方事故。隧道超欠挖严重影响了施工企业的综合效益，尽管各类专家对此都及其重视，增加了很多科研投入来控制隧道的超欠挖，但是效果甚微，并没有起到很好的控制作用。

 

　　由于超欠挖的问题不仅增加人工时、材料填补，还会对围岩的稳定性产生一定的影响[4]，为了减少隧道开挖过程中的超欠挖，光面爆破技术在岩石隧道的掘进过程中得到了较为普遍的运用[5]，相比一般控制爆破而言，光面爆破除了能有效崩落和破碎岩石之外，在周边眼采用小孔距少装药的手段，还能对轮廓线以外的岩体起到很好的保护作用，降低开挖面的超欠挖，从而达到隧道开挖轮廓线光滑平整、围岩稳定的目的[6]。随着对爆破效果要求的提高，单纯的采用传统光面爆破法已不能满足超欠挖控制的要求[7]，过多的超欠挖严重增加了施工的人力以及物力[8]。为了进一步提高光面爆破的效果，各种聚能爆破技术应运而生[9]，与普通光面爆破相比，聚能爆破更能够在周边眼轮廓线上首先生成裂缝，有利于定向破碎岩石[10-11]。而在炮孔中添加水袋，更有利于破碎岩石以及降低爆破后粉尘对环境的污染[12]。

 

　　1.2 研究意义

 

　　随着对爆破效果要求的提高，传统光面爆破法已不能满足需要。隧道的超欠挖增加了施工后期混凝土回填量和出渣量，降低了围岩的稳定性，严重增加了工程投资。

 

　　聚能水压光面爆破技术作为一项新技术，可以进一步提高隧道开挖过程中的光面爆破效果，通过采用数值模拟软件研究聚能管切缝宽度、壁厚以及聚能管与炸药耦合对岩石应力场的影响，为聚能管参数的设计提供指导；通过与传统光面爆破法在同一围岩条件的情况下，开展聚能水压光面爆破现场试验，并且进行隧道超欠挖等数据的采集、对比，对提高光面爆破效果、减少围岩破坏、节省工程造价及提升作业环境均有重要的工程意义[13-14]。

 

　　通过采用数值模拟软件建立双孔有、无聚能管爆破几何模型，对相邻炮孔间应力波的叠加以及炮孔周围应力波的传播方式进行分析，为聚能爆破的机理提供理论指导。

 

　　1.3 国内外研究现状

 

　　1.3.1 聚能爆破研究现状

 

　　在 1856 年由 C.E.Munrfe 首先发现了聚能现象，但真正被系统研究和重视却开始于第一次、第二次世界大战期间[15-16]。聚能爆破技术最根本的是利用爆炸产物的运动方向与装药表面垂直或者大致垂直的规律性，提高炸药在特定方向上的能量密度[17]，控制炮孔在一定方向产生应力集中，使其能够在应力波和爆轰气体压力的共同作用下在预定方向形成一定长度和宽度的裂缝[18]。因此，如何最大限度的发挥炸药的聚能效应，以及如何使得聚能爆破在工程实际中得到更好的应用，成为了广大研究者的挑战。

 

　　刘晓伟等[19]利用线性聚能药型罩结合水压爆破技术进行了光面爆破研究，此技术能进一步减少对隧道围岩的破坏，提高炸药能量利用率，降低工程投资；江杰才等[20]进一步优化了 ABS 聚能管，通过控制爆炸后应力波的传播方向，达到了聚能爆破目的，使得巷道成型光滑平整，降低了巷道施工的工程投入；秦健飞[21]通过研究控制药卷的形状，确保了爆炸能量的传播方向，使得药卷起爆后聚能射流运动方向更为集中，将聚能爆破和光面爆破的原理做到了很好的结合，实现了聚能光面爆破技术的大范围运用；刘第海，文德钧等[22]通过分析及试验提出刻槽聚能预裂爆破技术和聚能药包预裂爆破技术，实现了“精雕细刻”开挖爆破技术；朱飞昊，刘泽功等[23]根据聚能爆破的空穴效应和能量转移原理，建立聚能爆破的岩石断裂力学模型，对比分析了常规爆破和聚能爆破岩石中裂缝的发展规律以及爆炸后的应力峰值，验证了聚能爆破的能量集中作用。同时进行了聚能爆破的现场试验，有效地减少了巷道的超欠挖；郭德勇，赵杰超等[24]通过理论分析与数值模拟相结合，研究发现，聚能爆破过程中爆生主裂隙的定向扩展和孔壁周围环向裂隙的形成由压缩应力波主导，控制孔提供的位移补偿空间及孔壁的曲面特性增强了孔壁及周围煤质点的切向拉伸应力，从而促进了孔壁周围径向裂隙的发育与扩展；薛宪彬[25]通过聚能爆破理论和数值模拟技术，设计出了一种带有对称双线型聚能槽的新型装药结构，能够使得普通炸药的能量聚集，提高了爆炸产物的速度和爆轰压力。并在煤矿巷道的掘进中现场采用，提高了轮廓面的平整度；周亚洲，勾东东等[26]基于数值模拟软件 ANSYS/LS-DYNA 建立了常规爆破和聚能爆破的几何模型对爆破过程进行了模拟并对两者进行对比分析，对比分析了常规爆破和聚能爆破的破岩效果，研究了炸药起爆后应力波的传播规律，分析了聚能爆破对岩石的破碎机理。研究表明，在对能量的聚集作用上，聚能爆破相对常规爆破能够提高 75%以上。在对岩石的切割能力上，聚能爆破相对常规爆破能够提高 85%，同时提高了炸药爆破速度，保证了围岩的稳定；康勇、郑丹丹等[27]

 

　　提出了采用高压水射流对炮孔壁进行切槽从而产生聚能效应的新方法，并应用数值模拟软件 ANSYS/LS-DYNA 采用建立几何模型，计算后发现其聚能效果与理论上基本一致：炸药起爆后围岩应力在切槽方向上明显大于其他方向，裂缝在切槽方向上发育最长。

 

　　W. L.Fourney 等人[28]在 1978 年，提出了通过使用带有切缝的管状药卷，来使得药卷爆炸后在设定方向裂纹，其实质是利用管状药包的切缝来控制爆轰产物的运动方向，从而达到控制围岩按预定方向开裂的目的；Pugh、Eichelberger 和Rostoker 等人[29-30]提出了聚能爆破非稳态射流理论，即 PER 理论[31]该理论通过实际实验得到了有力的验证，成为非稳态射流理论分析模型的基础[32]，但是该理论的研究对象是锥形或者楔形罩，在对于其他聚能射流理论的研究上具有很大的局限性[33]。

 

　　其中根据聚能爆破获取裂缝的方式，可将岩石聚能爆破方法分成两大类：

 

　　(1)对炮孔外壁施加不均匀的爆炸应力，使孔壁在设定要形成裂纹的方向优先生成裂纹。

 

　　如最早由日本桥本氏研究的 ABS 爆破法（图 1-1a），其原理是利用凹形反射板（或体），采用微量炸药使爆炸冲击能量产生水压冲击聚能效应，在孔壁产生定向裂缝[34]；药包衬套切槽法（图 1-1b），在炸药与炮孔间填入合适的药包衬套，在村套内部一定方向有楔形切缝，利用衬套的缓冲作用在切缝中形成集中荷载以形成定向裂缝[35]；异形聚能药包法（图 1-1c），通过改变药卷形状使炸药本身形成一定方向的聚能槽，使得爆炸产物在聚能槽的轴线方向汇集形成聚能线荷载作用于孔壁，导致孔壁在预定方向起裂[36]；套管切缝聚能爆破法（图 1-1d），在炸药爆炸时，由于装药外壳有切缝，药卷在指定方向产生一定宽度 b 的爆轰产物聚能流，使得设定方向上产生拉应力集中，岩体沿指定方向优先产生裂纹。而在非设定方向上，产生均匀压力，减少了围岩中裂纹的生成，降低了爆炸应力波对围岩的损伤。当几个采用聚能装药的炮孔在同一时间起爆时，若孔间距适当，相邻炮孔之间将被贯通，形成平整的岩石轮廓面[37]；套管聚能孔拉伸爆破法（图1-2），其原理同套管切缝定向爆破法一致，只是将套管上的切缝以聚能孔的方式来代替[38]。

 

　
　图 1-1 岩石定向控制爆破示意图

 

　　1. 药卷 2.套管 3.水 4.反射体 5.衬套 6.衬套切槽 7.药卷切口 8.套管 9.切缝

 

图 2-1 ANSYS/LS-DYNA 分析流程图

表 2-4 聚能管参数表

　　
第 5 章 结论和展望

 

　　5.1 结论

 

　　本文以杭州市某隧道为工程背景，采用理论分析、数值模拟、现场试验与现场检测相结合的研究手段对大断面聚能水压光面爆破的机理与效果进行了深入的研究，主要研究成果有：

 

　　（1）基于 ANSYS /LS-DYNA 建立单孔爆破几何模型，当炮孔直径为 4.8cm，药卷直径为 3.2cm，PVC 管密度为 1.43g/cm3 时，当聚能管切缝宽度为 4mm 时，切缝口处炮孔壁应力最大，说明最优切缝宽度为 4mm；当聚能管壁厚为 3mm 时，切缝口处炮孔壁应力最大，说明最优壁厚为 3mm；当聚能管与炸药耦合破岩效率高于聚能管与炸药不耦合。

 

　　（2）基于双孔无聚能管数值模拟以及双孔有聚能管（其中聚能管外径为4cm，壁厚为 2mm）数值模拟，当炮孔直径为 4.8cm，药卷直径为 3.2cm，PVC管密度为 1.43g/cm3 时，没有聚能管的药卷起爆后应力波以同心圆的形式均匀向外传播；而套有聚能管的药卷起爆后优先从切缝处产生聚能射流到达炮孔表面，产生应力集中，为生成初始裂缝提供了先期必备条件。

 

　　（3）隧道周边眼相邻炮孔同时起爆时，聚能爆破增强了炮孔连线处应力场的叠加作用，约为无聚能管爆破时的 1.4 倍，有利于炮孔间贯通裂缝的形成。

 

　　（4）通过聚能水压光面爆破的现场试验研究，聚能水压光面爆破时最大超挖量较前期传统爆破超挖量减少 25%；聚能水压光面爆破的平均超挖面积较前期传统爆破减少 46.8%，聚能水压光面爆破较传统光面爆破掘进过程中每延米减少湿喷混凝土用量 3.2m3。

 

　　（5）由于水袋中水“水楔”效应和“水雾化”作用，爆破后空气中的粉尘含量大大降低，空气质量提高，保障了施工人员的身体健康，爆破后通风时间由原先的 40min 减少到 30min，减少了碎渣的大块率，便于出渣时的装运，减少了工时消耗，劳动率明显提高。

 

　　（6）采用水压聚能光面爆破后，单循环周边眼数量减少 10%，雷管消耗减少 10%，炸药消耗减少 27%，聚能水压光面爆破较传统光面爆破每延米合计节省 1589 元，取得了良好的经济效益。

 

　　5.2 展望

 

　　目前国内光面爆破控制技术应用前景良好，在隧道掘进工程中，优势突出，尤其是聚能爆破的应用，将推动未来的光面爆破技术向低超欠挖、高精度控制的方向发展。虽然本文以理论分析与数值模拟相结合研究了聚能水压光面爆破新技术，并取得了具有实用价值的研究成果。但由于时间紧迫以及地下工程地质状况和隧道岩体实际受力的复杂性，作者的学术研究水平有限，在研究方法和基本理论上仍存在许多尚待完善的地方，本人认为存在以下几点需作进一步的研究：

 

　　（1）本文数值模拟是建立在假定周边眼周围岩体没有裂纹的基础上，分析结果的可靠性取决于介质的假定和物理参数的选取，隧道围岩本身的复杂性无法定量描述，不可能如实反映岩体实际的力学状态。

 

　　（2）本文仅研究了隧道周边眼的聚能水压爆破，没有对隧道掏槽眼、辅助眼以及底眼进行聚能水压爆破或单纯添加水袋的水压爆破进行研究，没有进一步减少炸药量以及其他炮孔装药结构的优化。