魏学虎

（中铁十六局集团路桥工程有限公司 北京101500）

爆破作为修建隧道最主要的方法之一，爆破工程应用领域越来越广，已渗入到各个领域。同时，工程爆破的规模和爆破带来的振动会产生不利的影响，爆破工程给我们带来好处的同时，爆破振动的问题也慢慢显现了出来，是爆破工程中最严重的一个问题，在爆破进行时产生的振动已经成为越来越受关注的问题之一［1-6］。因此，国内外有许多学者对于隧道爆破做了大量研究。许德鹏等人［7］运用FLAC3D 数值模拟软件，模拟分析了爆破施工对邻近隧道的影响，得出洞口开挖的进尺大小对已有隧道的影响较大的结论；李飞等人［8］运用FLAC3D软件模拟装药量对于邻近隧道的影响，得出相邻隧道的爆破振速与炸药量、距离爆源的距离有关；郑大榕［9］研究需要在城市中开展隧道爆破时，炮孔的布置和起爆点的顺序改变、以及适当减少装药量、在开挖进尺方面也适当减少，可以很好地控制爆破振动；余德运等人［10］使用ANSYS/LS-DYNA 数值软件模拟得出爆破地震波中的体波传播的减弱和阻尼槽的宽度以及深度有着密不可分的关系；同时，表面波的传播的减弱只与阻尼槽的深度有关；高干等人［11］通过使用ANSYS/LS-DYNA 数值模拟软件，给出了在重庆市渝中区修建的玉岭隧道中，实际的爆破药量与理论计算出来的药量不一致的原因。

本文依托珠海市某隧道，建立不同炮孔间距的双孔模型，最终得到各工况下岩石破碎程度和各质点振速；并对数值模拟结果进行分析、研究，为隧道实际爆破提供技术指导。

1 工程概况及模拟工况

本隧道项目位于珠海市横琴新区，具体为：一期工程道路主线，路线北于香江路与中心大道交叉口，沿中心大道向南，下穿已建横琴大道路基段，如图1所示。起点香江路至横琴大道（YK0+000-YK0+910）段为远期工程，待南部填海区建成后交通需求增多后进行修建，不在本次设计范围。横琴大道至环岛南路（YK0+910-YK5+810）段，及进出口A、B 匝道为近期实施范围，主要为联通大横琴山南北交通需求。

图1 道路平面Fig.1 Road Plan

该隧道大跨段里程为左ZK1+155～ZK1+370（长L=215 m）、右YK1+166～YK1+430（长L=264 m），其中SD1 衬砌断面适用里程为ZK1+155～ZK1+203、YK1+166～YK1+222，其最大开挖高度16.32 m，最大开挖跨度达28.23 m，断面面积大于360 m2，主要岩体为花岗岩，围岩级别为Ⅲ级围岩。

为了研究方便，采用双孔爆破数值模拟的方式，研究不同间距对爆破成型效果的影响，即炮孔直径和药卷直径d都为32 mm，采用径向耦合装药，线装药密度为0.6 kg/m。模型尺寸为100 cm×100 cm，同时为了节省计算时间，模型采用“薄片型”，厚度为5 cm。计算模型采用映射方式划分网格，整体网格尺寸控制为1 cm，四周添加无反射边界，上下施加Y 方向约束，左右施加X 方向约束，前后施加Z 方向约束。计算时间控制在1 500 μs，模型如图2 所示。本文数值模型采用SOLID164“八节点六面体”实体单元，模拟时采用爆破模拟通用的单位规定：长度单位为cm；质量单位为g；时间单位为μs，压强单位为1.0E+11 Pa。

图2 双孔模型Fig.2 Two-hole Model

本文对不同间距下的隧道双孔模型进行模拟分析。根据实践经验，炮孔间距一般为炮眼直径的10～20 倍，所以，本文中所采用的炮孔间距分别为20 cm、30 cm、40 cm 和50 cm。对不同工况进行模拟，并对模拟结果进行对比，得到适合实际工程的炮孔间距，以指导现场施工。

2 数值模拟结果分析

2.1 岩石碎裂程度分析

为研究同等药量下不同炮孔间距下的岩石碎裂程度，分别选取0 μs、30 μs、60 μs、90 μs共4个时间节点，每隔30 μs 选取1 个图像进行对比，观察不同时刻岩石的破损情况，破损结果如图3所示。

图3 炮孔间距20 cm岩石破碎Fig.3 Rock Fragmentation with 20 cm Blasthole Spacing

图4 炮孔间距30 cm岩石破碎Fig.4 Rock Fragmentation with 30 cm Blasthole Spacing

图5 炮孔间距40 cm岩石破碎Fig.5 Rock Fragmentation with 40 cm Blasthole Spacing

从图3～图5中可以看出，3种炮孔间距下，随着时间的推移，炮孔周围岩石在爆破作用下逐渐粉碎，并最后成型形成空腔，达到爆破目的。当炮孔间距为20 cm、T=90 μs 时，药包周围的岩石受到高温高压的作用，直接被粉碎，形成了2 个直径大概为9 cm 的空腔，并且由于炮孔间距较小，相互影响，在岩石中间形成了微小的贯通裂缝，爆破效果比较好。当炮孔间距为30 cm时，在炸药爆炸持续时间大概200 μs时，爆腔便已形成。炮眼耦合装药爆炸时，眼壁遭受的是爆轰波的直接作用，在岩体内一般要激起冲击波，造成粉碎区，而消耗了炸药的大量能量。所以炮孔中间并没有形成相应的裂缝。当炮孔间距为40 cm 时，由于炮孔间距变大，且炸药能量有限，爆破效果和间距30 cm时相差不大。

2.2 各质点振速分析

2.2.1 炮孔间距20 cm

为研究炮孔间距20 cm 时炮孔周边岩石的振动规律，在炮孔右边依次选取5个质点，由于炮孔爆破会产生破碎区，而在破碎区的质点不便于研究，所以所有质点选取在破碎区外。第一个质点离爆心10 cm，而后每隔5 cm选取1个点，质点编号分别为A68143、B68148、C68153、D68158和E68163，质点分布如图6所示。

图6 质点选取Fig.6 Particle Selection Chart

各质点的合矢量振速和峰值振速如图7、图8 所示。从中可以看出，距离爆源近的质点A 受到的振动影响最大，最大振速达到了30.5 cm/s，但是第二个质点B 的速度就迅速衰减了下来，只有17.5 cm/s，当波传到第5个质点的时候，速度已基本为0。

图7 各质点合矢量振速Fig.7 Vector Vibration Velocity of Each Particle

图8 各质点峰值振速Fig.8 Peak Vibration Velocity of Each Particle

2.2.2 炮孔间距30 cm

与间距20 cm 有所不同，选取2 个炮孔之间的质点作为研究对象。第一个质点离爆源10 cm，以后每隔2 cm选取1个质点，质点分布如图9所示。

图9 质点选取Fig.9 Particle Selection Chart

各质点的合矢量振速和峰值振速如图10⒜、图11所示。从图10⒜、图11 中可以看出，综合X 方向的振速，在最靠近爆源的质点处，最大振速达到35.0 cm/s，其他的质点振速依次递减，在将近400 μs 时，便趋近于0。速度的递减非常快。从选取的质点来看，最大峰值振速达33.5 cm/s，随后衰减到15.0 cm/s 左右，然后再上升。并且考虑到是对称模型，所以，两边的速度基本上是对称的，验证了数值模拟的可行性。

图10 各质点X方向振速Fig.10 X-Directional Vibration Velocity of Each Particle

2.2.3 炮孔间距40 cm

炮孔间距为40 cm时质点选取与炮孔间距20 cm的一致，各质点的合矢量振速图和峰值振速如图10⒝和表1 所示。

图11 各质点峰值振速Fig.11 Peak Vibration Velocity of Each Particle

表1 质点X方向速度分析Tab.1 Particle X-Direction Velocity Analysis

通过数据的拟合可以得出萨道夫斯基公式为：

式中：K=78，α=1.58，相关系数等于0.975，都在坚硬岩石的范围之内，满足要求。

X 方向振动数据回归曲线如图12 所示。由图12的归回曲线和拟合公式，可以进一步推导出炮孔间距为50 cm时的岩石成型尺寸和振动规律曲线。

图12 X方向振动数据回归曲线Fig.12 Regression Curve of Vibration Data in X-Direction

3 工程应用

在珠海某隧道中，由于爆破的药量和炮孔间距的不合理，致使超欠挖现象十分明显，不仅影响施工安全，还延误了施工进度。为此，应用上述研究并结合现场实际，在施工过程中根据隧道爆破实际效果，因地制宜，动态调整炮孔间距。如果出现超挖，则调大炮孔间距；如果岩石破碎程度不理想，炮孔间裂缝不明显，则调小炮孔间距。做到一炮一法，以炮定炮。通过上述研究的应用，该隧道超欠挖现象得以改善，爆破效果明显提升，为现场施工提供了技术指导。

4 结论

炸药在爆破完成以后，双孔之间的影响因其间距不同而造成的影响也不同，通过上文的探讨可以得到以下结论：

⑴同等药量下的不同间距的爆破成型效果如表2 所示，间距为20 cm 时爆破的成型效果发生变化，成型尺寸增加到12 cm，并且中间裂缝明显，贯通良好，有利于爆破面的成型，当为其他间距时尺寸较小，形成的裂缝以及贯通面不明显。

表2 爆破成型Tab.2 Blasting Forming

⑵同等药量下的不同间距的振速变化规律如图13 所示，在不同的炮孔间条件下，当距离炮孔的距离都为10 cm 时，只有间距50 cm 时的衰减速度比较缓慢，其他3个间距的速度衰减都比较迅速；当距离炮孔20 cm 时，速度在以后的传播中基本上处于一个平稳的数值，没有太大的变化。

图13 振速规律Fig.13 Law of Vibration Velocity