聚能预裂爆破技术在林家岙隧道中的应用

吴 波，王汪洋，徐世祥，杨建新，庞晓瑜，袁茂峰

(1.广西大学土木建筑工程学院, 南宁 530004；2.中铁十局集团第五工程有限公司，江苏 苏州 215011)

随着国家基建事业的大力发展，新建隧道面临越来越多的邻近既有隧道爆破开挖问题，为保证既有隧道结构安全，提出了严格的爆破振动控制要求，而常规爆破方法往往难以达到要求。预裂爆破技术可在主爆区和保留岩体之间先形成预裂缝，用以阻隔应力波传播，改善普通爆破成型质量差，解决爆破振动控制要求高等问题[1]。预裂爆破中常用到的聚能装置为双向聚能管，该种聚能管在一些矿区爆破中已得到了推广应用，何满朝等[2-5]就是在双向聚能装药条件下对预裂爆破参数进行了相应的研究。近年来由于D型聚能管自身的结构优势，改变了上一代管需要扣挂的工序，装药效率高，在边坡和隧道工程以及煤矿光面爆破中得到了广泛应用，取得了较好的经济效益[6-10]。聚能控制爆破技术虽在工程中得到了应用，但相关爆破参数在隧道工程预裂爆破的应用还较少，缺乏现场研究[11]。因此，在使用该类聚能管条件下进行隧道预裂爆破，掌握聚能预裂爆破参数对于解决工程实际问题具有十分重要的研究意义。

笔者以邻近既有杭深铁路的林家岙隧道工程为例，对聚能预裂爆破展开工程应用分析，验证聚能预裂控制爆破的可行性和优越性。

1 工程概况

林家岙隧道位于台州南货运线上，为客货共线电气化铁路隧道，设计时速120 km/h。林家岙隧道起讫里程为LDgK3+721～LDgK8+654，全长4 933 m，本隧道与既有黄毛山隧道并行，间距35～300 m(见图1)。其中隧道进口和出口与既有隧道的间距为35、36.5 m。

图1 林家岙隧道与既有隧道位置关系Fig.1 Location of Linjiaao tunnel and existing tunnel

林家岙隧道隧址区地层岩性主要为：第四系全新统残坡积(Q4el+dl)粉质黏土；下伏基岩为侏罗系上统(J3c)凝灰岩；区域构造以裂变性为主，褶皱构造不发育，包含多条断裂带，岩体节理裂隙发育，且多为闭合性质，岩石较破碎。

隧道IV、V级围岩爆破部位距离正在运营的杭深铁路隧道最小线间距分别为36.5、42 m，Ⅱ、Ⅲ级围岩爆破部位最小线间距为55 m，较大爆破振动会对邻近既有杭深铁路隧道安全造成严重影响。

2 爆破方案

2.1 常规爆破施工方案

选取出口段为研究对象，其围岩性质为V级。炮孔直径42 mm，循环进尺0.8 m，设计周边孔和辅助孔长度0.8 m，掏槽孔长度1.0 m。周边孔孔距0.5 m，光爆层厚度0.6 m；辅助孔孔距0.9 m，排距0.8 m；底孔孔距0.9 m，排距0.7 m。掏槽孔位于实际施工1/2断面中上位置，掏槽孔单段药量为3.2 kg，上、下台阶最大单段药量分别为6.0、6.5 kg，总装药量为51.26 kg，横截面积69.72 m2，总炮孔数140个，循环挖方量55.77 m3，炸药单耗0.92 kg/m3。

2.2 预裂爆破施工方案

1)爆破参数。为减小新建隧道爆破施工对邻近运营隧道的影响，采用了聚能预裂分次爆破设计方案(见图2)。第1次爆破为聚能预裂成缝爆破，在邻近既有隧道一侧与既有隧道高度平行范围设置6个预裂炮孔；第2次将原有的四孔掏槽更改为三级掏槽(见图3)；第3次爆破利用第2次形成的较大自由面，进行分段爆破。

注：图中数字表示雷管起爆段别。图2 聚能预裂爆破炮孔布置Fig.2 Blasthole layout of cumulative pre-split blasting

图3 三级掏槽炮孔Fig.3 Cut hole of three-stage

本方案炮孔直径仍采用42 mm炮孔，循环进尺2.4 m，为原有进尺的3倍。总计药量65.6 kg，略大于常规爆破方案总药量。三级掏槽中，三次掏槽孔与掌子面夹角分别为47°、60°和75°(见图3)，三次掏槽炮孔间距分别为30、50 cm，二级和三级掏槽孔略大于循环进尺，其深度分别为3、2.7 m，各炮孔装药参数如表1所示。

2)装药结构。现场试验所采用的第二代D型PVC聚能管(见图4)，标准长度有2、3 m等。聚能预裂爆破所需的其他材料有孔底聚能环、定位圈、水沙袋、注药枪和空压机。

图4 聚能管填装结构Fig.4 Shaped charge tube filling structure

3 数值模型分析

3.1 材料参数

1)炸药参数。炸药本构模型选用LS-DYNA第8号本构模型*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN，结合JWL状态方程。计算采用2#岩石炸药，材料参数如表2所示。

表2 2#岩石乳化炸药材料参数Table 2 2# rock emulsion explosive material parameters

2)岩石参数。岩石本构模型选用了*MAT_PLASTIC_KINEMATIC作为岩石的本构模型，其材料参数如表3所示。

表3 岩石材料参数Table 3 Material parameters of rock

3)混凝土参数。混凝土本构模型选用高应变率、大变形的JHC模型，其材料参数如表4所示。

表4 混凝土材料参数Table 4 Material parameters of concrete

3.2 模型建立

由于聚能预裂爆破方案中第1次爆破采用的是聚能水压预裂爆破，直接模拟较复杂,计算量也较大，因此采用预裂缝模拟该处形成的减振效应。根据现场试验结果选用的预裂缝宽度为5 cm(见图5)。新建隧道距既有隧道净距为36.5 m，模型长度为48 m，左右高度分别为24、19 m，模型处上方设置自由边界，其他边界设置为无反射边界。为对比分析预裂缝对既有隧道的影响，建立了无预裂缝模型，几何尺寸等参数与预裂模型相同。

图5 聚能预裂隧道爆破模型Fig.5 Shaped charge pre-split tunnel blasting model

由于在数值模拟中模拟所有炮孔起爆会造成单元过多而无法计算，故将各段药量根据体积关系等效换算为等效药柱(见表5)，其中为减小计算量，各段炸药延时参数较实际延时参数缩小了10倍。

表5 药柱等效换算Table 5 Charge column equivalent conversion

3.3 既有隧道力学响应分析

为分析右线新建隧道对既有隧道的影响，重点了解爆破作用下既有隧道衬砌应力和振速变化规律，在右侧拱腰、拱顶、左侧拱腰和仰拱上分别选取A、B、C、D等4个测点。

1)无裂缝模型力学响应分析。无裂缝模型既有隧道衬砌测点A应力时程如图6所示。由于炸药在两个不同位置延时起爆，应力波分两次到达各测点。A测点应力值最先达到最大值-0.45 MPa，但随着应力波的传播，应力幅值不断衰减。B、C、D测点应力变化规律与A测点类似，应力最大值分别为1.49、0.36、1.16 MPa。

图6 无裂缝模型隧道衬砌测点A应力时程Fig.6 The stress time history of measuring point A at no-fracture model tunnel lining

无裂缝模型既有隧道衬砌测点A振速时程如图7所示。第一阶段振速均小于第二阶段振速，最大振速值为2.53 cm/s。B、C、D测点振速变化规律与A测点类似，振速最大值分别为2.59、0.91、1.25 cm/s。

图7 无裂缝模型隧道衬砌测点A振速时程Fig.7 The vibration velocity time history of measuringpoint A at no-fracture model tunnel lining

2)聚能预裂模型力学响应分析。应力在预裂缝处发生了绕射，在裂缝附近形成了较大的拉应力分布区域，且掌子面内侧应力值较外侧偏大。

聚能预裂模型既有隧道衬砌测点A应力时程如图8所示，与无预裂缝模型相比，第一阶段应力波幅值较小，A测点最大压应力0.17 MPa，最大拉应力0.2 MPa。B、C、D测点应力变化规律与A测点类似，应力最大值分别为0.69、0.16、0.53 MPa。

图8 聚能预裂模型隧道衬砌测点A应力时程Fig.8 The stress time history of measuring point A at tunnel lining by shaped charge pre-split model

聚能预裂模型既有隧道衬砌测点A振速时程如图9所示，与无预裂缝模型相比，第一阶段振速远小于第二阶段振速，A测点最大振速值为1.32 cm/s。除C测点第一阶段振速几乎减弱为0，B、C、D测点振速变化规律与A测点类似，振速最大值分别为1.10、0.5、0.56 cm/s。

图9 聚能预裂模型隧道衬砌测点A振速时程Fig.9 The vibration velocity time history of measuring point A at tunnel lining by shaped charge pre-split model

3)对比分析。聚能预裂模型各测点较无裂缝模型应力值较小(见图10)，各测点应力值下降幅度分别为61.36%、53.79%、57.27%、54.11%；聚能预裂模型各测点振速值较无裂缝模型也较小(见图11)，说明测点振速得到了较好的控制，各测点振速值下降幅度分别为47.77%、57.45%、45.08%、55.27%。通过聚能预裂方式，在将开挖进尺提高3倍时，振速值较常规爆破方案得到了有效控制。

图10 测点应力对比Fig.10 Stress contrast of measuring point

图11 测点振速对比Fig.11 Vibration velocity contrast of measuring point

4 爆破振动监测

参考《铁路工程爆破振动安全技术规范》[12]，双线隧道低频爆破振动允许值为7～8 cm/s。因邻近既有杭深铁路黄毛山隧道、金寺堂特大桥安全的重要性，且铁路已运营数年，从结构安全考虑，要求距离既有杭深铁路小于50 m的爆破地段，必须在杭深铁路天窗点内时段起爆，严格将既有铁路隧道受到的爆破振动控制在3 cm/s以内；爆破净距超过50 m的爆破(LDgK6+187.5～LDgK8+565)，可在天窗时间段试爆，结合爆破振动监测结果并确实能将爆破振动控制在1 cm/s以内。建议在天窗点外时段线路无列车通行时起爆，爆破不受铁路天窗时间限制。

4.1 测点布置

为了真实反映爆破对既有隧道的影响程度，每次爆破都要监测邻近既有隧道迎爆侧面的振速。测点安装在迎爆侧面的拱腰上，距地高度约1 m，在拱腰上钻孔植入膨胀螺栓，然后再用压板将传感器地板与膨胀螺栓紧固相连，把传感器固定在拱腰上。

4.2 数据分析

1)常规爆破的振速。根据林家岙隧道0.8 m进尺开挖上台阶某次爆破振速监测显示，x方向(隧道轴向)和z方向(竖直方向)振速较小，峰值分别为0.6、0.7 cm/s，y方向(垂直轴向)振速最大，130 ms时刻，达到最大值1.8 cm/s(见图12)。

图12 常规上台阶爆破振速Fig.12 Vibration velocity of conventional top bench blasting

2)聚能预裂爆破的振速。第1次聚能预裂爆破成缝过程中，x(隧道轴向)、y(垂直轴向)和z方向(竖直方向)振速峰值分别为0.58、1.23 cm/s(见图13)和0.73 cm/s，满足振速控制要求；第2次爆破x、y和z方向振速峰值分别为1.38、1.53 cm/s(见图14)和1.23 cm/s，在提高了挖进尺的同时，振速并未超过常规爆破，也满足振速控制要求；第3次爆破x、y和z方向振速峰值分别为0.99、1.22 cm/s(见图15)和0.92 cm/s，该值满足控制要求。聚能预裂理论模型迎爆侧面拱腰处振速值为1.32 cm/s，实测值较理论值偏差最大13%，对实际工程具有较好的指导意义。

图13 聚能预裂爆破第1次振速Fig.13 The first vibration velocity of shaped charge pre-split blasting

图14 聚能预裂爆破第2次振速Fig.14 The second vibration velocity of shaped charge pre-split blasting

图15 聚能预裂爆破第3次振速Fig.15 The third vibration velocity of shaped charge pre-split blasting

5 结语

1)聚能预裂爆破方案相比常规爆破方案，通过3次爆破，实现了全断面开挖，可有效提高开挖进尺和降低振速，大大提高施工效率，减少环境影响，为邻近既有隧道工程爆破提供了借鉴和参考。

2)数值模拟分析得出既有隧道拱顶和仰拱部位受力最大，拱腰和拱顶振速最大，以及预裂缝可使衬砌各测点应力降低50%以上，振速降低45%以上。

3)根据对常规爆破方案和聚能预裂方案以及爆破振动监测结果，得出聚能预裂方案在将开挖进尺提高至2.4 m的情况下，振速仍能控制在原有方案1.8 cm/s以下，说明聚能预裂方案具有良好的应用效果，且拱腰处最大振速与数值模型偏差仅13%，说明预裂缝等效分析方法对实际工程具有较好的指导意义。