三项参数优化边坡预裂爆破方案

岩质边坡开挖施工过程中无疑要用到爆破技术，爆破对边坡稳定性的影响与爆炸能量、爆破地震波传播形式和边坡的性质有关，来自边坡施工开挖爆破所产生的地震效应，对岩质边坡稳定性的影响是极其复杂的岩体工程地质力学问题，作为一种影响边坡稳定的外部因素，越来越受到关注，如何将爆破震动降到最低，而又不影响施工质量，是亟待解决的重要问题。

为了降低爆破震动，施工中常采用预裂爆破。预裂爆破是沿预定的爆破边界按一定的间距布置一排预裂爆破钻孔，在钻孔中装较少量的不耦合药包，在主爆孔起爆之前先起爆预裂孔，使炸药爆炸的冲击波到达预裂面时被折射、扩散、扰动和吸收，破坏能力大大削弱，从而可以避免或大为降低主爆孔爆破对预裂面以外岩体的松动和破坏，提高边坡的稳定性。因此，对预裂爆破参数的优化研究具有一定的实际意义。

文献[8]通过大量的预裂爆破试验及数值模拟，得出了适合于露天工程边坡的预裂爆破参数。

1. 试验参数（1）炮孔间距。

炮孔间距的大小直接影响预裂缝的宽度和坡面的平整度，根据经验[35]，中硬以上岩体，a=(8~12)d，软弱岩层a=(6~8)d，当d ≤60 mm 时a=(9~14)d ，软岩取小值，硬岩取大值。

（2）线装药密度Q线。

炮孔装药结构上要尽可能使药卷和炸药能量分布均匀，预裂爆破应采用底部连续、中段和上部间隔的装药形式。先将药卷按照设计的规格、数量和间隔距离绑扎在导爆索上，构成药串，再通过导爆索引爆。为了克服孔底的夹制作用，确保裂缝到底，底部(1.5~2.0)a 高度范围内加强装药，线装药密度取(2.4~4)ρ1；孔口0.8～1.5 m 处不装药，进行堵塞；不装药段以下 1～2 m 处（称为减弱段）岩层相对较软，为防止表层岩石抬升松动，线装药密度取(1/3~1/2)ρ1。

该预裂爆破试验中，线装药密度 Q1首先采用文献[3]的计算公式Q1=0.36 a0.67和长江水利委员会推荐的经验公式[1]Q1=0.83 a0.60进行计算，然后再结合工程实际进行试验。表12-2为不同孔距所对应的线装药密度理论计算值与工程试验值的对比表，不难发现试验值与计算公式[30]吻合较好。

表12-2　几种常见岩石的断裂韧变值

（3）装药不耦合系数。

为减轻爆破对孔壁的冲击压力，不致使孔壁破坏，通常采用不耦合装药，不耦合系数η =d /d0（ d0为药卷直径）。该工程试验表明，所设计的线装药密度只有在采用的药卷满足径向不耦合系数η=1.5～4（ D ﹤100 mm 时，η 取1.5～3； D ﹥100 mm 时，η 取3～4）时，才能形成质量较好的预裂缝。表12-3 为该边坡预裂爆破试验所采用的部分参数值，其爆破效果依据半孔率、微裂隙多少和边坡平整度模糊定性为较好或较差。

表12-3　边坡部分预裂爆破试验参数[35]

2. 预裂爆破数值模拟[35]

（1）计算模型与破坏判据。

许名标等首先建立实体模型，采用四边形自由网格划分技术划分网格，炸药和空气的网格共节点，并与岩石网格相对独立。由于该模型只是半无限岩体的一部分，出现了人为的边界，为了减少计算量和消除人为边界处的反射波对结构动力响应的影响，计算过程中将模型外围上、下、左、右4 条边界线设定为非反射边界。图12-7 为实体模型剖面网格划分图。

图12-7　模型剖面网格划分图

考虑到模型单元过多，计算过程要花费大量的时间，有时甚至导致计算无法顺利进行，故先不设置岩石失效命令MAT-ADD-EROSION，根据第一强度理论即最大拉应力理论，通过应力等值线图来判断岩石的破坏情况。如果破坏成立，再次建立只需选取模型Z 轴方向（炮孔延深方向）的“准二维”（沿孔深方向仅取2 mm 厚度）实体模型，通过失效命令直接判断岩石破碎成缝效果[6-7]。笔者分别针对4 种炮孔直径（ db=42 mm、89 mm、105 mm、120 mm），通过改变炮孔间距a、 dc药卷直径，建立了4 组40 个（每组10 个）不同的计算模型。

（2）结果分析。

从爆炸冲击波传播过程不同时刻的云图可以看出，由于空气间隙的存在，炸药起爆瞬间，爆炸冲击波衰减明显，当冲击波作用到孔壁上后，随即在岩体内产生应力波，并主要向两炮孔中心连线方向传播。首先，裂纹在两个炮孔之间产生并有沿两炮孔中心连线方向传播的趋势；随着两炮孔间的应力波相遇，经叠加后继续向四周传播，裂纹继续扩展；最后，两炮孔中心连线间的裂纹贯通，形成平整的断裂面。在两炮孔间纵向中心线及横向中心连线上分别选取两单元，其应力时程曲线分别如图12-8、图12-9 所示。(https://www.xing528.com)

图12-8　炮孔纵向中心线上两单元应力时程曲线

图12-9　炮孔横向中心连线上两单元应力时程曲线

应力时程曲线显示，所选的4 个单元的最大拉应力（分别为15.3 MPa、16.0 MPa、17.4 MPa和28.1 MPa）均大于边坡岩体的动抗拉强度（7.2 MPa）。随着传播距离增大，爆炸冲击波衰减增多，根据第一强度理论即最大拉应力理论，可以认为两炮孔延伸平面上任意单元都被拉坏，预裂孔中心连线上有裂缝产生。也就是说边坡在此预裂爆破的作用下预裂缝形成并具有比较好的减震隔震效果[35]。

文献[35]对所建立的40 个模型通过数值计算并分析发现，当有关参数选取如表12-4 所示时，预裂缝贯通速度快、时间t 短，中心连线外的其他部位微裂隙很少，断裂面平整，爆破效果相对理想。图12-10 为与表12-4 所示参数相对的4 种模型的预裂爆破效果图。

通过对模拟结果回归分析可知，当炮孔直径一定时，炮孔间距 a(mm)、线装药密度Q(g/m)、不耦合系数η 三者之间存在如下关系[35]：

该式显示，当炮孔直径 db选定时，预裂爆破的炮孔间距a 主要与不耦合系数η 有关，而线装药密度 Q1的影响相对较小，当线装药密度 Q1一定时，在适当范围内增加不耦合系数η，炮孔间距a 增大，这说明不耦合装药爆炸破岩，降低了爆轰产物及应力波作用于孔壁的初始压力，减少了孔壁的破坏，但延长了作用时间，使裂缝扩展时间增长，加大了裂缝扩展距离，即增加了孔间距a。

表12-4　爆破效果理想的预裂爆破参数

图12-10　不同参数对应的模型预裂爆破效果

（3）表12-4、图12-10 结果中的中硬以上岩石适用参数如表12-5 所示。

表12-5　中硬以上岩石适用的爆破参数

其他情况爆破较差。

3. 结论[35]

（1）通过大量的爆破试验，得出了适合于该边坡的炮孔直径D、炮孔间距a、线装药密度 Q1、不耦合系数η 等一系列常规预裂爆破参数。

（2）通过ANSYS/LS-DYNA 数值模拟，得到了4 种炮孔直径D 对应的理想预裂爆破参数，与爆破试验结果基本一致。根据模拟结果，通过回归分析得出，当炮孔直径D 一定时，炮孔间距a、线装药密度 Q1、不耦合系数η 之间存在一个简易公式，可用于指导该工程的后续施工，也为类似工程提供了参考。

（3）采用爆破试验与数值模拟相结合的方法得到的各个参数值，比单纯的爆破试验或数值模拟所得的结果更有说服力，对于该边坡爆破开挖更具有指导意义。实践证明，将数值模拟结果反馈到施工现场用以指导施工，再以施工效果进一步验证数值模拟的正确性，对于经验科学，非常重要。

（4）数值模拟采用了一些假设，这无疑削弱了模拟的准确性，尽管对指导工程实践具有一定的积极意义，但要使模拟的结果更精确就必须进一步减少假设，使所建立的模型应尽量符合实际边坡岩体。