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摘要：為研究隧道施工過(guò)程中巖石爆破的特性，探討符合實(shí)際工程的爆破間距，依托珠海某隧道，建立炮孔間距分別為20cm、30cm、40cm、50cm的雙孔模型，對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行分析、研究，最終得到各工況下巖石破碎程度和各質(zhì)點(diǎn)振速。相互對(duì)比分析得出：在同等藥量下，炮孔間距為20cm時(shí)的爆破成型效果最好，相比其他工況，其成型尺寸增加到了12cm；各質(zhì)點(diǎn)距離炮孔都為10cm時(shí)，炮孔間距為50cm時(shí)的衰減速度比較緩慢，其他工況則比較迅速。而各質(zhì)點(diǎn)距離炮孔大于20cm時(shí)，速度傳播趨于平穩(wěn)。在實(shí)際施工過(guò)程中應(yīng)根據(jù)隧道爆破實(shí)際效果，因地制宜，動(dòng)態(tài)調(diào)整炮孔間距。

關(guān)鍵詞：巖石爆破；爆破特性；炮孔間距；振動(dòng)傳播

爆破作為修建隧道最主要的方法之一，爆破工程應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣，已滲入到各個(gè)領(lǐng)域。同時(shí)，工程爆破的規(guī)模和爆破帶來(lái)的振動(dòng)會(huì)產(chǎn)生不利的影響，爆破工程給我們帶來(lái)好處的同時(shí)，爆破振動(dòng)的問(wèn)題也慢慢顯現(xiàn)了出來(lái)，是爆破工程中最嚴(yán)重的一個(gè)問(wèn)題，在爆破進(jìn)行時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)已經(jīng)成為越來(lái)越受關(guān)注的問(wèn)題之一［1-6］。因此，國(guó)內(nèi)外有許多學(xué)者對(duì)于隧道爆破做了大量研究。許德鵬等人［7］運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，模擬分析了爆破施工對(duì)鄰近隧道的影響，得出洞口開(kāi)挖的進(jìn)尺大小對(duì)已有隧道的影響較大的結(jié)論；李飛等人［8］運(yùn)用FLAC3D軟件模擬裝藥量對(duì)于鄰近隧道的影響，得出相鄰隧道的爆破振速與炸藥量、距離爆源的距離有關(guān)；鄭大榕［9］研究需要在城市中開(kāi)展隧道爆破時(shí)，炮孔的布置和起爆點(diǎn)的順序改變、以及適當(dāng)減少裝藥量、在開(kāi)挖進(jìn)尺方面也適當(dāng)減少，可以很好地控制爆破振動(dòng)；余德運(yùn)等人［10］使用ANSYS/LS-DYNA數(shù)值軟件模擬得出爆破地震波中的體波傳播的減弱和阻尼槽的寬度以及深度有著密不可分的關(guān)系；同時(shí)，表面波的傳播的減弱只與阻尼槽的深度有關(guān)；高干等人［11］通過(guò)使用ANSYS/LS-DYNA數(shù)值模擬軟件，給出了在重慶市渝中區(qū)修建的玉嶺隧道中，實(shí)際的爆破藥量與理論計(jì)算出來(lái)的藥量不一致的原因。本文依托珠海市某隧道，建立不同炮孔間距的雙孔模型，最終得到各工況下巖石破碎程度和各質(zhì)點(diǎn)振速；并對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行分析、研究，為隧道實(shí)際爆破提供技術(shù)指導(dǎo)。

1工程概況及模擬工況

本隧道項(xiàng)目位于珠海市橫琴新區(qū)，具體為：一期工程道路主線(xiàn)，路線(xiàn)北于香江路與中心大道交叉口，沿中心大道向南，下穿已建橫琴大道路基段，如圖1所示。起點(diǎn)香江路至橫琴大道（YK0+000-YK0+910）段為遠(yuǎn)期工程，待南部填海區(qū)建成后交通需求增多后進(jìn)不同炮孔間距下隧道爆破特性與工程研究魏學(xué)虎（中鐵十六局集團(tuán)路橋工程有限公司北京101500）摘要：為研究隧道施工過(guò)程中巖石爆破的特性，探討符合實(shí)際工程的爆破間距，依托珠海某隧道，建立炮孔間距分別為20cm、行修建，不在本次設(shè)計(jì)范圍。橫琴大道至環(huán)島南路（YK0+910-YK5+810）段，及進(jìn)出口A、B匝道為近期實(shí)施范圍，主要為聯(lián)通大橫琴山南北交通需求。該隧道大跨段里程為左ZK1+155~ZK1+370（長(zhǎng)L=215m）、右YK1+166~YK1+430（長(zhǎng)L=264m），其中SD1襯砌斷面適用里程為ZK1+155~ZK1+203、YK1+166~YK1+222，其最大開(kāi)挖高度16.32m，最大開(kāi)挖跨度達(dá)28.23m，斷面面積大于360m2，主要巖體為花崗巖，圍巖級(jí)別為Ⅲ級(jí)圍巖。為了研究方便，采用雙孔爆破數(shù)值模擬的方式，研究不同間距對(duì)爆破成型效果的影響，即炮孔直徑和藥卷直徑d都為32mm，采用徑向耦合裝藥，線(xiàn)裝藥密度為0.6kg/m。模型尺寸為100cm×100cm，同時(shí)為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間，模型采用“薄片型”，厚度為5cm。計(jì)算模型采用映射方式劃分網(wǎng)格，整體網(wǎng)格尺寸控制為1cm，四周添加無(wú)反射邊界，上下施加Y方向約束，左右施加X(jué)方向約束，前后施加Z方向約束。計(jì)算時(shí)間控制在1500μs，模型如圖2所示。本文數(shù)值模型采用SOLID164“八節(jié)點(diǎn)六面體”實(shí)體單元，模擬時(shí)采用爆破模擬通用的單位規(guī)定：長(zhǎng)度單位為cm；質(zhì)量單位為g；時(shí)間單位為μs，壓強(qiáng)單位為1.0E+11Pa。本文對(duì)不同間距下的隧道雙孔模型進(jìn)行模擬分析。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，炮孔間距一般為炮眼直徑的10~20倍，所以，本文中所采用的炮孔間距分別為20cm、30cm、40cm和50cm。對(duì)不同工況進(jìn)行模擬，并對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得到適合實(shí)際工程的炮孔間距，以指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。

2數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1巖石碎裂程度分析。為研究同等藥量下不同炮孔間距下的巖石碎裂程度，分別選取0μs、30μs、60μs、90μs共4個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)，每隔30μs選取1個(gè)圖像進(jìn)行對(duì)比，觀(guān)察不同時(shí)刻巖石的破損情況，破損結(jié)果如圖3所示。從圖3~圖5中可以看出，3種炮孔間距下，隨著時(shí)間的推移，炮孔周?chē)鷰r石在爆破作用下逐漸粉碎，并最后成型形成空腔，達(dá)到爆破目的。當(dāng)炮孔間距為20cm、T=90μs時(shí)，藥包周?chē)膸r石受到高溫高壓的作用，直接被粉碎，形成了2個(gè)直徑大概為9cm的空腔，并且由于炮孔間距較小，相互影響，在巖石中間形成了微小的貫通裂縫，爆破效果比較好。當(dāng)炮孔間距為30cm時(shí)，在炸藥爆炸持續(xù)時(shí)間大概200μs時(shí)，爆腔便已形成。炮眼耦合裝藥爆炸時(shí)，眼壁遭受的是爆轟波的直接作用，在巖體內(nèi)一般要激起沖擊波，造成粉碎區(qū)，而消耗了炸藥的大量能量。所以炮孔中間并沒(méi)有形成相應(yīng)的裂縫。當(dāng)炮孔間距為40cm時(shí)，由于炮孔間距變大，且炸藥能量有限，爆破效果和間距30cm時(shí)相差不大。2.2各質(zhì)點(diǎn)振速分析。2.2.1炮孔間距。20cm為研究炮孔間距20cm時(shí)炮孔周邊巖石的振動(dòng)規(guī)律，在炮孔右邊依次選取5個(gè)質(zhì)點(diǎn)，由于炮孔爆破會(huì)產(chǎn)生破碎區(qū)，而在破碎區(qū)的質(zhì)點(diǎn)不便于研究，所以所有質(zhì)點(diǎn)選取在破碎區(qū)外。第一個(gè)質(zhì)點(diǎn)離爆心10cm，而后每隔5cm選取1個(gè)點(diǎn)，質(zhì)點(diǎn)編號(hào)分別為A68143、B68148、C68153、D68158和E68163，質(zhì)點(diǎn)分布如圖6所示。各質(zhì)點(diǎn)的合矢量振速和峰值振速如圖7、圖8所示。從中可以看出，距離爆源近的質(zhì)點(diǎn)A受到的振動(dòng)影響最大，最大振速達(dá)到了30.5cm/s，但是第二個(gè)質(zhì)點(diǎn)B的速度就迅速衰減了下來(lái)，只有17.5cm/s，當(dāng)波傳到第5個(gè)質(zhì)點(diǎn)的時(shí)候，速度已基本為0。2.2.2炮孔間距。30cm與間距20cm有所不同，選取2個(gè)炮孔之間的質(zhì)點(diǎn)作為研究對(duì)象。第一個(gè)質(zhì)點(diǎn)離爆源10cm，以后每隔2cm選取1個(gè)質(zhì)點(diǎn)，質(zhì)點(diǎn)分布如圖9所示。各質(zhì)點(diǎn)的合矢量振速和峰值振速如圖10⒜、圖11所示。從圖10⒜、圖11中可以看出，綜合X方向的振速，在最靠近爆源的質(zhì)點(diǎn)處，最大振速達(dá)到35.0cm/s，其他的質(zhì)點(diǎn)振速依次遞減，在將近400μs時(shí)，便趨近于0。速度的遞減非?？臁倪x取的質(zhì)點(diǎn)來(lái)看，最大峰值振速達(dá)33.5cm/s，隨后衰減到15.0cm/s左右，然后再上升。并且考慮到是對(duì)稱(chēng)模型，所以，兩邊的速度基本上是對(duì)稱(chēng)的，驗(yàn)證了數(shù)值模擬的可行性。2.2.3炮孔間距。40cm炮孔間距為40cm時(shí)質(zhì)點(diǎn)選取與炮孔間距20cm的一致，各質(zhì)點(diǎn)的合矢量振速圖和峰值振速如圖10⒝和表1所示。式中：K=78，a=1.58，相關(guān)系數(shù)等于0.975，都在堅(jiān)硬巖石的范圍之內(nèi)，滿(mǎn)足要求。X方向振動(dòng)數(shù)據(jù)回歸曲線(xiàn)如圖12所示。由圖12的歸回曲線(xiàn)和擬合公式，可以進(jìn)一步推導(dǎo)出炮孔間距為50cm時(shí)的巖石成型尺寸和振動(dòng)規(guī)律曲線(xiàn)。

3工程應(yīng)用

在珠海某隧道中，由于爆破的藥量和炮孔間距的不合理，致使超欠挖現(xiàn)象十分明顯，不僅影響施工安全，還延誤了施工進(jìn)度。為此，應(yīng)用上述研究并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，在施工過(guò)程中根據(jù)隧道爆破實(shí)際效果，因地制宜，動(dòng)態(tài)調(diào)整炮孔間距。如果出現(xiàn)超挖，則調(diào)大炮孔間距；如果巖石破碎程度不理想，炮孔間裂縫不明顯，則調(diào)小炮孔間距。做到一炮一法，以炮定炮。通過(guò)上述研究的應(yīng)用，該隧道超欠挖現(xiàn)象得以改善，爆破效果明顯提升，為現(xiàn)場(chǎng)施工提供了技術(shù)指導(dǎo)。

4結(jié)論

炸藥在爆破完成以后，雙孔之間的影響因其間距不同而造成的影響也不同，通過(guò)上文的探討可以得到以下結(jié)論：⑴同等藥量下的不同間距的爆破成型效果如表2所示，間距為20cm時(shí)爆破的成型效果發(fā)生變化，成型尺寸增加到12cm，并且中間裂縫明顯，貫通良好，有利于爆破面的成型，當(dāng)為其他間距時(shí)尺寸較小，形成的裂縫以及貫通面不明顯。⑵同等藥量下的不同間距的振速變化規(guī)律如圖13所示，在不同的炮孔間條件下，當(dāng)距離炮孔的距離都為10cm時(shí)，只有間距50cm時(shí)的衰減速度比較緩慢，其他3個(gè)間距的速度衰減都比較迅速；當(dāng)距離炮孔20cm時(shí)，速度在以后的傳播中基本上處于一個(gè)平穩(wěn)的數(shù)值，沒(méi)有太大的變化。

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作者:魏學(xué)虎 單位:中鐵十六局集團(tuán)路橋工程有限公司