李维

(中国铁建港航局集团有限公司，广东 珠海市 519000)

爆破技术被广泛应用于大型水利工程、交通建设以及矿山开采等领域，对于促进我国社会经济的高速发展有着不可替代的作用[1]。目前常用的爆破技术一般是炸药通过化学反应，产生巨大的能量，对物体原有结构进行破坏的一种技术。爆破过程中不仅产生巨大的噪音和一氧化碳、氮氧化合物等有害气体，且伴随着爆炸冲击波及飞石的危害，爆炸后也会对岩层结构产生一定程度的破坏，导致地震的发生[2]。

物理爆破技术相比化学爆破技术来说，不仅能杜绝有害气体的产生，且由于释能方式不同，产生的冲击波危害较小，能最大程度地减小飞石和粉尘的污染[3]。液态二氧化碳相变爆破就是一种典型的物理爆破技术，其做功主要依靠液态二氧化碳相变产生的气体膨胀能，能量转化利用的效率高，是一种可以安全高效代替炸药爆破的破岩方式。S.P.Singh[4]阐述了二氧化碳致裂装置的主要构成和使用方法，并在Bulawayo金矿进行试验，验证了二氧化碳爆破可以达到炸药爆破的效果。刘光辉等[5]对比了炸药爆破与二氧化碳致裂技术，认为二氧化碳爆破具有产生振动小、安全性高等优点。董庆祥等[6]根据二氧化碳致裂技术作用机理，通过LS-DYNA数值模拟和现场试验确定了二氧化碳相变致裂的半径及TNT当量计算方法。李启月等[7]在地铁基坑开挖中运用二氧化碳爆破技术替代传统炸药爆破，取得了不错的效果。熊宏武等[8]在周边环境负责的综合管廊开挖中运用二氧化碳爆破技术，消除了传统炸药爆破存在安全隐患和振动损害等问题。同时，二氧化碳致裂技术在煤层增透和瓦斯抽采等方面[9-12]也有着广泛应用，通过改善煤层状态保证了回采的安全性并大幅提高了矿山的经济效益。从以上研究可以发现，二氧化碳爆破技术已经应用于矿山、公路等多个工程领域，但目前针对液态二氧化碳爆破技术在临近边坡的基坑开挖中应用的研究较少。因此，本文对液态二氧化碳爆破对临近边坡稳定性的影响进行了研究，为类似工程提供参考。

随州市绕城南路地下综合管廊项目全长为4.15 km，断面尺寸为5.55m×3.75 m。起点段 K0+080-K0+660 以深路堑为主，边坡岩性主要为强-中风化云母片岩，局部有花岗岩岩株出露。K0+080-K0+320 段深路堑岩层产状 210°∠75°，与边坡坡向呈大角度切向相交，但是边坡岩体较破碎并发育有多组构造裂隙，边坡稳定性较差，其中 K0+210-K0+320 段边坡已发生垮塌；
K0+400-K0+660 段路堑岩层产状 33°∠65°，为顺向坡，边坡岩体破碎已发生多处滑塌。拟建管廊位于路堑坡脚，距离边坡很近，如图1 所示。

图1 综合管廊基坑断面

基坑开挖对边坡稳定性有较大影响，极易造成边坡垮塌、滑移。传统的炸药爆破能量较高，存在安全隐患。从安全高效的角度综合考虑，本工程决定使用D95型CO2致裂管对基坑进行相变爆破开挖。通过数值模拟的方式对爆破过程进行研究，并监测爆破过程中边坡的振动情况，确定合理的布孔参数。

2.1 数值模型与边界条件

在PFC2D 数值模拟软件中，试验材料都是由圆形颗粒组成，颗粒之间通过不同的接触方式进行连接。软件内置的平行键接触可以给颗粒间提供黏聚力，抵抗材料的拉伸和剪切破坏，适合模拟岩石材料的变形和破坏。

首先对工程区岩层进行简化处理，建立了一个共包含25 556 个颗粒的边坡模型。为了在保证运算精度的前提下提高运算速度，爆破区生成的颗粒半径为4～6 cm，其他区域随机生成的颗粒半径为12～18 cm，如图2 所示。路基岩层主要以花岗岩为主，边坡为风化云母片岩，具体参数见表1。在边坡上设置4 个监测点，监测基坑爆破施工对边坡稳定性的影响。

图2 数值模型

表1 岩体物理力学参数

模型的边界条件设置为底部颗粒限制竖向速度，两侧颗粒限制水平方向速度。在爆破过程中，模型边界还需要吸收入射能来模拟半无限边界条件，在PFC2D 中可以通过对边界施加边界力来实现这一过程。边界力F与颗粒运动速度的关系为：

式中，ξ、η为纵波、横波弥散效应修正系数，一般取0.35；
R为颗粒半径；
Cp、Cs分别为纵波和横波的波速；
、分别为颗粒的法向和切向运动速度；
ρ为岩体密度。

2.2 二氧化碳爆破致裂方程

液态二氧化碳相变致裂过程属于高压气体冲击爆破，主要是通过二氧化碳气化形成的强大推力导致炮孔周围形成初始裂纹，然后高压气体进入初始裂纹中，在膨胀静压力作用下使初始裂纹发生延伸和扩张。为确定数值模拟中超临界二氧化碳的气爆参数，通过爆破压力测试实验测得D95 型二氧化碳致裂管的压力时程曲线，如图3 所示。

图3 二氧化碳冲击压力时程曲线

选用JWL 状态方程确定超临界二氧化碳气爆过程中的气体压力变化，其表达式为：

式中，P为气体压力；
ρ0为初始气体密度；
ρ1为变化后的气体密度；
Em为初始比内能；
A1、B1、R1、R2和ω为材料常数。

以JWL 状态方程拟合图3 的冲击压力时程曲线，并作为爆破荷载施加在炮孔边界，各参数取值见表2。

表2 JWL状态方程参数

2.3 模拟结果分析

根据工程经验设置3 种初始布孔方案。方案一，采用3 个间隔为3.2 m 的垂直孔，孔深6.95 m，每个垂直炮孔安装了三支致裂管，孔口堵塞2.4 m。方案二，在垂直炮孔的两侧增加2 列倾斜炮孔，采用垂直炮孔与倾斜炮孔相结合的爆破方式，两侧的倾斜炮孔各安装2 支致裂管，孔口堵塞长度为1.6 m。方案三，在方案二的基础上增加控制孔，控制孔布置在垂直孔中间。具体布孔参数如图4 所示。

图4 布孔参数

对3 种不同方案进行了模拟研究，在爆破10 ms时，爆破孔周边裂纹扩展情况如图5 所示。由图5可以看出，如果不设置控制孔，则炮孔周边约1 m范围内为压碎区，裂纹分布密集，但相邻两垂直孔间的裂纹未完全贯通。若增设控制孔，则垂直孔周边的裂纹延伸至控制孔，相邻垂直孔之间的岩石将会被完全破碎。由图5 还可以看出，爆破过程中拉伸裂纹数量远远多于剪切裂纹数量，说明在高压气体的作用下岩石主要以拉伸破坏为主。方案一与方案二对比说明倾斜孔可以有效增加裂纹数量，增强岩石破碎效果。方案二与方案三对比说明控制孔可以增加岩石的自由面，导致裂隙进一步扩展，岩石破碎效果更显著。

图5 10 ms时裂纹的扩展

图6 为3 种爆破方案不同时刻爆破区颗粒的位移情况。其中方案一起爆后，垂直炮孔两侧裂隙扩展，最终爆破效果呈漏斗状，爆破区中部地表岩石块度较大，不利于现场运输，需要二次破碎。方案二起爆后，由于增加了倾斜孔，致裂管数量增加，在垂直孔与倾斜孔的共同作用下，爆破区中部岩体破碎后块度适中，且爆破后底部呈倒梯形状，与预期结果相差不大。方案三爆破后，由于增加了控制孔，爆破自由面增多，导致爆破后岩石破碎效果更加明显，爆破后成型效果较好，且岩石块度较小，有利于运输。但这也将导致爆破产生的飞石速度增大，爆破过程应注意飞石的危害。

图6 不同爆破方案爆破效果

模拟监测了爆破过程中边坡的质点振动情况（见图7），从图7 可以看出，基坑爆破引起了边坡的振动，在前50 ms 内边坡质点振幅较大，随后振动逐渐减弱。随着监测点距爆源距离的增加，监测点1 至监测点4 质点振动速度不断降低。方案一由于未布置倾斜炮孔，所用致裂管较少，因此引发的边坡振动较小，最大振幅为2.53 cm/s。方案二使用倾斜孔与垂直孔结合爆破，边坡质点最大振幅为3.62 cm/s。方案三由于增加了控制孔，在一定程度上减弱了爆破应力波的传递，边坡的最大振幅为3.24 cm/s，略低于方案二。

图7 边坡质点振动速度模拟结果

2.4 爆破振动速度安全许可值

为了保障爆破施工过程中边坡的稳定性，必须确定爆破振动速度的安全许可值。目前确定爆破振动速度的方法主要有爆破规程和工程类比两种方法。

《爆破安全规程》（GB 6722-2014）规定了永久性岩石高边坡的安全允许质点振动速度，当振动频率f≤10 Hz 时，安全允许质点振动速度为5～9 cm/s；
当10 Hz＜f≤50 Hz 时，速度为8～12 cm/s；
当f＞50 Hz 时，速度为10～15 cm/s。

表3 给出了不同边坡爆破振动速度安全值。本工程边坡主要为强-中风化云母片岩，其中强风化云母片岩结构已大部分破坏，裂隙较发育，裂面多呈灰黑色，质软，手捏易碎，局部岩夹土状，雨水软化，属于极软岩，岩体基本质量等级为Ⅴ级；
中风化云母片岩为鳞片变晶结构，片状构造，质软，锤击易碎，属于软岩，遇水软化，易崩解呈片状，岩体基本质量等级为Ⅳ级。

表3 不同工程边坡爆破安全振动速度

根据行业规程和工程类比最终确定边坡的安全振动速度许可值为8 cm/s。本次模拟结果显示，3种方案引发的爆破振动均低于安全许可值，根据爆破后的成型效果和岩石破碎程度，最终选择方案三为施工方案。

基坑开挖对边坡稳定性有较大的影响，现场勘测结果显示，路堑边坡已发生垮塌且为临时坡，需在施工前对边坡予以清方整修，并在深路堑坡脚平台处设置被动防护网，防止坡面滚石滑落危及基坑作业安全。然后按照爆破方案布置钻孔，装入致裂管，充入液态二氧化碳，堵塞钻孔，并在相应位置安装NUBOX-8016 爆破振动智能监测仪，监测边坡各个测点的振动情况，如图8 所示。现场安装完毕后，采用10 kV 高压电起爆，起爆后待安全人员确定现场安全后，进入监测区读取监测仪上的数据。

图8 二氧化碳致裂起爆前准备工作

表4 记录了4 个振动测点x、y、z三个方向的振动情况。由表4 可知，1 号测点的振动速度最大，可达3.619 cm/s，略大于数值模拟结果。4 号测点的振动速度最小为0.575 cm/s，各监测点的振动速度随距离的增大不断降低。在爆破施工的过程中，边坡无滚石滑落，稳定性较好，爆破后基坑成型效果好。

表4 各监测点振动情况统计

（1）本文将液态二氧化碳相变爆破技术应用于邻近边坡的基坑开挖工程中，解决了传统炸药爆破振动影响较大，容易造成边坡失稳的问题。

（2）通过数值模拟的手段研究了不同布孔参数对爆破效果的影响，研究结果认为使用垂直炮孔、倾斜炮孔及控制孔相结合的方案进行爆破，爆破成型效果好，岩石破碎程度高，边坡振动较小。

（3）进行现场爆破试验，并在边坡上设置监测点，监测边坡不同位置质点振动情况。现场监测结果与数值模拟结果一致，爆破后基坑成型效果好，边坡无滚石滑落，稳定性较好，为邻近边坡基坑开挖提供了新思路与新方法。

猜你喜欢 炮孔监测点裂纹 风机增速齿轮含初始裂纹扩展特性及寿命分析机床与液压(2022年9期)2022-09-20基于FCM聚类和漏失模拟的给水管网压力监测点布设排灌机械工程学报(2022年6期)2022-06-23同时起爆单排炮孔等效均布荷载的计算方法*爆破(2022年2期)2022-06-21余吾煤业N2106工作面初采前顶板预裂爆破钻孔设计煤(2022年6期)2022-06-13天津南港LNG接收站沉降监测点位布设煤气与热力(2022年4期)2022-05-23基于智能岩性识别的爆破岩体三维实体模型建立煤田地质与勘探(2022年4期)2022-05-08基于社区网络的大气污染源定位算法计算机应用与软件(2022年2期)2022-02-19有了裂纹的玻璃辽河(2022年1期)2022-02-14有了裂纹的玻璃辽河(2022年1期)2022-02-14采石场开采爆破炮孔的布置优化❋爆破器材(2022年1期)2022-01-11