《Applied Sciences》：Detonating-Cord-Free Smooth Blasting in Peripheral Tunnel Holes: Mechanism and Technology
编辑推荐：
隧道周边孔爆破质量直接决定隧道轮廓成形质量及超挖（overbreak）与欠挖（underbreak）控制水平。本研究旨在解决施工现场缺乏导爆索（detonating cord）所导致的爆破后轮廓不平整、孔底超挖及孔口欠挖等问题。以中国内蒙古自治区某新建隧道为依
隧道周边孔爆破质量直接决定隧道轮廓成形质量及超挖（overbreak）与欠挖（underbreak）控制水平。本研究旨在解决施工现场缺乏导爆索（detonating cord）所导致的爆破后轮廓不平整、孔底超挖及孔口欠挖等问题。以中国内蒙古自治区某新建隧道为依托，本研究采用Ansys/Ls-Dyna数值模拟与现场爆破试验，研究周边孔无导爆索光面爆破的损伤演化与应力场分布特征。结果表明，炸药能量沿炮孔方向分布不均是产生超挖与欠挖的根本原因。后爆孔应力场与前爆孔残余应力场的叠加促进裂纹贯通，导致后爆孔一侧岩体损伤更大，进而引起孔底超挖与孔口欠挖。此外，本研究提出了适用于隧道Ⅱ级、Ⅲ级和Ⅳ级围岩段的无导爆索光面爆破参数，并经现场试验验证。对于隧道Ⅱ级和Ⅲ级围岩段，建议周边孔采用长短孔组合光面爆破方法；对于Ⅳ级围岩段，周边孔采用长孔光面爆破。采用推荐的光面爆破参数进行了爆破试验。实测Ⅱ级、Ⅲ级和Ⅳ级围岩段平均超挖均小于20 cm，孔口无欠挖，表明控制效果良好。本研究结论可为类似工程提供参考。
研究背景方面，钻爆法是目前广泛采用的隧道施工方法，隧道轮廓成形质量是工程质量评价的重要指标，直接影响后续喷射混凝土成本以及钢拱架架设与支护作业时间。光面爆破由Langefors于20世纪50年代初提出，现广泛应用于中国隧道开挖。光面爆破中周边孔同时起爆，使孔间爆炸应力波相互叠加，引导孔间径向裂纹相互贯通形成连续断裂面。隧道钻爆法施工中，开挖轮廓周边不可避免地形成近场粉碎区和裂纹扩展区，导致不同程度的超挖。在隧道光面爆破作业中，周边孔多采用导爆索配合竹片的空气间隔装药方式，该装药方式虽能保证开挖轮廓平整均匀、控制超挖欠挖并有效保证孔口附近围岩的充分破碎，但工序相对复杂且常受施工现场缺乏导爆索的制约。现有无导爆索爆破技术需通过现场试验确定炸药的临界殉爆距离，须用大直径炸药配合工业电子雷管替代常规32 mm直径药卷，并调整药卷间距以优化爆破能量分布，但该过程要求工人在炮孔内按设计间隔放置多个药卷，工序复杂且装药耗时，现场工人不愿使用。因此，亟需研发一种不依赖导爆索的新型周边孔光面爆破技术。本研究通过数值模拟与现场试验相结合，研究隧道周边孔无导爆索爆破的破岩机理及超挖欠挖成因，并提出适用于Ⅱ级、Ⅲ级和Ⅳ级围岩段的无导爆索光面爆破参数。研究首先建立并验证双孔爆破模型，基于模拟结果分析无导爆索爆破机理；然后依托中国内蒙古自治区某新建隧道，通过数值模拟获得适用于Ⅱ级、Ⅲ级和Ⅳ级围岩段的光面爆破参数，并为Ⅱ级和Ⅲ级围岩段设计周边孔无导爆索长短孔组合爆破方案；最后通过现场爆破试验验证结论的可靠性。研究得出，孔底集中装药条件下爆炸能量主要集中于孔底区域，所产生荷载随距离增加急剧衰减，使孔口段损伤程度显著低于孔底，易导致孔口欠挖；后爆孔受前爆孔形成的损伤区与自由面影响，其应力场与前爆孔残余应力场叠加，进一步增大后爆孔一侧的损伤。研究确定了隧道Ⅱ级、Ⅲ级和Ⅳ级围岩段周边孔无导爆索光面爆破参数，其中Ⅱ级和Ⅲ级围岩段周边孔采用长短孔组合爆破。Ⅱ级围岩段长周边孔深3.7 m、单孔装药900 g、间距60 cm，短孔深1.5 m、单孔装药300 g、间距60 cm，光面爆破层厚70 cm；Ⅲ级围岩段长周边孔深3.2 m、单孔装药750 g、间距50 cm，短孔深1.0 m、单孔装药150 g、间距60 cm，光面爆破层厚60 cm；Ⅳ级围岩段周边孔深2.7 m、单孔装药600 g、间距40 cm、光面爆破层厚50 cm。数值模拟结果表明，上述参数下孔口无欠挖，平均超挖控制在20 cm以内，该结论适用于节理较少、岩体较完整的Ⅱ—Ⅳ级围岩。隧道Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级围岩段9次现场爆破试验表明，9个试验段开挖轮廓平整，半孔率超过80%，孔口未观察到欠挖，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级围岩试验段平均超挖控制在20 cm以内，超挖欠挖控制满足工程要求。该技术尚未完全成熟完善，应在其他地质与工程条件下进一步开展试验研究。本研究意义在于为解决施工现场缺乏导爆索时周边孔无法实施常规光面爆破的工程难题提供了参数依据与技术方案，结论可为类似工程提供参考。
本研究采用的主要关键技术方法包括：采用Ansys/Ls-Dyna软件建立三维双孔及多孔爆破数值模型，采用SOLID164实体单元、流固耦合算法与RHT岩石本构模型模拟岩石断裂特征，并以损伤阈值D>0.11作为光面爆破损伤判据；通过现场爆破试验对数值模拟结论进行验证。研究对象依托中国内蒙古自治区某新建隧道，隧道全长14.97 km，最大埋深约364.8 m，Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级、Ⅴ级围岩占比分别为19%、41%、24%、16%。
研究结果方面，第一，无导爆索光面爆破机理分析。通过建立三维双孔数值模型并进行网格无关性验证与材料参数验证，研究人员分析了孔底集中装药条件下爆破损伤演化与应力场分布特征，得出炸药能量沿炮孔方向分布不均是产生超挖与欠挖的根本原因；后爆孔应力场与前爆孔残余应力场叠加促进裂纹贯通，使后爆孔一侧损伤更大，导致孔底超挖与孔口欠挖。第二，现场案例与模型验证。依托隧道Ⅱ级围岩段现场缺乏导爆索、周边孔仅能孔底集中装药的情况，实测半孔率约69%、孔底平均超挖约34.5 cm、最大超挖59.2 cm、孔口欠挖长度32 cm；通过建立优化前模型并与现场实测对比，确定D>0.11的损伤区外边界与实测结果吻合最佳，可作为计算开挖轮廓。第三，Ⅱ级围岩段无导爆索光面爆破参数影响分析。通过建立间距50 cm、60 cm、70 cm的数值模型，得出间距60 cm、光面爆破层厚70 cm时平均超挖可控制在20 cm以内且孔间可形成连续裂纹，但各间距下均出现孔口欠挖，沿炮孔轴线欠挖长度为0.74～1.44 m。第四，Ⅲ级围岩段参数影响分析。通过建立间距40 cm、50 cm、60 cm的数值模型，得出间距50 cm、层厚60 cm时超挖控制效果最佳，但孔口仍存在欠挖，沿轴线欠挖长度为0.83 m。第五，Ⅳ级软岩段参数影响分析。通过建立间距30 cm、40 cm、50 cm的数值模型，得出间距40 cm、层厚50 cm时孔口无欠挖且平均超挖在20 cm以内。第六，Ⅱ级和Ⅲ级围岩段长短孔组合爆破优化设计。通过在长孔外侧布置短孔并先起爆长孔、后起爆短孔，数值分析得出长短孔组合爆破后Ⅱ级和Ⅲ级围岩均形成贯通断裂面，孔口欠挖长度为0 cm。第七，现场工程实践。通过在Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级围岩段开展9次无导爆索爆破试验，得出开挖轮廓平整、无孔口欠挖，各级围岩平均超挖均控制在20 cm以内，Ⅲ级和Ⅳ级围岩段周边孔可根据围岩条件内移5～10 cm。
讨论部分，围岩力学性质与结构面特征是影响光面爆破最终成形质量的关键内在因素。数值模型基于连续均质介质假设，虽研究了Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级围岩在不同爆破参数下的损伤行为，但未充分考虑抗拉强度、弹性模量等力学参数及节理裂隙的影响。从破岩机理看，抗拉强度直接决定岩石抵抗环向拉应力致裂的阈值，弹性模量影响爆炸应力波的传播与衰减；真实岩体中的节理裂隙与不连续面改变应力波传播路径，引起应力波在断裂面处的反射与透射，并导致爆炸气体过早逸散，从而严重削弱孔间裂纹贯通。与现有研究相比，已有研究设计了依赖孔内药卷间殉爆的无导爆索装药结构并经现场试验验证，但未提供隧道Ⅱ—Ⅳ级围岩的周边孔参数；另有研究提出基于电子雷管与大直径药卷多级空气间隔装药的无导爆索爆破方法，但主要针对露天边坡预裂面成形，未涉及隧道周边孔孔口欠挖问题。本研究方案采用孔底集中装药、无需导爆索，现场装药更便捷，提供了Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级围岩段无导爆索光面爆破参数，并提出Ⅱ级和Ⅲ级围岩段长短孔组合周边孔爆破方案；但不同围岩爆破参数强烈依赖岩体力学性质与断裂条件，Ⅱ级和Ⅲ级围岩采用的长短孔组合爆破方案增加了钻孔数量，且爆破参数对围岩特征敏感，可根据实际爆破效果调整。本研究提出的无导爆索光面爆破参数主要适用于节理较少、岩体较完整的Ⅱ—Ⅳ级围岩段，后续研究将建立含离散裂隙网络的三维数值模型并开展多参数敏感性分析，以进一步提高该技术在复杂地质条件下的适用性。研究结论部分翻译如下：本研究旨在解决隧道施工现场缺乏导爆索时周边孔无法实施常规光面爆破的工程问题，以隧道Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级围岩段为研究对象，通过数值模拟与现场试验，(1)分析无导爆索孔底集中装药条件下周边孔的爆破机理，(2)研究不同爆破参数对爆破效果的影响，(3)提出相应优化设计方案。主要结论如下：(1)分析了无导爆索条件下周边孔孔底集中装药的爆破机理。孔底集中装药时爆炸能量主要集中于孔底区域，所产生荷载随距离增加急剧衰减，使孔口段损伤程度显著低于孔底，易导致孔口欠挖；后爆孔受前爆孔形成的损伤区与自由面影响，其应力场与前爆孔残余应力场叠加，进一步增大后爆孔一侧的损伤。(2)确定了隧道Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级围岩段周边孔无导爆索光面爆破参数，其中Ⅱ级和Ⅲ级围岩段周边孔采用长短孔组合爆破。Ⅱ级围岩段长周边孔深3.7 m、单孔装药900 g、间距60 cm，短孔深1.5 m、单孔装药300 g、间距60 cm，光面爆破层厚70 cm；Ⅲ级围岩段长周边孔深3.2 m、单孔装药750 g、间距50 cm，短孔深1.0 m、单孔装药150 g、间距60 cm，光面爆破层厚60 cm；Ⅳ级围岩段周边孔深2.7 m、单孔装药600 g、间距40 cm、光面爆破层厚50 cm。数值模拟结果表明，上述参数下孔口无欠挖，平均超挖控制在20 cm以内；该结论适用于节理较少、岩体较完整的Ⅱ—Ⅳ级围岩。(3)隧道Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级围岩段9次现场爆破试验表明，9个试验段开挖轮廓平整，半孔率超过80%，孔口未观察到欠挖，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级围岩试验段平均超挖控制在20 cm以内，超挖欠挖控制满足工程要求。该技术尚未完全成熟完善，应在其他地质与工程条件下进一步开展试验研究。
