羅劍輝，程 兵，汪海波，宗 琦

（安徽理工大學 土木建筑學院，安徽 淮南 232001）

掏槽爆破是決定隧道或巷道掘進爆破中整體破巖效果及循環(huán)進尺大小的關鍵所在[1]。合理的掏槽方法有利于巖體爆破成腔，為后續(xù)爆破提供較大自由面，以達到良好爆破效果?；谔筒劭着c臨空面的空間位置關系進行區(qū)分，可將掏槽分為直眼掏槽和斜眼掏槽[2]。直眼掏槽憑借其具有炮孔不受斷面大小限制、可以多臺機械同時鉆孔、能實現(xiàn)較高的炮眼利用率、爆堆集中等特點，成為隧道或井巷爆破開挖中常用的掏槽方法，因此研究中空孔對直眼掏槽爆破效果影響具有重要的工程實際意義。

林大能等[3]基于力學理論分析了直眼掏槽時掏槽孔裝藥爆破形成空腔的整個歷程以及腔內(nèi)巖體的拋擲飛散行為，同時構建了空腔演變過程的理論模型以及空腔尺寸的求算方法。劉優(yōu)平等[4]從理論上分析了中空孔直眼掏槽爆破機制，并對中空孔的作用進行進一步闡述，認為：隨著中空孔直徑的增加應力集中效應會更加顯著，并通過現(xiàn)場試驗證明使用大直徑中空孔是取得良好掏槽效果的必要方法。李啟月等[5]采用顯式動力分析軟件對掏槽孔與不同直徑中空孔間的裂隙貫穿歷程進行了數(shù)值模擬，結果顯示：隨著中空孔直徑增加，巖體破壞過程中的拉、壓破壞特征則愈加顯著。張祖遠等[6]基于現(xiàn)場工程實際研究了采用中空孔直眼掏槽時，掏槽孔數(shù)量、中空孔直徑、掏槽孔與中空孔距離、微差起爆間隔時間等不同參數(shù)條件下爆破振動的變化規(guī)律。左進京等[7]通過模型實驗研究了不同直徑中空孔掏槽腔體的爆破破壞形式，并利用高速攝像獲得了不同中空孔直徑下槽腔巖體向外拋擲的過程，闡述了不同直徑中空孔直眼掏槽的內(nèi)在差異。

現(xiàn)有研究較少利用數(shù)值模擬手段研究中空孔直眼掏槽的應力場分布及掏槽爆破效果。鑒于此，擬運用ANSYS/LS-DYNA，建立有、無中空孔2 種直眼掏槽爆破的三維數(shù)值模型，比較分析掏槽爆破過程中爆炸應力場演化歷程以及巖體破壞特征。

1 數(shù)值模擬

1.1 建立數(shù)值模型

運用ANSYS/LS-DYNA 建立2 組有、無中空孔的三維直眼掏槽爆破模型，且為了減少計算量和求解時間，基于模型自身的對稱性可以將模型簡化為1/2 模型。數(shù)值計算模型如圖1。

圖1 數(shù)值計算模型Fig.1 Numerical calculation model

有中空孔模型：模型中間設置中空孔，中空孔深度為2 700 mm，直徑為100 mm。中空孔的四周按菱形布置4 個掏槽孔，中空孔與掏槽孔距離為300 mm，掏槽孔深度為2 500 mm，直徑為42 mm，采用不耦合裝藥結構，炮孔內(nèi)裝填直徑為35 mm 藥卷，裝藥長度為1 200 mm，炮泥填塞長度為1 300 mm。無中空孔模型除沒有中空孔存在以外，其他炮孔參數(shù)和裝藥參數(shù)等均與有中空孔模型相同。

研究中巖體和炮泥采用Lagrange 網(wǎng)格，炸藥和空氣采用Ale 網(wǎng)格，炸藥和空氣與巖體和炮泥之間的交互作用通過罰函數(shù)耦合算法進行定義[8]。模型外側除孔口端為臨空面外均需要設置無反射邊界，用于吸收剪切波和膨脹波以降低邊界應力波反射對結果的干擾，從而更接近巖體在無限介質中的實際受力狀態(tài)[9]。2 組模型均采用由孔底向上傳爆的反向起爆方式，通過*INITIAL_DETONATION 關鍵字在掏槽孔底部定義起爆點。

此外，由于炮孔近區(qū)應力場較為復雜，需將炮孔近區(qū)網(wǎng)格進行細化，遠離炮孔區(qū)域的網(wǎng)格相對稀疏，在確保計算精度的同時能夠保障求解效率。

1.2 材料模型及參數(shù)

炸藥采用 *MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN 材料模型[10]，同時使用經(jīng)典JWL 狀態(tài)方程來描述爆炸過程中產(chǎn)物的體積、壓力以及能量特性，式（1）表示JWL 狀態(tài)方程決定的爆轟壓力：

式中：peos為JWL 狀態(tài)方程決定的爆轟壓力，Pa；A、B 為材料常數(shù)，Pa；R1、R2、ω 為炸藥材料常數(shù)，無量綱；E0為初始內(nèi)能，Pa；V 為相對體積，無量綱。

炸藥材料及JWL 狀態(tài)方程參數(shù)見表1。

表1 炸藥材料及狀態(tài)方程參數(shù)Table 1 Material and equation state parameter of explosive

空氣采用*MAT_NULL 空白材料模型，并同時使用LINEAR_POLYNOMIAL 線性多項式描述其狀態(tài)方程[11]：

式中：p0為壓強，Pa；C0、C1、C2、C3、C4、C5、C6為狀態(tài)方程參數(shù)，無量綱；ξ 為黏滯系數(shù)，無量綱；E1為單位體積內(nèi)能，Pa；V0為初始相對體積，無量綱。

空氣材料及狀態(tài)方程參數(shù)見表2。

巖體采用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC 隨動塑性強化模型，在爆炸載荷作用下巖體在極短時間內(nèi)發(fā)生屈服破壞，與靜載荷作用情況下相比應變率大幅度提高，巖體的力學性質發(fā)生顯著改變[12]。該模型在巖體屈服應力中引入了應變率放大因子，改進后的屈服應力為[13]：

表2 空氣材料及狀態(tài)方程參數(shù)Table 2 Material and equation state parameters of air

式中：σY為屈服應力，Pa；λ 為放大因子，無量綱；σ0為初始屈服應力，Pa；β 為隨動強化和等向強化之間的調節(jié)參數(shù)，無量綱；Ep為塑性強化模量，Pa；為等效塑性應變，無量綱；ε 為應變率，s-1；C、P 為Cowper-Symonds 應變率參數(shù)，無量綱。

巖體材料參數(shù)見表3。

表3 巖體材料參數(shù)Table 3 Material parameters of rock

炮泥采用*MAT_SOIL_AND_FORM 泡沫材料模型[14]，該模型能夠較好地處理泥土等工程材料在爆炸載荷下大變形的動力響應問題。炮泥材料參數(shù)見表4。

表4 炮泥材料參數(shù)Table 4 Material parameters of stem

2 模擬結果分析

2.1 爆炸應力場分布特征

為了研究中空孔對直眼掏槽爆炸應力場的影響，基于后處理程序，得到有中空孔和無中空孔2 組模型在不同時刻的等效應力云圖（圖2 和圖3）。

根據(jù)圖2 和圖3 可以看出，掏槽孔內(nèi)炸藥從底部開始起爆并逐漸向上傳爆，爆炸應力波以柱面波的形式向外傳播，當應力波傳播到中空孔，在充當自由面的中空孔處發(fā)生應力波反射，中空孔附近巖體中的有效應力強度明顯大于無中空孔模型，即中空孔周圍產(chǎn)生了明顯的應力集中效應。

圖2 有中空孔模型不同時刻等效應力云圖Fig.2 Von Mises stress isolines distribution of hollow hole model at different time

圖3 無中空孔模型不同時刻等效應力云圖Fig.3 Von Mises stress isolines distribution of non-hollow hole model at different time

為了能夠更加直觀地描述中空孔周圍爆炸應力場分布特征，在2 組模型正中間上方距離掏槽孔底部600 mm 的地方各取1 個測點，通過后處理程序每隔0.02 ms 輸出該測點的等效應力值，得到的2組模型測點的等效應力時程曲線如圖4。

圖4 等效應力時程曲線Fig.4 Equivalent stress time history curves

根據(jù)圖4 可以看出，有中空孔模型孔壁測點的等效應力峰值為107.0 MPa，而無中空孔模型中心區(qū)域測點的等效應力峰值為20.3 MPa，且在2 ms內(nèi)有中空孔模型孔壁測點的等效應力值基本高于無中空孔模型中心區(qū)域測點，充分說明中空孔附近產(chǎn)生了明顯的應力集中效應。

2.2 槽腔巖體破壞情況

為了能夠進一步研究槽腔巖體破壞情況，通過在k 文件中添加*MAT_ADD_EROSION 單元失效關鍵字，將巖體的拉、壓強度參數(shù)定義為單元失效閥值，從而實現(xiàn)槽腔內(nèi)巖體的損傷與破壞[15]。當槽腔巖體破壞演化完成以后，在上方距離掏槽孔底部600 mm 的地方垂直于炮孔方向截取橫向平面，可以得到2 組模型在該處的巖體破壞情況（圖5）。

圖5 直眼掏槽槽腔巖體破壞情況Fig.5 Failure of rock mass in straight cut cavity

根據(jù)圖5 可以看出，對于有中空孔的直眼掏槽爆破模型，槽腔內(nèi)巖體能夠被充分破壞，中空孔與掏槽孔之間形成了貫穿裂隙，且中空孔孔壁處發(fā)生了片狀層裂，因此在爆生氣體作用下該部分將會被拋擲出槽腔，形成有效的自由面；而對于無中空孔爆破模型，槽腔中間巖體保持了較好的完整性，未能夠被充分破壞，在工程中的表現(xiàn)就是殘孔、炮孔利用率低。

分析認為造成這種差異的原因在于，中空孔的應力集中導致裂紋優(yōu)先向掏槽孔與中空孔的連線方向發(fā)展；應力波傳播到中空孔孔壁，在中空孔孔壁上產(chǎn)生反射而形成拉伸應力波，由于巖石動抗拉強度較低，造成了中空孔孔壁巖體發(fā)生層裂現(xiàn)象。

3 結 論

1）由于中空孔處發(fā)生了應力波反射，中空孔附近產(chǎn)生明顯的應力集中效應，中空孔模型孔壁測點的等效應力峰值為107.0 MPa；而無中空孔模型中心區(qū)域測點的等效應力峰值為20.3 MPa。

2）比較2 組模型的槽腔巖體破壞情況，有中空孔時槽腔內(nèi)巖體被充分破壞，中空孔與掏槽孔之間形成貫穿裂隙，且中空孔孔壁附近形成了層裂現(xiàn)象；無中空孔時槽腔內(nèi)巖體保持了較好的完整性。