考虑裂隙岩体爆破损伤的装药结构研究.pdf
第3 6 卷第1 期 爆破 V o l 3 6N o I 2 0 1 9 年3 月B L A S T I N G M a r .2 0 1 9 d o i 1 0 .3 9 6 3 /j .i s s n 1 0 0 1 - 4 8 7 X .2 0 1 9 .0 1 .0 11 考虑裂隙岩体爆破损伤的装药结构研究水 唐海,易帅,王建龙,丁安松,焦兵 湖南科技大学资源环境与安全工程学院,湘潭4 11 2 0 1 摘要 装药结构是改善裂隙岩体爆破效果的重要因素,结合某隧道爆破掘进工程,通过地质雷达现场岩 体损伤探测及柱状装药爆破损伤理论估算,获取隧道掌子面前部裂隙岩体爆破损伤规律,并提出基于其爆破 损伤规律的装药结构。雷达探测发现隧道掌子面前部裂隙岩体受爆破开挖损伤明显,Ⅳ级岩体的裂隙区范 围最大值约2 .4m ,Ⅲ级岩体为1 .8m ,均位于下一装药区域内,理论计算与雷达探测结果基本一致。利用获 得的掌子面前方裂隙岩体的爆破损伤规律,提出了“减药非连续装药”装药结构,可减少裂隙区炮孔二分之 一装药量。实践证明该装药结构能提高爆破有效能,降低工程成本与围岩损伤。 关键词爆破损伤;裂隙岩体;地质雷达;减药非连续装药 中图分类号U 4 5 5 .6文献标识码A文章编号1 0 0 1 - 4 8 7 X 2 0 1 9 0 l 一0 0 7 0 0 7 S t u d yo nC h a r g eS t r u c t u r eb a s e do n B l a s t i n gD a m a g eo fF r a c t u r e dR o c k T A N GH a i ,Y lS h u a i ,W A N G 汹L - l o n g ,D I N GA n - s o n g ,j l A oB i n g S c h o o lo fR e s o u r c e s ,E n v i r o n m e n ta n dS a f e t y e n g i n e e r i n g ,H u n a nU n i v e r s i t y o fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ,X i a n g t a n4 11 2 0 1 ,C h i n a A b s t r a c t T h ec h a r g i n gs t r u c t u r ei sa ni m p o r t a n tf a c t o rt oi m p r o v et h eb l a s t i n ge f f e c t o ff r a c t u r e dr o c k .T h i s s t u d yt a k e sat u n n e lb l a s t i n ge x c a v a t i o np r o j e c tf o re x a m p l e .T h ed a m a g ed e t e c t i o no fr o c ki s c a r r i e do u tb yg r o u n d p e n e t r a t i n gr a d a ra n dt h ed a m a g et h e o r yo fc y l i n d r i c a lc h a r g eb l a s t i n gi su s e dt oe s t i m a t et h ed a m a g ez o n e .T h eb l a s r i n gd a m a g er u l eo ft h ef r a c t u r e dr o c km a s si nf r o n to ft h et u n n e le x c a v a t i o nw o r k i n gf a c ei so b t a i n e d .T h e nc h a r g i n g s t r u c t u r eb a s e do ni t sb l a s t i n gd a m a g er u l ei sp r o p o s e d .T h eg e o l o g i c a lr a d a rd e t e c t i o nf o u n dt h a tt h ef r a c t u r e dr o c ki n f r o n to ft h et u n n e le x c a v a t i o nw o r k i n gf a c ew a so b v i o u s l yd a m a g e db yb l a s t i n ge x c a v a t i o n ,t h em a x i m u mv a l u eo ft h e c r a c ka r e af o rg r a d eI Va n dl I Ir o c ki sa b o u t2 .4ma n d1 .8m ,w h i c ha l ll o c a t ei nt h en e x tc h a r g ea r e a .T h er a d a r d e t e c t i o ni sb a s i c a l l yc o n s i s t e n tw i t ht h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o nr e s u l t s .A c c o r d i n gt ot h eb l a s t i n gd a m a g ec h a r a c t e r i s t i c so b t a i n e d ,t h e “r e d u c e da n dd i s c o n t i n u o u sc h a r g i n g ”s t r u c t u r ei sp r o p o s e d ,w h i c hc a nr e d u c eo n e - h a l fo ft h e c h a r g ei nb l a s t - h o l ei nt h ef r a c t u r ez o n e .I ti sp r o v e db yp r a c t i c et h a tt h ec h a r g es t r u c t u r ec a ni m p r o v et h ee f f e c t i v e b l a s t i n ge n e r g y ,w h i c hc a nr e d u c et h ec o s to ft h ee n g i n e e r i n ga n dt h ed a m a g eo ft h es u r r o u n d i n gr o c k . K e yw o r d s b l a s t i n gd a m a g e ;f r a c t u r e dr o c k ;g r o u n dp e n e t r a t i n gr a d a r ;r e d u c e da n dd i s c o n t i n u o u sc h a r g i n g 爆破作为一种高效掘进手段,被广泛运用于隧 洞⋯、巷道与核电基建等工程领域‘2 3 | 。但爆破在 收稿日期2 0 1 8 1 2 3 1 作者简介唐海 1 9 7 0 一 ,男,湖南省祁阳人,博士、副教授,主要 从事采矿与岩石力学方面的教学和研究, E - m a i l t a n g h a i 7 0 7 2 9 8 1 6 3 .c o m 。 基金项目国家自然科学基金资助项目 5 1 3 7 4 1 0 4 带来高效的工程经济效益的同时,也会导致诸如对 围岩体的累积损伤HJ 、临近硐室稳定等一系列的问 题【5J 。隧道爆破对岩体的破坏作用由近至远分为 粉碎区、裂隙区与振动区,其中粉碎区为破碎岩体, 主要对隧道掌子面起破岩作用;裂隙区发育有径向 裂隙、环向裂隙和剪切裂隙,容易引发隧道掌子面围 万方数据 第3 6 卷第1 期唐海,易帅,王建龙,等考虑裂隙岩体爆破损伤的装药结构研究 7 l 岩体损伤;振动区分布最远,影响隧道围岩、邻近边 坡及构 建 筑物稳定【6 。0 | 。同时,考虑到岩体内含 天然结构面的自然性质,研究发现其结构面的厚度、 角度均会影响爆破效果【1 1 | 。现场监测发现,爆破对 隧道掌子面后方围岩会造成一定范围内围岩松动圈 的再扩展,对掌子面前部岩体会产生的一定深度的 塑形区2 。14 | 。目前,由于隧道掌子面前部岩体的探 测与试验条件困难,导致对其损伤规律的研究成果 还相对较少,而掌子面前部岩体作为下一进尺的爆 破主体,其损伤规律影响着隧道循环爆破效果与围 岩稳定性,研究成果对工程爆破设计具有一定的参 考意义。 目前,基于爆破在隧道工程上的广泛应用,通过 工程爆破现场实测数据,分析研究隧道爆破损伤规 律,优化工程爆破设计,是一种较为常用的研究手 剧”删。因此,基于某隧道爆破掘进工程,通过现场 地质雷达探测试验,采用柱状炮眼装药模型数值计 算,分析爆破荷载对掌子面前部裂隙岩体的损伤规 律,并基于炮眼结构对提高爆破效果的影响旧1 ’22 | ,进 一步探究炮眼装药结构,以提高爆破有效能,降低爆 破造成爆破飞石、围岩损伤等影响,为隧道爆破技术 的发展提供一定实践经验与理论基础。 1 工程概况 隧道所在区属剥蚀丘陵地貌区,最大埋深约 A 实验区域 K 6 3 1 0 0 隧洞围岩为中风化花岗岩.Y K 6 3 . 2 5 0 Y K 6 3 3 0 0 裂骧发育.岩质坚硬.岩体较 隧洞围岩为徽风化花l i l l l l .完整性系散o .4 ,I 岗岩,岩体较完整.坚硬,l B Q 2 8 8 。I 块状结构.圈岩稳定。完l I t l f t i t i l n 船,B Q - 4 2 8 1 5 9 .5 3m ,山体主要由燕山期的黑云母花岗岩构成, 局部受构造及风化作用影响节理、裂隙发育。隧道 设计为分离式隧道,右线起讫桩号Y K 6 2 8 0 3 一 Y K 6 5 3 1 0 ,总长2 5 0 7m ,隧道左线起讫桩号Z K 6 3 8 1 5 ~Z K 6 5 3 1 2 ,总长2 4 9 7m 。隧道围岩分为Ⅲ- V 级岩体,其中V 级岩体主要分布于隧道进出E l ,总 长7 2 4m ,占隧道全长的1 4 .5 %;1 V 级岩体主要分布 于隧道两侧,总长1 5 3 0m ,占隧道全长3 0 .6 %;I n 级 岩体主要分布于隧道中段,总长2 7 5 0m ,占隧道全长 的5 4 .9 %。隧道断面为圆拱形,宽1 8 .2m 、高 1 2 .4 1m 。 2 试验选区 2 .1 试验区 如图1 所示,为研究爆破对现场复杂裂隙岩体 损伤规律,根据工程地质与现场施工进度,分别选取 隧道右进口Y K 6 3 1 0 0 一Y K 6 3 3 0 0 作试验A 区 域,其中Y K 6 3 1 0 0 一Y K 6 3 2 5 0 区段围岩为Ⅳ级 岩体,Y K 6 3 2 5 0 一Y K 6 3 3 0 0 区段围岩为Ⅲ级岩 体;左进口Z K 6 3 2 5 0 一Z K 6 3 4 5 0 作试验B 区域, 区域围岩皆为Ⅲ级岩体。试验区围岩体多为镶嵌碎 裂结构、发育有节理的裂隙岩体,其结构面相互牵 制,整体强度较高。根据现场室内试验与工程地质 资料,试验区岩层参数如表1 所示。 j ■㈡iio j j 一≯4 ‘- 4 - i ,.;- { f t - 一{ ‘一j ‘,j 。} 。~’ 善≥譬尊等等吣 , p 十_ f 彳 tH .i ’ 髻※l ≮I I o ※0 叠 B 实验区域 罐嗣田岩为鼍风化花岗岩.1麓谰皤岩为教风化花岗岩,l I 岩体较完整.坚硬,块状结构.1 譬} 体较完整.坚硬.块状结构,l l 裂骧较发育。完整性系散o7 .1 喝岩稳定。完萎性系数o8 8 . B Q 3 8 3B Q 4 2 8 图1 试验区隧道纵剖面图 F i g .1L o n g i t u d i n a ls e c t i o no ft u n n e li nt e s ta r e a ∞ ∞ ∞ 加 m ∞ ∞ ∞ 加 ∞ ∞ 加 Ⅲ,怄烬略簧 如 ∞ 如 加 m ∞ ∞ 踮 加 ∞ 如 柏 Ⅲ,惺蠖峭霉 万方数据 7 2爆破 2 0 1 9 年3 月 表1 试验区岩石力学参数 T a b l e1T h em e c h a n i c a lp a r a m e t e r so fr o c ki nt h et e s ta r e a 2 .2 试验区爆破设计方案 现场隧道爆破采用2 号岩石乳化炸药,炸药规 格为西3 2m m ,长度3 2 0r n m ,每卷重量3 0 0g 。如 图2 、表2 所示,隧道Ⅳ级岩体采用分部光面爆破开 挖,图中①一⑥,表示先后爆破顺序;隧道Ⅲ级岩体 采用半断面开挖。 表2 爆破设计参数主要指标 T a b l e2M a i np a r a m e t e r so fb l a s t i n gd e s i g np a r a m e t e r s 贼Z 缝麟强 l a 上.。.⋯土 日● 一i I 到..~..P9l 鼍’F 篇牌j 虱蕊。嘭7 譬 试』。墨。嘉菇荔躺 。- e 1 } ‰~ a I V 级围岩分部爆破 a S u b s e c t i o nb l a s t i n go fg r a d eI Vs u r r o u n d i n gr o c k b m 级围岩半断面爆破 b S e m i - s e c t i o nb l a s t i n go fg r a d e Ⅲs u r r o u n d i n gr o c k 图2 爆破设计图 单位c m F i g .2B l a s t i n gd e s i g nd r a w i n g u n i t r a m 2 .3 工程实测方案 根据以往的研究表明【23 | ,采用地质雷达探测能 有效探测掌子面前部岩体,能有效获取岩体内部不 良地质情况。爆破掘进过程中,为了准确测定受爆 破影响后的岩体损伤,考虑爆破后岩体应力调整的 时间3 | ,以及钻炮眼的影响,选择钻眼前3h 左右 为探测时间。由于L T D - 2 1 0 0 地质雷达的有效探测 深度为2 5m ,根据探测掌子面前部裂隙岩体的性质 和结构特征,结合以往经验与工程进度,探测试验选 择1 0 0M H z 天线,每2 0m 探测一次掌子面 试验期 间,根据现场工程进度可作适当调整 。探测时,天 线沿测线尽可能贴近掌子面均匀移动,间隔2 0c m 图3 。考虑到隧道围岩条件复杂,根据现场岩石 试验,选取合适的介电常数。 ‰罐麓嵫 a 隧道掌子面图片 b 雷达测线布置图 a P i c t u r eo f t h e t u n n e l f a c e b L a y o u t o f r a d a r s u r v e y l i n e 图3 隧道示意图 F i g .3 S c h e m a t i cd i a g r a mo ft h et u n n e l 3 实测数据分析 3 .1 探测数据分析与统计 目前左线进口掌子面已进入微风化花岗岩岩 层,岩体较完整,岩质坚硬,岩体渐呈块状结构,隧道 周围围岩日趋稳定,局部裂隙发育。选取Z K 6 3 万方数据 第3 6 卷第1 期唐海,易帅,王建龙,等考虑裂隙岩体爆破损伤的装药结构研究 7 3 2 9 2 断面进行地质雷达探测,探测路线见图3 b 所 示,得到了地质雷达测线剖面图和单道波形图,为便 O 1 0 0 { 2 0 0 ∥ 蠖 田 廿3 0 0 4 0 0 a 口测线 a S u r v e yl i n ea 。 5 1 0 藩 莉 s 宇 2 。 2 5 / ≥ - ■ ; ; ; ; } ; ; } ; ; ; 于直观分析,选取其中某一条波形置于测线右侧,结 果详见图4 所示。 0 1 0 0 { 2 0 0 世 妪 口 b3 0 0 b 6 侧线 b S u r v e yl i n eb 图4Z K 6 3 2 9 2 断面雷达探测波形图 F i g .4 R a d a rd e t e c t i o nw a v e f o r I no fZ K 6 3 2 9 2s e c t i o n 从图4 分析可知,Z K 6 3 2 9 2 掌子面前部0 .0 2 .0m 区域内波形振幅高、衰减较快,为明显的裂隙 密集带;2 .0 ~1 0 .0m 区域中部及中部右侧部位波 形杂乱、衰减规律性差,有局部裂隙发育的征兆; 1 0 2 5m 区域范围波形振幅较小,规律性较好,表 1 1 0 藩 莉 s 宇 2 。 2 5 , ; } i ; ; j , ● 明岩体整体性好。因此,结合前期勘探资料可知, Z K 6 3 2 9 2 掌子面前部0 .0 ~2 .0m 区域受爆破开 挖影响明显,岩体裂隙发育密集。试验区其它探测 点的岩体爆破损伤情况,见表3 。 表3 爆破损伤统计数据 T a b l e3S t a t i s t i c a ld a t ao fb l a s t i n gd a m a g e 3 .2 探测试验结论 从表3 可知,Ⅳ级岩体区域隧道掌子面前部爆 破损伤边界为2 .4m ,约1 .1 4 倍循环进尺,1 1 4 倍炮 孔半径;1 1 I 级岩体区域采用半断面光面爆破,隧道掌 子面前部爆破损伤边界为1 .8m 左右,为0 .5 4 倍循 环进尺,8 6 倍炮孔半径。 4 装药设计研究 4 .1 理论计算 在爆破过程中,爆炸能量一部分以冲击波的形 式破碎近区岩石,之后衰减为应力波对岩石造成损 伤,最后衰减为地震波不会损伤岩石。根据相关研 究成果与现场炮眼设计【8J ,采用柱状炮眼装药模 型,对于爆炸产生的爆轰波作用在装药孔孔壁岩石 界面上的初始冲击压力P 。可按照弹性碰撞理论进 行计算,其计算公式如下 p 一p O D - v 塑 £ ,1 、 1 8 1 7 “p o D P o C P \1 / 式中p o 为炸药装药密度,k g /m 3 ;p 为岩石密 度,k g /m 3 ;D 为炸药的爆轰速度,m /s ;C P 为岩体的 纵波波速,m /s ;7 为等熵指数,取3 .0 。根据钻孔声 波测试结果,中风化花岗岩平均纵波波速在2 7 1 0 ~ 4 0 0 0m /s ,取中值3 3 5 5m /s ;微风化花岗岩平均纵波 波速在4 1 5 0 4 6 0 0m /s ,取中值4 3 7 5m /s 。乳化炸 万方数据 7 4 爆破2 0 1 9 年3 月 药D 取4 0 0 0m /s 、P 。为1 3 0 0k g /m 3 ,可计算出孔壁 岩石界面上的初始冲击压力Ⅲ级岩体尸出 7 .1 5X 1 0 9P a 、Ⅳ级岩体P 出 6 .5 2X 1 0 9P a 。 假设岩石为无限各向均质的介质,引入爆破应 力波波峰应力值在岩体传播时的衰减规律,并以岩 石动态抗压强度、岩石动态抗拉强度作为爆破破碎 区、裂隙区边界峰值应力,计算式为坤。 只巴f 旦1 8 2 、r / 一去 M d 20 .8 u P , 盯。。 破碎区边界 P , 盯耐 裂隙区边界 盯耐2 盯cX 占3 3 4 5 6 7 盯“ 盯。 8 式中P ,为岩体内任意爆源距处的爆破应力波 波峰应力值,P a ;d 为炮孔半径,m ;r 为爆源距,m ;o 为载荷衰减指数;M 。为动态泊松比;M 为静态泊松 比。式 3 中正、负号分别代表冲击波区、应力波 区。盯。。为岩石动态单轴极限抗压强度,P a ;盯。为岩 石单轴极限抗压强度,P a ;占为加载应变率,S ~,为 便于计算取1 0 3 ;盯斑为岩石动态单轴极限抗拉强度, P a ;叽为岩石单轴极限抗拉强度,一般为抗压强度 的1 /3 8 1 /5 ,计算取中值1 /1 5 ,P a 。 将表1 中的岩石参数代入式 2 一 8 ,得到爆 轰波作用下掌子面前部破碎区边界分别约为 0 .0 5 5i n Ⅲ级岩体 、0 .0 6 3m Ⅳ级岩体 ;裂隙区 边界分别为1 .7 8m m 级岩体 、I .9 2m 1 V 级岩 体 。理论计算与实际工程实测相近,受岩体裂隙 发育、应力调整等因素影响,实测裂隙损伤区范围大 于应力波裂隙区计算值。 结合现场探测试验可知,爆破开挖作用下,隧道 掌子面前部破碎区范围较小,无明显波形信号,可能 是破碎区的岩体爆破后在重力作用下大部分垮落 了,对下一进尺影响较小;裂隙区范围较大,有明显 波形信号衰减,虽然不同裂隙岩体的裂隙区范围相 差较大,但均分布在下一进尺装药区域内,对进尺影 响较大。 4 .2 隧道循环进尺内损伤分布 根据现场实测与理论计算可知,在爆破掘进过 程中,掌子面前部一个循环进尺范围内岩体损伤包 含有破碎区、裂隙区与原岩区 图5 。如图所示,破 碎区受爆破冲击波作用,岩体破碎较严重,但范围较 小;裂隙区在爆破应力波作用下,岩体发育有环向、 径向裂隙,然后受爆生气体的“气楔作用”进一步扩 展裂隙,形成范围较大的裂隙密集带;原岩区则视作 不受爆破开挖影响,保留原岩强度。 图5 循环进尺内岩体损伤 F i g .5a m a g eo fc y c l i c a lf o o t a g e 5 爆破设计研究 子面 5 .1 基于爆破损伤的装药结构设计思路 针对进尺内岩体损伤规律,为提高爆破有效能, 降低爆破造成爆破飞石、围岩损伤等影响,在原炮眼 装药设计基础上,提出“减药非连续装药”炮眼装药 设计方案,该方案主要根据炮眼中存在的破碎区、裂 隙区与原岩区,进行分区装药。设计炮眼原岩区保 留原炸药量,采用连续耦合装药,达到破岩的作用; 裂隙区减少炸药量,采用非连续耦合装药,降低爆破 造成爆破飞石、围岩损伤等影响,节省工程经济成 本;堵塞炮眼破碎区,提高炸药爆破能利用率。 5 .2 基于现场爆破设计的装药结构优化 下面以隧道Ⅲ级岩体爆破为例,进行炮眼装药 结构研究。原爆破设计参数如表4 所示,炮眼装药 结构如图6 所示,周边眼装药结构采用间隔不偶合 装药形式,其它炮眼均采用连续耦合装药结构形式。 表4l l I 级围岩爆破参数 T a b l e4 B l a s t i n gp a r a m e t e r so fg r a d eH Ir o c k 万方数据 第3 6 卷第1 期 唐海,易帅,王建龙,等考虑裂隙岩体爆破损伤的装药结构研究 7 5 b 其他眼 b O t h e rb l a s t - h o l e 图6 原炮眼装药结构图 F i g .6C h a r g es t r u c t u r eo fo r i g i n a lb l a s t - h o l e 根据现场实测数据与工程实际,设计炮眼裂隙 区装药量为原设计的二分之一,原岩区装药量不变, 采用“减药非连续装药”结构。优化后爆破药量如 表5 所示,装药结构如图7 所示。非连续装药药卷 使用导爆索相连,炮泥堵塞长度应不小于1 .0m ,使 炸药在受约束条件下提高爆破有效能。对现场同类 岩石进行爆破试验对比,炮眼“减药非连续装药”装 药结构节省了炸药总量8 .4 2k g ,爆破后掘进效果良 好、爆堆明显,现场振动监测值在安全阈值内。 表5 “减药非连续装药”优化设计参数 T a b l e5 O p t i m u md e s i g np a r a m e t e r so f “r e d u c e da n dd i s c o n t i n u o u sc h a r g i n g ” 6 结论 a 周边眼 a P e r i p h e r yh o l e b 其他眼 b O t h e rb l a s t - h o l e 图7 “减药非连续装药”结构图 单位m F i g .7 S t r u c t u r ed i a g r a mo f “r e d u c e da n dd i s c o n t i n u o u sc h a r g i n g ” u n i t m 1 通过现场地质雷达探测试验与理论计算研 究发现,在爆破掘进过程中,隧道掌子面前部裂隙岩 体受爆破损伤形成破碎区、裂隙区与原岩区。隧道 掌子面前部破碎区范围较小,裂隙区范围较大,且裂 隙区受岩性影响明显,Ⅳ级岩体裂隙区范围大于Ⅲ 级岩体。 2 基于裂隙岩体爆破损伤规律,提出“减药非 连续装药”炮眼装药设计方案。炮眼原岩区保留原 炸药量,采用连续耦合装药;裂隙区减少炸药量,采 用非连续耦合装药;破碎区不装药,全堵塞。实践证 明,该装药结构提高了爆破有效能,降低了爆破造成 爆破飞石、围岩损伤等影响与工程成本。 致谢感谢湖南科大工程检测中心及广东中 人集团建设有限公司的汪惠真高级工程师、高正工 程师提供的地质雷达测试资料及现场爆破实验。 [ 1 ]蔡海栋.晋中东山供水工程输水线路1 号隧洞爆破设 计[ J ] .云南水力发电,2 0 1 6 ,3 2 2 7 9 - 8 2 . 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