隧道周边孔差异化爆破作用机理及试验研究

康永全 孟海利 郭云龙 孙崔源 薛里 孙鹏昌

中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081

与机械开挖掘进法相比，隧道钻爆法具有开挖成本低、适应性强等优点，但爆破不可避免地会对需保留的岩体造成损伤。传统的光面爆破虽然提高了轮廓平整度［1］，但是由于爆炸能量的无序释放和爆生裂纹的随机扩展，仍会产生爆破裂缝。经过运营期的各种荷载作用，容易引发衬砌渗漏水、开裂等影响结构稳定的病害，尤其是在含结构面的岩体中，实施普通爆破技术难以满足工程需要。研究者们提出了多种光面爆破装药装置和方法，在光面爆破的基础上发展出定向断裂控制爆破技术，并对定向断裂控制爆破的机理和裂纹扩展规律进行了系统研究［2-6］。将聚能爆破和水压爆破相结合，对隧道周边孔进行聚能水压光面爆破，其装药结构是采用聚能管替代光面爆破的药串［7］。目前隧道光面爆破存在的问题有：施工现场无性能优良的光面爆破专用炸药；周边眼装药一般采用药卷与竹片制成的药串，并用导爆索传爆，竹片加工及药卷绑扎程序繁琐，费时费力；人工采用炮棍逐卷间隔装药，受人为因素干扰大，难以精确控制药卷的位置和间距，很难满足爆破设计要求。因此，本文基于应力波透射、反射理论，提出一种光面护壁爆破装药结构，实现周边孔差异化爆破，满足隧道工程破碎与保护的双重目标，促进光面爆破向参数规范化、操作简便化、减人提效的方向发展。

1 光面护壁爆破技术

1.1 光面护壁爆破装药结构设计

由于炸药爆炸产生的爆轰压力远远超过任何岩石的动态抗压强度。通常情况下紧贴药卷的岩石会直接被粉碎成一个空腔。通过优化装药结构，采用轻质吸能的缓冲材料可削弱冲击波的峰值压力，降低粉碎破坏作用，达到控制爆炸能量作用方向的目的。高分子聚氨酯泡沫材料发泡硬化后含大量气孔，具有重量轻、压缩性好、抗冲击、缓冲吸能等优点，已被广泛应用于各类结构物的抗爆炸、耐冲击等防护工程中［8］。对冲击波峰值压力的衰减率为86.5%［9］，因此适合作为隧道周边孔围岩防护材料。

基于泡沫材料缓冲吸能的特点，结合爆破现场施工条件，提出一种光面护壁爆破装药结构（图1）。该结构由高孔隙率、低密度的聚氨酯泡沫材料和硬质薄壁PVC 半圆管组成。该泡沫材料无毒，耐高温，具有高阻燃性，能避免爆破瞬间的燃烧。隧道爆破炮孔直径40 ～ 42 mm，为实现往炮孔中顺利输管，套管直径宜选用32 ～ 38 mm 的硬质PVC 管，壁厚一般在1 ～ 2 mm，具有轻质耐压、易于粘接、价格低的特点。采用套管装药不仅方便，而且对爆破能量可起到约束引导作用。

图1 光面护壁爆破装药结构

周边孔清孔完毕后，用药卷切割器将成品药卷沿纵向均匀切开，并用绝缘电工胶布将药卷和护壁管缠绕绑扎牢固。将加工好的整根装药装置塞入周边孔中，使涂有泡沫材料的一侧贴在保留岩体一侧，完成周边孔的装药施工。光面护壁爆破装药结构设计简单，施工方便，装药填塞一体化完成。

1.2 光面护壁爆破力学分析

光面爆破采用空气不耦合装药，爆轰波首先压缩炮孔中的空气，产生空气冲击波进而对炮孔岩壁施加冲击荷载。不耦合装药条件下孔壁压力P1计算公式为［10］

式中：ρe为炸药密度，对于2 号岩石乳化炸药ρe=1 100 kg/m3；Ve为炸药爆速，对于2 号岩石乳化炸药Ve= 4 500 m/s；k为绝热指数，对于大多数凝聚炸药k= 3；Kd为装药不耦合系数；db、dc分别为炮孔和药卷的直径，db= 42 mm，dc= 32 mm；n为爆轰气体碰撞孔壁时压力增大的倍数，n=8。

光面护壁爆破采用耦合装药，炸药与岩石紧密接触，因而爆轰波会在炸药和岩石界面上发生透射、反射。将爆轰波对炮孔壁的冲击看成正冲击，并近似为弹性碰撞，可得耦合装药条件下孔壁压力P2计算公式为［11］

式中：T为透射系数。

开挖侧、护壁侧透射系数T1、T2分别为

式中：ρr、ρf分别为岩石、泡沫密度，kg/m3；Vr、Vf分别为岩石、泡沫中纵波波速，m/s。

由式（4）可算出泡沫材料和常见岩石（以石灰岩为例）的物理力学参数和纵波波速，见表1。

表1 泡沫材料和石灰岩物理力学参数和纵波波速

对于光面护壁爆破装药结构来说，炸药爆炸后对两侧岩石产生不同的爆破作用。开挖侧爆轰产物直接作用于孔壁，发生一次透射和反射，经计算T1=1.37。护壁侧炸药爆炸产生的爆轰波首先透射到炮孔中的泡沫材料，被缓冲之后再透射到孔壁岩石中，形成应力波，经过两次透射和反射，两次透射系数分别为0.21、1.89。光面护壁爆破两侧应力波的传播路径见图2。

图2 光面护壁爆破作用示意

光面护壁爆破作用在开挖侧的孔壁压力P2k=作用在护壁侧的孔壁压力1.89=。

应力波在损伤岩石中向外传播，损伤岩石中任一点的径向应力σr、切向应力σθ分别为

式中：P为孔壁压力；r为计算点距炮孔中心距离，m；r0为炮孔半径，m；α为应力波衰减系数，α= 3；b(D)为侧向应力系数，是损伤度D的函数。

若岩石中σθ≥(1 -D)St时，岩石中将产生径向裂纹。其中St为岩石动态抗拉强度。

将光面护壁爆破护壁侧和开挖侧的孔壁压力差ΔP2=P2k-P2h= 0.24ρeV2e和光面爆破孔壁压力P1=0.195ρeV2e代入式（6）、式（7），计算可得光面护壁爆破在炮孔中心连线方向形成的裂纹长度（即r）是光面爆破的1.1倍。

光面护壁爆破时P2k=3.4P2h，炮孔两侧强大的压力差可以在岩体中成功产生定向裂纹，实现有效的断裂控制。开挖侧孔壁压力是光面爆破的174%，而护壁侧孔壁压力是光面爆破的51%。与光面爆破相比，光面护壁爆破开挖侧岩石得到有效破碎，护壁侧岩石得到较好保护。设计炮孔间距时可以在光面爆破的基础上适当增大，从而减少钻孔工作量。

2 爆破损伤试验

利用RSM⁃SY5（T）非金属声波检测仪，在北京延庆区云龙山隧道现场进行爆破损伤试验，对光面爆破和光面护壁爆破围岩损伤进行定量分析。

2.1 试验方案

云龙山隧道Ⅳ级围岩段每循环进尺2 m，连续两个循环分别采用光面爆破和光面护壁爆破（图3）方式，除周边孔采用不同的装药结构外，其他掏槽孔、辅助孔等装药参数都相同。声波测试断面距掌子面1 m，在隧道边墙同等高度处钻测试孔，孔径42 mm，孔深2 m，倾角约60°。光面爆破、光面护壁爆破测试孔编号分别为1#、2#。测试孔中用清水做耦合剂，孔内水位出现下降应及时补充注水。测试时将探头自孔底缓慢提升，每次约提升10 cm。

图3 光面护壁爆破周边孔装药结构

2.2 结果分析

光面爆破段出现部分超挖，且爆破损伤痕迹明显；光面护壁爆破段隧道轮廓尺寸符合设计要求，岩面平整，基本不欠挖，孔壁完整，极少粉碎性破坏，炮孔位置清晰可见，见图4。

图4 爆破效果

不同爆破方式下围岩中纵波波速随孔深变化曲线见图5。可知，光面爆破岩体中波速曲线分段特征明显。0～20 cm 由于清水与岩体耦合不好，未测得波速；20 ～ 60 cm 为岩石松动区，波速明显偏低，说明出现塑性破坏，内部裂隙较发育；60 ～ 100 cm 为岩石损伤区，波速有较大升高，说明岩石被轻微扰动，发育少量微裂隙，岩体强度适当降低；100～130 cm 为应力集中区，波速突然升高，说明围岩应力转移到该区段；130～190 cm 为原岩区，波速基本恢复到原岩中波速，表明岩体基本未受爆破影响，接近天然应力状态。光面护壁爆破岩体中波速随孔深的变化也具有相同规律。

图5 不同爆破方式下围岩中纵波波速随孔深变化曲线

成孔后测试孔1#、2#周边岩石中爆破前波速分别为3 960、3 750 m/s。根据DL/T 5389—2007《水工建筑物岩石基础开挖工程施工技术规范》，岩体损伤度D和波速降低率η的关系为

式中：VP0、VP分别为爆破前、后波速。

不同爆破方式下岩体损伤度随孔深变化曲线见图6。可知：①基于D=0.19 的爆破损伤判别标准，光面爆破、光面护壁爆破围岩松动圈厚度分别为78、50 cm。光面护壁爆破围岩松动圈厚度比光面爆破减少35.9%。②孔深在90 cm 以内时光面爆破岩体的损伤度普遍大于光面护壁爆破，验证了光面护壁爆破对保留岩体的保护作用。

图6 不同爆破方式下岩体损伤度随孔深变化曲线

3 结论

为解决爆破现场光爆专用炸药不易获取的问题，基于应力波透射、反射理论，利用高分子聚氨酯泡沫材料作为保留岩体的防冲材料，提出隧道周边孔差异化爆破装药结构。通过理论分析和现场试验，得出以下结论：

1）光面护壁爆破开挖侧孔壁压力是护壁侧的3.4倍，炮孔两侧强大的压力差在岩体中成功发展出定向裂纹，裂纹长度是光面爆破的1.1倍。

2）光面护壁爆破开挖侧、护壁侧孔壁压力分别为光面爆破的174%、51%，说明开挖侧岩石得到有效破碎，而护壁侧岩石得到较好保护。

3）通过基于声波检测技术的围岩爆破损伤试验，光面爆破、光面护壁爆破围岩松动圈厚度分别为78、50 cm，光面护壁爆破围岩松动圈厚度比光面爆破减少35.9%。孔深在90 cm 以内时光面爆破岩体的损伤度普遍大于光面护壁爆破，验证了光面护壁爆破对保留岩体的保护作用。