城市复杂环境下敞开式盾构隧道硬岩松动爆破.pdf

第38卷第1期 2021年3月 Vol. 38 No.l Mar. 2021 bMg d o i10.3963/j. issn . 1001 -487X. 2021.01.006 城市复杂环境下敞开式盾构隧道硬岩松动爆破* 王威皿潢小釘二赠康T伍岳心,徐华建皿,岳制严 1 ■江汉大学湖北武汉爆炸与爆破技术研究院,武汉430056 ；2,爆破工程湖北省重点实验室,武汉430056 ； 3.武汉爆破有限公司，武汉430056 摘要盾构法掘进施工中孤石和基岩侵入已成为影响掘进效率，造成掘进成本提升的重要澎响因素。结 合城市复杂环境下敞开式盾构隧道硬岩爆破工程实践，具体介绍了盾构隧道硬岩松动爆破参数设计选取方 法和安全防护措施,并采用LS-DYNA动力学有限元软件对爆破参数合理性进行数值仿真验算。爆破效果表 明爆破后掌子面存在部分爆坑,裂隙呈龟裂状，为盾构掘进提供了良好的作业条件,有效的提高了掘进效 率。相比于普通矿山法和地面钻孔法施工，松动爆破可减少隧道超挖现象,对周边结构影响较小，可实现盾 构隧道安全、高效和连续掘进的目标。 关键词盾构隧道；松动爆破；数值模拟；爆破参数；爆破效果 中图分类号TD235.3 文献标识码A 文章编号1001 -487X202101-0036-05 Loosening Blasting of Hard Rock in Open Shield Tunnel under Complex Urban Environment WANG Wei1-2-3,HUANG Xiao -wul-2-3, YAO Ying-k ang , WU Yue123 ,XU Hua-jian12 3, YUE Duan-yang1-2-3 1. Hu bei Wu ha n Ex pl o sio n s a n d Bl a st in g Tec hn o l o gy I n st it u t e o f Jia n gha n Un iver sit y, Wu ha n 430056, Chin a ；2. Hu bei Key La bo r a t o r y o f Bl a st in g En gin eer in g, Wu ha n 430056, Chin a ； 3. Wu ha n Ex pl o sio n s a n d Bl a st in g Co r po r a t io n Limit ed, Wu ha n 430056,Chin a Abstract Boulders and bedrock intrusion in shield tunneling has become an important factor affecting tunneling efficiency and leading to the increase of tunneling cost. Combined with the engineering practice of hard rock blasting of open shield tunnel under complex urban environment, the design and selection of hard rock blasting param eters of shield tunnel and safety protection measures were introduced in detail. In addition, the rationality of the blas ting parameters was verified by numerical simulation using LS-DYNA dynamic finite element software. The blasting results show that there are some blasting craters with scattered cracks in the tunnel face after blasting, which provides good working conditions for shield tunneling and effectively improves the tunneling efficiency. Compared with the common mining and the ground drilling , loosening blasting can reduce the overbreak phenomenon of the tunnel with less influence on the surrounding structures. It can also realize the goal of safe, efficient and continu ous excavating of shield tunneling, which can reference for the design and construction of similar projects. Key words shield tunnel； loosening blasting； numerical simulation； blasting parameter； blasting effect 在城市发展过程中，越来越多的地下工程采用 收稿日期2020-11 -10 作者简介王 威1986 -,男，湖北省武汉人,工程师，从事采矿、 工程爆破相关研究与应用工作，E-mail434347099 qq. como 基金项目湖北省重点研发计划项目2020BCA084 盾构法掘进施工。在盾构施工中，敞开式盾构由于 工作面支撑方式及工艺简单,灵活性高,常用于较小 断面软弱岩层隧道开挖。但在实际施工中,经常会 遇到球状风化孤石和基岩侵入问题，使得开挖断面 内岩石强度差异大,造成盾构掘进受阻,掘进效率低 第38卷第1期王 威，黄小武,姚颖康，等 城市复杂环境下敞开式盾构隧道硬岩松动爆破37 下，作业成本显著提升⑴。 在盾构法施工中,基岩及孤石较多采用爆破法 处理,主要目的是破坏岩石完整性，增加岩石节理裂 隙，降低岩石强度。为了降低掌子面钻孔爆破对盾 构设备的影响,近年来,更多的采取地面直接钻孔， 采用合理的爆破参数对盾构施工中遇到坚硬的球状 花岗岩体和坚硬的基岩突起进行爆破破碎,使破碎 后的粒径满足盾构机出渣口的需要。目前,地面钻 孔爆破技术已成为盾构隧道中处理孤石、基岩侵入 常用的预处理办法2。 但是,在地面钻孔处理硬岩过程中，由于钻孔孔 径大、深度深、装药量大，不仅造成资源浪费,而且无 法精确的判定岩石形状和爆破后破碎效果。同时, 深孔爆破会对隧道周围岩体和周边结构造成振动和 损伤。为了降低爆破对周边环境的影响，采用矿山 法爆破的破岩方式，确保爆破后工作面岩石达到一 定的破坏程度,又不会产生岩石抛掷对盾构设备造 成破坏,将盾构法和矿山法两者优势相结合,实现隧 道安全、高效、快速掘进⑶羽。结合公司在城市复杂 环境条件下敞开式盾构隧道掌子面硬岩爆破施工实 践,采用数值模拟方法,验证敞开式盾构掘进掌子面 硬岩爆破设计参数的合理性，探究掌子面岩石破碎 规律，为城市复杂环境下敞开式盾构隧道硬岩处理 提供了新的设计施工思路。 1工程背景 两湖泵站周边配套管网工程位于武汉市洪山 区，隧道全长3. 3 k m,分为盾构段和顶管段施工。 其中盾构隧道区间全长1.6 m,周边分布有锦绣龙 城小区高楼、高压电线,紧邻武汉市三环线（龙城路 至周店路区间段），交通流量大。隧道走向上有 220 k V高压铁塔，距锦绣龙村小区住宅楼及地下停 车场最近为17.6 m,距离三环线最近20 mo 盾构隧道采用敞开式盾构（半机械挖掘式）法 施工，隧道截面直径为4.0 m,线路埋深15. 1〜 20.0 m。其地质情况大致分为两段一段软土地层， 主要穿越黏土、红黏土，全程750 m；另一段为岩层 地质，主要穿越中风化石灰岩、中风化石英砂岩、中 风化砂岩、中风化泥岩和中风化泥质砂岩等,岩层地 质全长燹5 m,节理较发育，但多被方解石脉充填, 岩芯表面少见溶蚀现象,岩芯多呈短柱状及碎块状, 取芯率约70〜90。岩体较完整，最大强度为 103 MPa ,属较硬岩，基本质量等级为皿级。在施工 过程中，由于部分区间岩石较硬，严重影响盾构施工 速度,为了加快施工进度,拟采用爆破方式辅助岩石 破碎，加快施工进度。见图1。 7 4 K 10 中 一 \ -2 \ -2 1 1 土 黏 4 4 风化 风化一 / / 风 化 \ \ \ \ / 7 / 7 段 构 盾 -T-I 灰岩 图1盾构岩石地质剖面 Fig. 1 Geological section of shield rock 2盾构隧道岩石爆破技术分析 炸药在岩体中爆炸后，将岩体的变形与破坏分 为以下几个区域，爆炸空腔（厂）、破碎区（QGV b）、径向裂隙区（b c）,以及径向裂隙区之外的 弹性区（d e）】“。见图2。 爆炸空腔 破碎区 径向裂隙区弹性区 图2岩石破坏分区 Fig. 2 Rock failure zones 根据理论公式推导，得到最大分区半径Q喰、 ha x和％的计算公式 式中幺3 二 0C\ / 1 a】二 2 sin 卩/ 1 ”cbc 6 Cma x 久 6 ma x sin 0 丿； 2 3 式中辺。为装药半径;6为岩石的单轴拉伸强 度;久为岩石的单轴抗压强度；G为岩石的剪切模 量;了为剪切变形变化率;卩为内摩擦角。若采用水 平钻孔方式,钻凿直径为42 mm,计算得到中风化岩 石的破坏分区半径为Qma x 2.4 c m,bmax 9. 8 c m, Cma x 42.6 c mo 3施工方法与爆破参数 在盾构机掘进作业中，盾构机前段设备较多,包 38爆破2021年3月 括液压挖掘机、皮带输送机、管片安装机以及操作室 等，其中包含了较多的精密液晶显示设备，为了保证 设备安全，不造成经济损失以及影响工程的正常进 行，采用掌子面松动爆破方法,增加岩石节理裂隙， 降低岩石强度，对爆破松动深度和范围进行有效控 制,避免爆破岩石抛掷,做到炸而不飞，保证盾构机 顺利的开展工作⑺O 爆破参数的选择直接影响到松动爆破的效果和 盾构机是否可以顺利的开展掘进工作,炮孔布置遵循 “少打孔，弱爆破”的设计原则,以最少的成本实现最 快的掘进效率89］。结合前述计算数值，设计炮孔间 距为掏槽孔孔距80 c m,炮孔深度2.2 m；辅助孔孔距 95 c m,炮孔深度为2.0 m。鉴于隧道底部为敞开式盾 构机较难开挖区域,布孔相对密集,底部周边孔孔距 65 c m,炮孔深度为2.0 m。将整个掌子面分为上下两 个区域，下部区域分为由中心向外分为掏槽孔、辅助 孔和周边孔三层。为了防止上部区域产生飞石，布置 两排炮孔。炮孔布置图如图3所示。 图3隧道开挖布孔及起爆网路示意图单位cm Fig. 3 Tunnel excavation blasting parameter unit cm 掏槽孔单孔装药量为1200 g,采用连续装药结 构;辅助孔及上部区域炮孔单孔装药量为900 g,采 用分段装药结构,炮孔底部装药600 g,采用炮泥间 隔50 c m,再装药300 g,剩余部分采用炮泥进行堵 塞;底部周边孔单孔装药量均为600 g,采用分段装 药结构，炮孔底部装药300 g,采用炮泥间隔50 c m, 再装药300 g,剩余部分采用炮泥进行堵塞。每循环 进尺累计装药量为19. 2炮，平均炸药单耗约为 0.76 k g/m3o在堵塞作业中，要保证堵塞质量和长 度，防止冲孔。起爆网路采用孔内延时毫秒非电导 爆管起爆网路,MS1〜MS9段雷管起爆，跳段使用。 炮孔起爆网路顺序见图3。 为了确保爆破安全，采用废弃运输皮带制成卷 帘悬挂在盾构机前部机头部位进行安全防护,皮带 采用铁丝串联在一起，防护示意图如图4所示。 图4盾构机前端皮带防护示意图 Fig. 4 Schematic diagram of belt protection 4数值仿真验算与分析 4.1模型建立 为验证盾构隧道岩石爆破参数的合理性，探索 岩石爆破破碎规律，采用LS-DYNA动力学有限元软 件进行数值仿真验算。为简化计算模型，提升计算 效率，选取盾构隧道的一个爆破断面，构建1/2单层 实体网格模型，如图5所示。隧道计算模型半径为 开挖半径的1. 5倍，选用SOLI D164六面体单元对 整个模型进行网格划分，单元尺寸为2 c m,炮孔单 元局部细化处理,得到单元数为12576,节点数为 25506o 开挖轮廓 图5盾构隧道1/2有限元模型 Fig. 5 Shield tunnel 1/2 finite element model 对称边界 无反射边界 利用状态方程模拟爆炸过程中的压力与体积的 关系，通常有 La gr a n ge、Eu l er 和 ALE Ar bit r a r y La gr a n ge-Eu l er 3 种算法可供选择。其中，Eu l er算法 第38卷第1期王 威，黄小武,姚颖康，等 城市复杂环境下敞开式盾构隧道硬岩松动爆破39 要求建立炸药爆炸的作用空间,单元数量剧增，影响 计算效率;ALE算法的计算参数较多且敏感性较 大，时常出现负体积或节点速度无限大的情况而导 致计算中止;采用La gr a n ge算法,通过合理地划分单 元，可得到与实际接近的爆破效果。 炸药材料模型选用* MAT_HI GH_EXPLOSI VE_ BURN材料模型，2岩石乳化炸药的密度为 1090 k g/n ,炸药爆速 4000 m/s ,爆压 4. 36 GPao 采用JWL状态方程描述爆轰产物中压力和内能及 爆轰产物的相对体积之间的关系。见表1。 P二心一旦严引1 _吗严哮 4 \ R.V \ R2V V 式中V为爆轰产物的相对体积;E为爆轰产物 的比内能泌』为常数；R]、R2为无量纲常数2为 Gr u n eisen 参数。 表1爆轰产物状态方程参数 Ta bl e 1 Eq u a t io n o f st a t e pa r a met er s o f d et o n a t io n pr o d u c t s A/GPaB/GPa累积损 伤通过塑性体积应变、等效塑性应变和压力三个变 量来衡量。见表2。 / 二[ 41 -D 阳“][1 -c l n *] 5 式中7为损伤参数;P*二啟为标准化的压 力；*二匸/旳为应变率,无量纲单位。 表2岩石物理力学参数 Ta bl e 2 Phy sic a l a n d mec ha n ic a l pa r a met er s o f r o c k s p/ cm s G/GPaABCNFC/MPa77MPa8EFMIN 240014.80.791.600.0070.6148.04.01.00.01 SFMAXPC/MPaUCP厶/MPaUL Did2 K/GPaK2/GPa“GPa 7.016.00.0018000.10.041.085.0-171.0208.0 4.2数值模拟结果分析 按照爆破设计的炮孔起爆顺序设置各炮孔延期 时间，隧道断面岩石破碎模拟过程如图6所示。可 见，中部3个掏槽孔最先起爆后,爆炸应力波以球面 波的形式向外传播，炮孔周围岩石开始出现裂纹并破 碎,随着应力波的传播，破碎区域包含裂纹区不断 扩大。50 ms时刻，下部区域5个辅助孔开始起爆，炮 孑L周围出现破碎区并向外发展。110 ms时刻,下部区 域周边孔开始起爆,出现破碎区;在140 ms时刻，掏 槽孔炸药应力波在中部岩石区域相互叠加,出现应力 集中。上部区域的两排排炮孔相继在200 ms、310 ms 时刻开始起爆,在爆炸应力波的作用下,炮孔周围相 继形成破碎区。同时，周边孔孔间应力波开始叠加, 出现明显的应力集中，裂纹相互贯通。随着应力波在 传播过程中的不断衰减,爆炸产生的拉伸波小于岩石 的抗拉强度，各炮孔的破碎区域不再扩大。 才0 ms t30 ms t230 ms/340 ms 图6隧道岩石破碎过程模拟结果 Fig. 6 Simulation results of rock crushing process in tunnel 40爆破2021年3月 如图7所示为隧道断面爆破模拟效果,整个断 面内的炮孔周围均产生不同程度的破碎区域，破碎 区直径在40〜55 c m之间;上部区域炮孔破碎区域 未超出隧道断面开挖轮廓线，基本不伤害上部围岩, 确保顶部围岩的完整性;下部区域1号和2号周边 孔之间贯通,其余周边孔有沿着轴向贯通趋势,这是 由于周边孔之间有应力集中过程,促进周边孔之间 岩石的裂纹扩展。其次下部周边孔破碎区域超出开 挖轮廓线，有一定程度的超挖，对图7中1〜6号周 边孔的超挖值进行测量，测量结果分别为 50 c m、 9. 14 c m、8. 69 c m、9. 12 c m、9. 81 c m、16. 10 c m,其 中6号周边孔受到附近三个炮孔爆炸应力波的多次 叠加汇聚，导致超挖量最大。综上所述，上文设计的 爆破参数可以达到松动盾构隧道断面岩石的效果, 以提升盾构机的掘进效率。 7200 图7隧道爆破模拟效果图单位cm Fig. 7 Simulation effect of tunnel blasting unitcm 5爆破效果分析 以上爆破施工方案在两湖泵站盾构隧道硬岩段 进行了应用,经观察，爆破几乎无飞石产生部分爆 破产生个别飞石，被皮带卷帘挡住，液压挖掘机、 皮带输送机、管片安装机以及操作室等其他精密液 晶显示设备在每次爆破后都完好无损。爆破后掌子 面存在部分小爆坑,炮孔周围均产生不同程度的破 碎区域，裂隙呈龟裂状,爆破为盾构挖掘提供了良好 的作业条件。上部区域炮孔破碎区域未超出隧道断 面开挖轮廓线,隧道顶部围岩整体性好，可有效减少 超挖现象，节约支护材料用量，抑制支护隧道变形。 爆破效果与数值模拟结果相似，验证了数值模拟的 合理性。 在未采用爆破方式辅助岩石破碎的情况下，敞 开式盾构在硬岩中日均进尺不足1 m,在采用松动 爆破方式后,单次掘进进尺可达到2. 5 m,日均进尺 可达到5 m,有效的提高了掘进效率,降低了敞开式 盾构的损坏程度。 根据爆破监测数据，小区绿道处距离爆破点 平均距离约25 m左右爆破振动速度最大为 0.595 c m/s ,小区住宅楼基础处距离爆破点平均距 离约35 m左右爆破振动速度最大为0. 189 c m/so 综合监测数据表明，相比于普通矿山法和地面钻孔 法施工，松动爆破炸药单耗小，对周边结构影响 较小。 6结论与建议 1 采用松动爆破和敞开式盾构机结合的施工 方案，可以将矿山法和盾构法的优缺点互补,有效的 提高敞开式盾构在硬岩中的掘进效率。并且，在保 证爆破效果的基础上，可以有效降低爆破对围岩的 扰动,减少超挖现象,节约支护材料用量，具有可观 的经济效益。 2 通过数值模拟结果和实际施工对比，可以 尝试在实际施工时,在原方案基础上,将下部周边孔 到开挖轮廓线的间距增大10 c m,以控制超挖量。 结合敞开式盾构机的特点进一步优化施工工艺,采 用精细爆破技术进一步优化爆破参数,实现快速和 连续的施工。 3 充分考虑爆破诱发的诸如爆破振动和爆破 飞石等有害效应,应从“主动控制”和“被动防护”两 方面同时着手，主动控制及通过选取合理的爆破参 数控制有害效应的产生，被动控制为采取有效防护 措施对盾构设备和周边结构进行保护。 参考文献References [1] 沈顺平，陈建洲,林育仁复合地层海底隧道盾构岩石 控制爆破技术[J]工程爆破,2020,262 65-68. 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