1 案例工程概况
腾讯贵安七星数据中心位于贵安新区马场科技场内，项目周围无重要建筑物及设施。隧道沿栖凤坡山体横向布置B1-B5隧道，隧道中心线线间距为46.0 m，隧道硐室长为276.4 m、净空宽为16.5 m、净空高为11.7 m，隧道群为小净距、大断面结构，岩体节理发育，节理面结合差，场区围岩等级为Ⅴ级围岩，隧道群平面布置如图1所示。
<G:\武汉工程大学\2023\第5期\张满-1.tif>[油库隧道][B1][B2][B3][B4][B5][B6]
图1 隧道群平面布置
Fig. 1 Overall layout of tunnel group
2 SHWC爆破应用研究
2.1 SHWC爆破施工
隧道群施工采用中隔-壁法（简称CD法），施工工序如图2所示。将隧道分为左、右两侧导坑平行施工，掌子面错开长度不得小于50 m，每侧导坑分四步台阶开挖， 上、中上、中下台阶分别为5、3、3 m。采用控制爆破法结合空间错位爆破进行施工作业，后行洞爆破施工与先行洞支护结构震动影响监控同步进行。
<G:\武汉工程大学\2023\第5期\张满-2.tif>[仰拱及填充][拱墙衬砌]
图2 CD法施工工序示意图
Fig. 2 Schematic diagram of construction process of
CD method
（1）爆破器材选定
爆破施工选用2号岩石乳化炸药，Φ32 mm×250 mm。采用1~13段的非电毫秒雷管起爆，引爆器为塑料导爆管。
（2）掏槽形式选定
采用掏槽眼比其他炮孔超深20 cm的SHWC槽控制爆破，掏槽眼角度取经验值40°~60°。
（3）装药结构及堵塞方式
除周边眼、底板眼采用间隔装药结构外，其余眼均采用连续装药结构。采用炮泥堵塞炮眼。
（4）最大段装药量计算
根据减震爆破理论和萨道夫斯基公式［9］，最大段装药量的计算公式如下：
[Qmax=R3(VK)3α] （1）
式中：Qmax——最大段装药量，kg；
V——标准控制振速，m/s；
R——爆源中心到振速控制点距离，取30 m；
K——与爆破技术、地震波传播途径介质的性质有关的系数，根据目前围岩情况取150；
α——爆破振动衰减指数，取1.5；
其中K、α的取值需要对同类型结构做大量的现场振动测试，再用数值回归的方法确定；或者先用数值模拟的方法估算，然后计算爆破时单段允许最大装药量。
（5）爆破主要参数
爆破设计参数应根据现场试验的震速效果进行调整，以寻求既满足震速要求又能提高工效的优化设计，根据实际情况，设计适合施工要求的爆破布置方法，如图3、图4所示，以断面1与断面2为例，爆破法施工的布置参数设计如表1所示。
<G:\武汉工程大学\2023\第5期\张满-3.tif>
图3 爆破平面布置示意图
Fig. 3 Schematic diagram of blasting layout
（6）振速检算
根据减震爆破理论：当边界条件相同时，爆破开挖的最大振动速度值不取决于一次起爆的总药量，而决定于某单段的最大用药量。由表1可知，单段最大装药量Q=3.6 kg，将各参数代入式（1）中，求得V=0.39 cm/s，小于10 cm/s，满足《爆破安全规程》（GB6722—2014）规定。
2.2 爆破振动现场监测
根据《爆破安全规程》相关规定［10］和工程爆破作业实际情况，在距离B5隧道正面出口约70 m处进行爆破作业时，为了保证既有隧道衬砌结构爆破振动速度峰值控制在4.5 cm/s以内，将B5隧道正面和背面出口、B3、B4隧道正面出口四处位置设为爆破振动监测点，采用L20（速度）型爆破测振仪及配套的速度传感器对爆破过程中各监测点的振速进行监测，各监测点最大振速监测数据见表2。
表2 爆破过程中各监测点最大振速
Tab. 2 Maximum vibration velocities of monitoring
points in blasting process
[测点位置 方向 2018年4~5月
不同测试日期（月-日）
最大震动速度 / cm·s-1 04-22 04-27 04-30 05-02 05-05 B5隧道
正面出口 X 1.34 1.13 2.45 1.08 1.01 Y 098 0.93 0.94 0.53 0.77 Z 1.60 1.14 1.99 0.74 0.66 B5隧道
背面出口 X — — 0.08 0.02 0.08 Y — — 0.08 0.01 0.05 Z — — 0.27 0.02 0.11 B4隧道
正面出口 X 0.42 0.86 0.48 0.30 0.46 Y 0.63 0.79 0.99 0.49 0.63 Z 1.06 0.98 0.87 0.28 0.67 B3隧道
正面出口 X 0.13 0.18 0.28 0.08 0.07 Y 0.11 0.13 0.21 0.10 0.13 Z 0.23 0.20 0.31 0.11 0.06 ]
从表2可知：离爆源最近的B5隧道正面出口，其质点振动速度峰值均为当日各监测数据中最大，受爆破扰动影响最大，最大值为4月30日所测，Vmax=2.45 cm/s；其次是B4隧道正面出口和B3隧道正面出口处的质点振动速度；B5隧道背面出口距离爆源最远，其质点振动速度也最小。
3 SHWC爆破数值模拟研究
3.1 有限元模型及算法
由具体施工工序可知，在每个掘进工作面中左上台阶首先起爆，在仅有1个自由面情况下，爆炸受岩石夹制作用最大，掏槽爆破所引起的振动最大。采用LS-DYNA建立长宽高（X、Z、Y）为2 m×0.75 m×2 m的1/2上台阶掏槽爆破数值计算模型。炮孔布置如图5所示，其参数为：第一层掏槽孔倾角45°，装药长度0.4 m，堵塞长度0.2 m；第2层掏槽孔倾角60°，装药长度0.3 m，堵塞长度0.2 m。掏槽孔内连续装药，第一层掏槽孔与第二层掏槽孔延期时间为50 ms，起爆点设置在各装药段底部。
采用3D_SOLID_164单元类型建立模型，包含空气、炸药、炮泥和岩石等材料类型。为简化模型，将炮孔简化为边长为3.5 cm的正方形，且不考虑各物质间的接触问题，以共节点的方式建立有限元模型，数值计算模型如图5所示。
<G:\武汉工程大学\2023\第5期\张满-5.tif>
图5 数值计算模型
Fig. 5 Numerical calculation model
3.2 控制方程及材料参数
炸药的控制方程采用ANSYS/LS-DYNA中的JWL状态方程，此方程定义了爆轰压力和炸药单位体积内能与相对体积的关系［11］，其形式如下：
[P=A1-ωR1Ve-R1V+B1-ωR2Ve-R2V+ωE0V] （2）
式中：V为相对体积；E0为内能，Pa；R2，ω，B，R1和A是5个描述JWL方程的独立物理函数。炸药材料选用2号岩石乳化炸药，具体参数［12］选取为：密度1 310 kg·m-3，爆速5 500 m·s-1，压力9.9 GPa；状态方程参数为A=214.4 GPa，B=0.182 GPa，R1=4.2，R2=0.9，ω=0.15，E0=4.192 GPa。
在LS-DYNA 中空气单元采用MAT_NULL材料来模拟，控制方程选用线性多项式状态方程［13］，该方程的形式表述为：
[P=C1+C2μ+C3μ2+(C4+C5μ+C6μ2)E] （3）
[μ=1V-1] （4）
式中：P为压力；C1~C6为相关常数；μ为比体积；E为内能与初始体积之比。参考相关文献选取空气密度为：1.252 kg/m3，黏滞系数为17.456×10-6。炮泥和岩石材料单元选用各向异性弹塑性模型。炮泥物理参数为：密度ρ=1 850 kg·m-3，剪切模量E=20 MPa，泊松比μ=0.28，内摩擦角32.1°，黏聚力C=0.18 MPa。岩石材料参数为：密度ρ=2 040 kg·m-3，剪切模量E=1.8 MPa，泊松比0.38，内摩擦角55.8°，抗拉强度3.0 MPa，抗压强度30 MPa，黏聚力C=1.46 MPa。
3.3 数值模拟计算结果分析
图6为SHWC爆破模型在竖直方向上Y=1.05 m处沿水平切片后得到的被爆岩体内部应力波的传播过程。
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1.053e+08
9.360e+07
8.190e+07
7.020e+07
5.850e+07
4.630e+07
3.510e+07
2.340e+07
1.170e+07
0.000e+00
][a][LS-DYNA user Input
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Contours of Effective Stress[v-m]
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section min=0 near node#96833
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1.170e+07
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Contours of Effective Stress[v-m]
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0.000e+00
]
图6 SHWC爆破过程应力云图：（a）0.007 8 ms ，
（b） 0.159 3 ms， （c） 0.259 8 ms， （d） 0.339 74 ms，
（e） 2.997 8 ms
Fig. 6 SHWC blasting process：（a）0.007 8 ms ，
（b） 0.159 3 ms， （c） 0.259 8 ms， （d） 0.339 74 ms，
（e） 2.997 8 ms
楔形掏槽爆破掏槽孔孔底一般采取一次起爆［14-16］，孔底水平间距0.2 m。在爆炸传播过程中不同爆源处产生的爆炸应力波存在明显的应力相互作用区域，在t=0.007 8 ms时炮孔底部爆炸压缩应力波出现应力叠加现象，有效应力峰值达到117 MPa；当t=0.159 3 ms时，开始起爆第二排楔形掏槽孔，第一排炮孔周围岩体受有效应力峰值基本都在100 MPa以上，此时，因压缩应力超过被爆岩体动态抗压强度，第一排楔形掏槽孔周围岩体破坏，并以楔形掏槽孔对称面为中心继续向自由面方向传播；当t=0.259 8 ms时，一二排掏槽孔周围出现应力波叠加现象，加速掏槽部分岩体的破坏，促进槽腔形成；当第一排楔形掏槽孔内的炸药基本反应完全后，爆炸压缩应力波以椭球弧面形式继续向自由面方向传播；当t=0.339 7 ms时，爆炸压缩应力波被传递至自由面，而后又形成反射拉伸波，并使得掏槽部分自由面处岩体发生拉裂破坏；当t=2.99 7 ms时，传播过程中形成的反射拉伸波继续向岩体深部方向传播，并与正向传播的爆炸压缩应力波发生干涉叠加，使得岩石被拉伸和压缩而发生破坏。
楔形掏槽孔呈“V”形结构布置，从应力云图可明显看出，有效应力主要集中在掏槽孔底部，使得掏槽区被爆岩体能有效克服周围岩石的夹制作用，提高楔形掏槽孔起爆效果；且第一层的掏槽孔起爆后形成的槽腔，能为第二层掏槽孔的起爆提供一个新的自由面，可以进一步扩大掏槽范围。
为进一步研究楔形掏槽爆破效果，沿炮孔底部和炮孔方向分别间隔0.5 、0.3 m连续布置4个和3个监测点（见图7），各监测点的有效应力时程曲线如图8所示。
<G:\武汉工程大学\2023\第5期\张满-7.tif>[对称面][底面][4][3][2][1][5][6][7]
图7 监测点布置图
Fig. 7 Layout of monitoring points
结合图8可看出，在1 ms内，各监测单元均出现有效应力极值，后反复出现波峰波谷，4 ms后，有效应力时程曲线趋于平衡，说明炸药爆炸过程是一个瞬态过程；在炮孔底部监测线上，1号监测单元处于掏槽中心，距离爆心最近，受到的有效应力极值最大，同时，其他监测单元出现极值时间较后，说明爆破地震波传播过程中存在时间上的连续性；沿炮孔方向布置的监测单元处于爆源中心，直面承受爆破冲击荷载，由图8可以发现对于各监测单元有效应力极值、炮孔方向的各监测单元有效应力极值均明显小于炮孔底部的极值，符合一般规律。
<G:\武汉工程大学\2023\第5期\张满-8-1.tif><G:\武汉工程大学\2023\第5期\张满-8-2.tif>[0 2 4 6 8
t / ms][50
40
30
20
10][有效应力 / （V·m）][b][a][60
40
20][有效应力 / （V·m）][0 2 4 6 8
t / ms][A][B][C][D][A][B][C]
图8 监测单元有效应力时程曲线：
（a）炮孔底部方向，（b） 炮孔方向
Fig. 8 Effective stress time history curves of monitoring unit：（a） direction of hole bottom，
（b） direction of borehole
4 结 论
本文以微差爆破理论为基础，在贵安数据中心隧道群爆破施工工程中，使用SHWC爆破技术进行现场控制爆破法作业，通过对隧道口多处位置进行爆破振动监测和有限元软件LS-DYNA数值模拟分析，可以得出以下结论：
（1）在具有特大断面、小净距和隧道群特点的隧道中使SHWC爆破技术可以产生很好的控制作用效果：爆破地震波传播过程中，在0.007 8 ms时炮孔底部爆炸压缩应力波出现应力叠加，有效应力峰值可达117 MPa；在0.159 3 ms时起爆第二排楔形掏槽孔，第一排楔形掏槽孔周围岩体破坏；在0.259 8 ms时，一、二排掏槽孔周围出现应力波叠加现象，加速了掏槽部分岩体的破坏；时长在0.339 7 ms时，掏槽部分自由面处岩体发生拉裂破坏。
（2）SHWC技术能够有效控制爆破振动强度，通过爆破振动监测得到最大振动速度为2.45 cm/s，符合4.5 cm/s以内的安全允许标准规定，爆破地震波传播过程中有效应力存在时间上的连续性。
（3）楔形掏槽孔使用“Λ”形结构布置，可以使得炸药爆炸产生的有效应力主要集中在掏槽孔底部，使得掏槽区被爆岩体能有效克服周围岩石的夹制作用，从而提高掏槽效果，并能进一步扩大掏槽范围。