一种深埋隧洞全断面毫秒爆破方法

摘要

一种深埋隧洞全断面毫秒爆破方法，根据掌子面上弹性应变能密度分布位置，采用毫秒电雷管，掏槽炮孔分两段起爆，崩落炮孔、缓冲炮孔和光爆炮孔分四段起爆，各段炮孔个数相接近，按照由内向外、各圈内应变能密度由低到高的顺序进行爆破。通过改变炮孔起爆网路，控制弹性应变能的释放速率和强度，进而减弱应变能快速释放引起的围岩动力扰动。采用本方法在开挖面上应变能快速释放引起的峰值质点振动速度仅为常规爆破方法的40-50%，可广泛应用于水电、交通、矿山等行业深埋隧洞爆破开挖。

说明书

技术领域

本发明涉及岩土工程技术领域，具体的说是一种深埋隧洞全断面毫秒爆 破方法。

背景技术

随着我国西南地区水电建设的进一步深入及矿产资源开采深度的日益增 加，深埋隧洞的爆破开挖在工程建设中日益普遍。由于埋深较大或构造运动 强烈，隧洞岩体的地应力水平往往较高，积累了巨大的弹性应变能。爆破开 挖过程中随着炸药爆炸，被开挖岩体瞬间破碎、开挖面上的地应力突然卸除， 储存在岩体中的弹性应变能向临空面快速释放，引起掌子面附近的围岩应力 迅速调整。由于开挖速度快，这种高应变能的突然释放可能会造成围岩突发 大变形，并进一步诱发剧烈的岩爆，影响施工进度及洞室结构稳定，并严重 威胁施工人员和设备的安全。

岩体在三向压应力作用下产生变形，假设该物理过程与外界没有热交换， 在主应力空间中，岩体弹性应变能密度e为：

$e=\frac{1}{2E}[{{\sigma }_1}^2+{{\sigma }_2}^2+{{\sigma }_3}^2-2\mu ({\sigma }_1{\sigma }_2+{\sigma }_2{\sigma }_3+{\sigma }_1{\sigma }_3)]---\left(1\right)$

式中：σ_j为主应力，j=1、2、3；E为岩体弹性模量；μ为岩体泊松比。

一定体积的岩体含有n个岩体单元，所包含的应变能U为：

$U=\underset{k=1}{\overset{n}{\Sigma }}{e}_k·V_k---\left(2\right)$

式中：V_k为第k个岩体单元的体积。

被开挖岩体由于应力卸除释放其所有的弹性应变能，同时开挖引起周围 保留岩体应力场的变化，由于变形和应力调整也将释放一定的能量，这两部 分能量之和就是开挖释放的能量：

ΔU＝U₁+U₂-U₂′    (3)

式中：U₁、U₂分别为开挖前被开挖岩体和周围岩体的弹性应变能；U₂′为开挖 后周围岩体的弹性应变能。

因此，高地应力区的隧洞爆破开挖要从爆炸和应变能释放两方面控制开 挖引起的围岩动力扰动。而目前的爆破开挖技术往往只针对爆炸本身，采用 弱装药、短进尺和分部开挖等方法从单响药量上控制爆炸引起的围岩动力扰 动。尽管缩短进尺和分部开挖也减小了单次爆破释放的应变能，可以达到一 定的效果，但这是一种单纯以牺牲掘进效率为代价的控制方法。

发明内容

本发明针对深埋隧洞爆破开挖现有的施工技术状况，为减弱弹性应变能 快速释放引起的围岩动力扰动，提供一种优化的深埋隧洞全断面毫秒爆破方 法，以达到加快施工进度、保证洞室结构稳定和工作人员人身安全的目的。

本发明的原理在于：通过改变炮孔起爆网路，控制弹性应变能的释放速 率和强度，进而减弱应变能快速释放引起的围岩动力扰动。深埋隧洞往往处 于非静水压力条件下，掏槽区形成后，掌子面上应变能密度非均匀分布；若 根据应变能密度的极值分布位置，崩落炮孔、缓冲炮孔和光爆炮孔均分段起 爆，各段炮孔个数大致相等，且先爆破应变能密度较低部位的岩体，这样前 期起爆后，由于应力调整，降低了后续爆破的应变能密度较高部位岩体的能 量，从而控制了应变能的释放速率和强度、保证了各段爆破时应变能比较均 匀释放；同时由于应变能密度较低部位的岩体应力较低，先起爆有利于岩体 开裂、裂纹贯通，以达到良好的破碎效果。

本发明一种深埋隧洞全断面毫秒爆破方法，其步骤如下：

(1)隧洞爆破开挖前根据地质勘测资料或数值计算，确定待开挖隧洞岩 体的主应力水平及方向；

(2)按照已有的钻孔和装药参数在开挖掌子面上由里向外依次布置掏槽 炮孔、崩落炮孔、缓冲炮孔和光爆炮孔，进行炮孔装药；

(3)根据主应力水平及方向，由深埋隧洞弹性分布的二次应力状态计算 公式或数值计算确定掏槽后掌子面上任一点的应力状态，并结合岩体的弹性 模量和泊松比，由弹性应变能密度计算公式或数值计算确定掏槽后掌子面上 的弹性应变能密度分布；

(4)掏槽炮孔分两段爆破，根据掏槽后掌子面上弹性应变能密度的极值 分布位置，崩落炮孔、缓冲炮孔和光爆炮孔分四段爆破，按照由内向外、各 圈内应变能密度由低到高的顺序进行爆破。

所述的掏槽炮孔、崩落炮孔、缓冲炮孔和光爆炮孔采用毫秒电雷管分段 爆破，各段炮孔个数相接近。

本发明一种深埋隧洞全断面毫秒爆破方法的优点是：

⑴在现有钻孔布置和装药参数基础上，结合掌子面上的弹性应变能密度 分布，通过改变炮孔起爆网路控制弹性应变能的释放速率和强度，操作简单 易行；

⑵前期起爆后，由于应力调整，降低了后续爆破的应变能密度较高部位 岩体的能量，从而控制了应变能的释放速率和强度、保证了各段爆破时应变 能比较均匀释放；同时由于应变能密度较低部位的岩体应力较低，先起爆有 利于岩体开裂、裂纹贯通，以达到良好的破碎效果；

⑶同常规爆破方法相比，能明显降低弹性应变能快速释放引起的围岩动 力扰动，在开挖面上应变能快速释放引起的峰值质点振动速度仅为常规爆破 方法的40-50%；可广泛应用于水电、交通、矿山等行业深埋隧洞爆破开挖。

附图说明

图1为隧洞主应力方向示意图。

图2为现有技术中炮孔布置与常规的爆破顺序示意图。

图3为掏槽区形成后掌子面上弹性应变能密度分布示意图。

图4为本发明爆破方法的爆破顺序示意图。

图5为据有限元计算的弹性应变能快速释放诱发的围岩质点振动合速度 对比示意图。

图中标记：1为隧洞，2为掌子面上最大主应力，3为掌子面上最小主应 力，4为炮孔，5为弹性应变能密度曲线，数字①—表示各圈各段编号。

具体实施方式

某山体中钻爆开挖一个直径为10m的圆形隧洞1，如附图1所示，采用 全断面毫秒爆破开挖，常规的爆破顺序是各圈炮孔由里向外均一段爆破，如 附图2所示。隧洞埋深大，为缓解爆破开挖时发生大变形和岩爆的可能，本 发明在原有爆破设计基础上优化该爆破施工方法，具体如下：

1．隧洞1爆破开挖前，根据地质勘测资料或数值计算，确定隧洞岩体掌 子面上最大主应力2、掌子面上最小主应力3的水平及方向，假定σ₁=40MPa， σ₃=20.0MPa，主应力方向如附图1所示。

2．按照原有的爆破设计参数在开挖掌子面上布置炮孔4并装药，由里向 外依次布置2圈掏槽炮孔、3圈崩落炮孔、1圈缓冲炮孔和1圈光爆炮孔，掏 槽方式采用带空孔的平行直孔掏槽，如附图2所示。

3．根据隧洞岩体的主应力水平及方向，掏槽区形成后，由深埋圆形隧洞 弹性分布的二次应力状态计算公式或数值计算确定掌子面上任一点的应力状 态，代入(1)式中并结合岩体的弹性模量和泊松比，计算任一点的弹性应变能 密度。若岩体的弹性模量等于40GPa、泊松比等于0.22，以光爆炮孔处的岩 体为例，弹性应变能密度分布如附图3所示，在掌子面上最小主应力3方向 应变能密度出现极大值，在掌子面上最大主应力2方向上应变能密度出现极 小值。

4．掏槽炮孔采用毫秒电雷管分2段起爆。根据掏槽后应变能密度的极值 分布位置，崩落炮孔、缓冲炮孔和光爆炮孔均采用毫秒电雷管分4段起爆， 各段炮孔个数大致相等，先爆破应变能密度较低部位的岩体，如附图4所示。 以光爆炮孔爆破为例，按照21-22-23-24顺序爆破，处于应变能密度较低部 位的第21段和22段爆破后，由于应力调整，释放了临近未爆岩体的弹性应 变能，是本处于高应变能部位的第23段和第24段的应变能降低，从而控制 了应变能的释放速率和强度、保证各段爆破时应变能比较均匀释放，已达到 减弱围岩动力扰动的目的。值得注意的是，所述应变能密度相同的部位其爆 破顺序是可调的，如光爆炮孔爆破中，除了按照上述顺序之外，也可以按照 22-21-24-23的顺序，还可以按照21-22-24-23的顺序，或者按照22-21-23-24 的顺序，均可满足圈内应变能密度由低到高的顺序。

在掌子面上最小主应力3方向上岩体的应变能密度较高，在该处，本发 明深埋隧洞全断面毫秒爆破方法对围岩动力扰动的减弱效果最为明显。以光 爆炮孔爆破时弹性应变能快速释放诱发的围岩质点振动为例，在采用本发明 爆破方法前后，位于掌子面上最小主应力3方向上的质点的峰值振动合速度 如附图5所示(据有限元计算)。采用本发明爆破方法后，在距开挖轮廓面3.0m 以内，弹性应变能快速释放诱发引起的围岩动力扰动明显降低，在开挖轮廓 面上，峰值质点振动合速度为常规爆破方法的45%。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益结果进行了 进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已， 并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之类，所做的任何修改、等 同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。