考虑孔内起爆器位置的隧道掘进爆破方法比较与优化

《Journal of Destination Marketing & Management》：Comparison and optimization of tunnel cut blasting methods considering in-hole detonator locations

　　

高欣|高启东|杨昭伟|王亚雄|冷振东|江伟|杨宇波

长安大学公路学院，中国陕西省西安市710064

摘要

切割爆破的效果直接决定了隧道掘进中后续爆破的成功与否。随着隧道建设进入复杂的地质条件，传统的起爆方法难以形成足够的爆破腔体。首先，通过理论分析和单孔爆破实验来明确起爆位置对岩石破碎的影响。然后，选择楔形切割和直线切割爆破作为代表性场景进行掘进实验，以分析爆破深度、岩石破碎情况和炸药消耗量。开发了通用数值模型，用于比较不同孔内起爆位置下的岩石损伤演变。最后，通过联合优化切割爆破方法和起爆位置，建立了混合切割爆破模型。结果表明，起爆位置可以引导爆破能量的传递，并增强对端岩石的破碎效果。底部起爆能增强领圈附近的岩石破裂和抬升运动，而顶部起爆则促进对端岩石的损伤。楔形切割和直线切割爆破的平均单位炸药消耗量分别为2.32千克/立方米和3.56千克/立方米。在楔形切割爆破模型中，相邻层切割孔的交错起爆使岩石损伤更加均匀，损伤面积和最大损伤深度分别比底部起爆高出14.5%和8.9%。在直线切割爆破模型中，交错起爆对岩石损伤的影响有限，但对底部的爆破效果有轻微改善。与楔形切割爆破模型的底部起爆相比，楔形-直线和直线-楔形混合模型的损伤面积分别增加了30.5%和4.4%。这些发现为高效的隧道爆破掘进提供了指导。

引言

钻孔爆破是隧道掘进中最广泛使用的技术之一，因为它成本低且适应复杂的地质条件（Chen等人，2016；Harrison和Hudson，2000；Yilmaz和Unlu，2014；Zhou等人，2024）。作为隧道爆破的第一步，切割爆破创建了一个新的自由面，以减少后续爆破孔的阻力，其有效性直接影响施工质量和成本控制（Singh，1995；Wang等人，2019；Xie等人，2016）。孔内起爆位置直接影响能量传递和岩石破碎，因此在爆破效果中起着重要作用。然而，大多数现有研究主要关注切割爆破类型、切割孔布局和炸药参数（Fan等人，2016；Wu等人，2025），而对不同切割爆破方法下孔内起爆位置的影响了解不足。因此，需要系统地研究孔内起爆位置与切割爆破方法之间的关系。

在不同的切割爆破类型中，楔形切割爆破和直线切割爆破应用最为广泛，每种方法在特定施工条件下具有不同的特点（Cardu和Seccatore，2016）。楔形切割爆破使用朝向隧道面的倾斜爆破孔，改善了切割腔体的形成和岩石抛出效果。它的切割效率更高，所需的爆破孔数量也更少（Shapiro，1989）。然而，其爆破深度受到工作面尺寸的限制（Chakraborty等人，1998），且领圈处较宽的距离往往导致岩石块过大。直线切割爆破使用平行爆破孔，这使其不受隧道横截面几何形状的约束，能够形成更规则的切割腔体。与楔形切割爆破不同，它不需要较大的钻孔倾角，有利于钻孔定位和机械化钻孔操作。然而，它通常需要更多的爆破孔，且较大的爆破深度使得岩石抛出更加困难（Ding等人，2019）。

此外，切割区域内爆破孔的布置显著影响切割腔体的形成。切割区域通常包括空孔和切割孔，其中空孔为后续爆破提供自由面。因此，空孔的数量、直径和间距是影响切割爆破效果的重要因素（Song等人，2024）。在此基础上，研究人员根据具体工程要求进一步优化了切割孔布局。例如，Zhang等人（2021）在爆破孔布置中增加了碎石孔，以便在切割孔破碎岩体后将岩石碎片推出切割腔体。Xie等人（2017）通过减小切割孔间距和增加辅助孔来进一步优化深埋隧道的直线切割爆破设计，以克服阻力效应和损伤各向异性。

目前，已经进行了一系列关于炸药参数的研究。Cheng等人（2020）和高等人（2022a）指出，较大的爆破孔和装药直径可以增加应力强度并有助于岩石破碎。Dai（2002）根据炸药单位消耗量与爆炸岩石体积之间的关系建立了装药重量的经验公式。Li等人（2023）提出了分散装药和分段起爆技术，并进行了现场测试，提高了深孔爆破的掘进效率。Zhao等人（2011）使用不连续变形分析（DDA）方法研究了不同延迟时间对直线切割爆破中岩石破碎的影响。然而，大多数研究假设装药内的起爆位置是固定的。

起爆位置会影响爆炸能量的传递，从而导致岩石破碎效果的差异（Gao等人，2019；Onederra等人，2013）。考虑到圆柱形装药的几何特性和有限的爆炸速度，爆炸反应沿装药轴线表现出方向和时间效应（Knock和Davies，2013）。Leng等人（2016）和Leng等人（2021）分析了不同起爆位置和数量对台阶爆破中冲击波传播、岩石破碎和岩石抛出的影响。Li等人（2023）和高等人（2022b）研究了顶部起爆、底部起爆和中间起爆对切割爆破中岩石损伤演变的影响。然而，孔内起爆位置对隧道爆破的影响仍缺乏系统研究。

本文系统研究了不同切割爆破方法下孔内起爆位置的影响。利用一维等熵流动爆破理论分析了孔内起爆位置对爆炸能量的影响，并通过单孔爆破实验验证了其对岩石破碎的效果。选择楔形切割和直线切割爆破作为代表性爆破场景，进行了掘进实验和通用数值模拟以分析爆破效果。在此基础上，进一步开发了结合楔形和直线切割孔的混合切割爆破模型，并讨论了推荐的起爆位置。本研究为孔内起爆位置和隧道切割爆破方法的选择提供了指导，有助于高效隧道施工。

章节摘录

隧道切割爆破方法综述

在隧道钻孔爆破中，隧道面上的爆破孔分为切割孔、辅助孔和周边孔。目前，隧道工程主要采用两种代表性的切割爆破方法：楔形切割爆破和直线切割爆破。根据切割孔的数量，楔形切割爆破可以分为单级、双级和多级楔形切割爆破，如图1所示。

现场隧道切割爆破实验

基于中国西南部的一个工程案例进行了现场隧道掘进实验，比较了实际施工条件下的楔形切割爆破和直线切割爆破效果。选择这两种切割爆破方法作为代表性场景，以分析典型切割爆破条件下的爆破效果，并为后续分析提供依据。隧道采用全断面掘进，总长度为4123.7米，横截面高度为7.62米，宽度为

数值模型开发与参数验证

切割爆破与后续爆破孔之间的时间间隔极短，难以进行独立的切割爆破实验。考虑到爆破过程的复杂性和实验方法的局限性，开发可靠的数值模型对于分析隧道掘进结果至关重要。本文采用LS-DYNA模型模拟切割爆破过程并分析爆破效果。

切割爆破模拟的评估方法

目前，隧道爆破的评估方法主要集中在隧道轮廓形成和负面效应控制上（Xiao等人，2024；Yin等人，2023），而切割爆破的评估方法仍不完善。本研究基于爆破理论和工程实践，建立了切割爆破模拟的评估方法，考虑了质量、经济和安全因素（Kumar等人，2023；Ma等人，2022；Yang等人，2016；Zhang等人，2024）。具体

关于切割爆破方法优化的讨论

在截面中等或较小的隧道中，楔形切割爆破需要倾斜爆破孔，而钻孔设备的操作空间受到隧道截面的限制。在这种条件下，很难同时实现足够的钻孔倾角和足够的爆破孔深度，这限制了需要较大爆破深度时的楔形切割爆破的适用性。因此，结合倾斜孔和直线孔的混合切割爆破方法

结论

本研究调查了孔内起爆位置和切割爆破方法对隧道切割爆破效果的综合影响。在此基础上，进一步优化了起爆方法和切割爆破方法。主要结论如下：

(1)

孔内起爆位置决定了爆炸波的传播方向，显著影响爆炸能量的传递和岩石破碎效果。在传统起爆方法下，

CRediT作者贡献声明

高欣：撰写——初稿，软件开发，资金获取，数据管理。高启东：监督，方法论，资金获取。杨昭伟：项目管理。王亚雄：撰写——审阅与编辑。冷振东：撰写——审阅与编辑。江伟：撰写——审阅与编辑。杨宇波：撰写——审阅与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（52379096）、中央高校基本科研业务费（300104240925）、山地桥梁与隧道工程国家重点实验室和重庆交通大学（SKLBT-2321）的支持。