摘要：目前我國隧道工程聚能爆破的應(yīng)用實(shí)踐仍處于初期階段，研究隧道工程聚能爆破圍巖裂紋演化機(jī)理，對指導(dǎo)實(shí)際工程應(yīng)用具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。通過分析聚能爆破的相關(guān)作用原理，對聚能爆破過程展開理論分析，建立圍巖裂紋的發(fā)展模型。通過理論分析與實(shí)驗(yàn)測試相結(jié)合的方式，揭示了隧道工程聚能爆破圍巖裂紋演化機(jī)理，對相關(guān)工作人員具有一定的科學(xué)參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：隧道工程；聚能爆破；破巖機(jī)理；圍巖裂紋演化

0" "引言

隧道工程的施工中，由于涉及到爆炸物等的使用，往往伴隨著較大的風(fēng)險(xiǎn)與挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的隧道工程施工方法主要為鉆爆法，即通過鉆孔、裝藥、爆破開挖巖石等方法開展相關(guān)隧道工程的實(shí)施工作。

這種方法雖然經(jīng)濟(jì)快速，但超欠挖相對嚴(yán)重，難以進(jìn)行相對精準(zhǔn)的把控施工對隧道保留巖體的損害程度，可能直接導(dǎo)致隧道坍塌等事故，存在較大的安全隱患，嚴(yán)重威脅著相關(guān)人員的生命安全。

為減小圍巖損傷程度、改善施工環(huán)境、加強(qiáng)對施工效果的把控，相關(guān)工作人員在實(shí)踐中逐步開始有選擇地選擇聚能爆破的方式。隧道工程圍巖巖體的種類、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、強(qiáng)度、成分含量等不同，導(dǎo)致爆破環(huán)境具有多變性，加之涉及聚能爆破炸藥配比須保障一定的精準(zhǔn)度，增加了隧道工程在施工中的難度。

開展對聚能爆破圍巖裂紋演化機(jī)理的相關(guān)研究，能為隧道工程聚能爆破的準(zhǔn)備階段提供一定的科學(xué)依據(jù)，有助于滿足隧道工程的相關(guān)需要，為相關(guān)工作者提供一定的參考。

1" "聚能爆破破巖機(jī)理

1.1" 聚能爆破原理

隧道工程聚能爆破通常采用橢圓形聚能炸藥藥包。聚能爆破的過程如下：炸藥在聚能藥型罩內(nèi)起爆，將藥型罩?jǐn)D壓致變形，從而在有限空間內(nèi)形成聚能射流[1]。該聚能射流沿著藥型罩的延伸方向，將大量能量作用于炮孔壁，使得炮孔壁形成初始裂紋。聚能裝藥結(jié)構(gòu)及聚能射流的形成過程如圖1所示。

聚能射流的起爆點(diǎn)設(shè)定在炸藥結(jié)構(gòu)的幾何中心點(diǎn)，有助于爆破瞬間產(chǎn)生相對集中的應(yīng)力波。應(yīng)力波能量隨時(shí)間不斷外擴(kuò)，使得聚能藥包爆炸的聚能方向形成定向裂紋，達(dá)成定向巖體斷裂效果[2]。聚能炸藥的藥型罩及空氣層，會在起爆后有效消耗爆生能量，從而達(dá)到保護(hù)巖體整體結(jié)構(gòu)的效果。

1.2" 聚能爆破圍巖開裂作用過程

基于傳統(tǒng)的爆轟流體力學(xué)理論，結(jié)合聚能藥裝結(jié)構(gòu)的巖體破裂原理，可將隧道圍巖體的致裂過程分為4個(gè)階段[3]，即初始裂紋形成階段、爆炸沖擊波作用階段、應(yīng)力波作用階段、裂紋持續(xù)開展階段。

1.2.1" 初始裂紋形成階段

聚能爆破的起爆是通過化學(xué)藥品的瞬時(shí)爆轟實(shí)現(xiàn)的，其產(chǎn)物擠壓藥型罩形成的聚能射流，本身具有密度高、速度快、氣流壓力大等特點(diǎn)。大量實(shí)驗(yàn)證明，在初始裂紋形成階段，優(yōu)先開裂的裂紋會在持續(xù)作用力下擴(kuò)張成定向裂紋。

1.2.2" 爆炸沖擊波作用階段

爆轟產(chǎn)物具有高溫高壓的普遍特點(diǎn)，其與炮孔壁的強(qiáng)烈碰撞使得爆炸沖擊波不斷被激起。當(dāng)沖擊波強(qiáng)度≥隧道巖體的抗壓強(qiáng)度時(shí)，炮孔附近即會形成粉碎區(qū)。粉碎區(qū)初始裂紋的形成，減小了致使巖體粉碎的能量，使得該階段形成的非聚能方向裂紋較小。

1.2.3" 應(yīng)力波作用階段

爆炸產(chǎn)生的沖擊波在擴(kuò)散過程中受到圍巖阻力，使得沖擊波能量不斷被削弱，逐漸演變?yōu)閼?yīng)力波作用。該部分能量小于巖體的抗壓強(qiáng)度。當(dāng)達(dá)到巖體抗拉強(qiáng)度時(shí)，隧道巖體出現(xiàn)徑向拉伸裂紋[4]。巖體受壓產(chǎn)生的環(huán)向拉應(yīng)力，使得隧道巖體形成環(huán)向裂紋。

1.2.4" 裂紋持續(xù)開展階段

聚能爆破產(chǎn)生大量爆生氣體，在炮孔周圍形成準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力場，隨著爆生氣體的作用，隧道巖體的裂紋尖端拉應(yīng)力逐步增大，使得裂紋進(jìn)一步擴(kuò)張。由于爆生氣體氣壓大小、作用時(shí)長及深度等爆破影響因素，在隧道工程中各不相同，使得圍巖裂紋擴(kuò)張范圍具有一定的差異性。

2" "聚能爆破圍巖裂紋演化分析

2.1" 聚能射流階段

基于隧道巖體圍巖開裂過程中能量的遞減，分析不同作用力階段的巖體破裂機(jī)理，同時(shí)建立圍巖裂紋擴(kuò)展模型，能夠獲得聚能爆破裂紋擴(kuò)展的力學(xué)分析詳情。巖體裂紋擴(kuò)展分析模型如圖2所示。

隧道工程巖體在聚能爆破的作用過程中，會形成粉碎區(qū)、列隙區(qū)和震動區(qū)。根據(jù)爆破能量傳播過程中產(chǎn)生的作用力不同，分為張開型裂紋（Ⅰ型）、滑移型裂紋（Ⅱ型）、撕裂型裂紋（Ⅲ型）等3大類[5]。爆炸荷載作用在爆破過程不斷產(chǎn)生變化，將不同階段能夠?qū)r體產(chǎn)生破壞的峰值設(shè)為P1、P2、P3，P1為爆轟產(chǎn)物的沖擊壓力，P2為粉碎區(qū)邊界能承受的壓力峰值，P3為爆炸產(chǎn)生的氣體準(zhǔn)靜壓力。

由于施工環(huán)境中的圍巖結(jié)構(gòu)往往并非完全的對稱結(jié)構(gòu)，因此其受力情況、裂紋分布各不相同。由于裂紋尖端受力情況相對復(fù)雜，使得最終形成的裂紋形式主要以Ⅰ-Ⅱ型的復(fù)合裂紋為主。其裂紋尖端區(qū)域的應(yīng)力表達(dá)詳見公式（1）：

（1）

式中：σr、σθ、σrθ分別表示裂紋尖端某一點(diǎn)徑向、切向、剪切應(yīng)力，KⅠ、KⅡ分別表示Ⅰ、Ⅱ型裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子，（r，θ）表示以圍巖裂紋尖端為原點(diǎn)的極坐標(biāo)系。

2.2" 圍巖裂紋擴(kuò)展階段

起爆后，沖擊波的作用力將直接導(dǎo)致隧道工程中巖體被壓碎。該荷載作用力隨沖擊波的擴(kuò)散逐步減小，使得粉碎區(qū)的半徑也隨之減小。其中，非聚能方向爆破的荷載表達(dá)式如下：

（2）

式中：t表示徑向不耦合系數(shù)，x表示軸向不耦合系數(shù)，Pm表示臨界壓力值，Pr表示爆轟壓力值，λ表示絕熱指數(shù)。

根據(jù)公式（2）可知，當(dāng)不耦合系數(shù)減小，爆破荷載值增大。不耦合系數(shù)過小不利于裂隙區(qū)裂紋的擴(kuò)展。在人工控制范圍內(nèi)，選擇合適的爆破方向及不耦合系數(shù)，能夠?qū)⒎鬯閰^(qū)的范圍控制在一定半徑內(nèi)。

2.3" 應(yīng)力波作用階段

應(yīng)力波作用源于爆轟波在圍巖擴(kuò)散過程的不斷衰減，當(dāng)應(yīng)力達(dá)不到圍巖的抗壓強(qiáng)度時(shí)，就形成了應(yīng)力波。應(yīng)力波的作用雖不能對圍巖造成粉碎性破壞，但其衍生的環(huán)向應(yīng)力，可能對巖體造成拉伸性破壞，促使巖體產(chǎn)生徑向裂紋?；趲r體本身的不同密度，應(yīng)力波作用下其位移大小不同，阻力不同，使得圍巖產(chǎn)生剪切裂紋，因此，在應(yīng)力波作用下，圍巖列為擴(kuò)展范圍內(nèi)，主要為I型和II型裂紋。

2.3.1" 裂紋擴(kuò)展方向

基于最大應(yīng)力準(zhǔn)則，當(dāng)環(huán)向應(yīng)力超過圍巖抗拉強(qiáng)度時(shí)，裂紋持續(xù)擴(kuò)展。將裂紋斷裂情況作為判斷依據(jù)，可得應(yīng)力波作用下裂紋開展的條件應(yīng)滿足如下：

（3）

式（3）中：KⅠC表示Ⅰ型裂紋的臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子，θw表示圍巖裂紋形成的角度。

2.3.2" 裂紋擴(kuò)展長度

應(yīng)力波作用下，聚能方向粉碎區(qū)的作用能量相對較少，而向外傳播的能量相對較多。聚能方向的裂隙區(qū)范圍增大，聚能方向與非聚能方向的擴(kuò)展長度具有一定的數(shù)學(xué)邏輯關(guān)系。因此，設(shè)定聚能方向裂紋擴(kuò)展區(qū)域影響系數(shù)為α，二者之間的關(guān)系詳見公式（4）：

（4）

式（4）中：Std表示環(huán)向最大拉應(yīng)力，b為比例系數(shù)，α表示應(yīng)力波衰減系數(shù)。

3" "隧道工程聚能爆破實(shí)驗(yàn)

3.1" 實(shí)驗(yàn)描述

鑒于有機(jī)玻璃的裂紋發(fā)育結(jié)果與巖石材料一致，因此選用有機(jī)玻璃，作為隧道工程聚能爆破類比模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)材料，開展聚能爆破圍巖裂紋演化機(jī)理的相關(guān)研究。

選定有機(jī)玻璃尺寸為1300mm×6mm×13mm，炮孔位置選定為該試驗(yàn)材料的數(shù)學(xué)幾何中心區(qū)域，炮孔直徑60mm。材料相關(guān)力學(xué)參數(shù)設(shè)定如下：縱橫波速C=1260m/s，彈性模量E=6.0GPa，泊松比μ=0.32。實(shí)驗(yàn)選用乳化炸藥、PVC聚能管道，沿炮孔中心朝聚能方向三個(gè)方向布置應(yīng)變片。

實(shí)驗(yàn)中，主要采用箔式應(yīng)變片，相關(guān)參數(shù)如下：電阻為120Ω（±1%），靈敏系數(shù)為2（±1%），絕緣電阻阻值為50000MΩ，靈敏度隨溫度變化值為2/100，熱輸出系數(shù)為1。

3.2" 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)開展后爆破裂紋擴(kuò)展情況如圖3所示。聚能爆破起爆后，迅速產(chǎn)生爆轟產(chǎn)物形成相對定向的聚能射流。由于其沖擊波作用力大于該有機(jī)玻璃的抗壓強(qiáng)度，在有機(jī)玻璃的炮孔周圍產(chǎn)生粉碎區(qū)。

如圖3所示，隨著沖擊波的外擴(kuò)傳播，其能量逐漸遞減，對粉碎區(qū)外圍產(chǎn)生環(huán)向拉應(yīng)力，進(jìn)而產(chǎn)生了徑向裂紋。同時(shí)，由于聚能射流的持續(xù)作用，聚能方向形成了相對更長的初始裂紋。應(yīng)力波迅速向外擴(kuò)展，使得能量持續(xù)減弱演變?yōu)榈卣鸩?，不再破壞有機(jī)玻璃的物理結(jié)構(gòu)，不再形成裂紋。

該實(shí)驗(yàn)粉碎區(qū)半徑相對較小，但范圍內(nèi)均已粉碎，裂隙區(qū)整體呈現(xiàn)橢圓形，為裂紋的主要開展區(qū)，震動區(qū)基本沒有裂紋，該結(jié)果與理論分析大致保持一致。由此證明，聚能爆破使得炸藥的能量相對集中，能有效實(shí)現(xiàn)定向爆破圍巖，把控圍巖裂紋的擴(kuò)展范圍有助于提升隧道工程的操作安全等級及施工精細(xì)化程度。

4" "結(jié)束語

隧道工程聚能爆破有助于在施工中減少圍巖裂紋的產(chǎn)生，極大地保留了爆破后圍巖的承載能力，能有效提升炸藥資源利用的有效性，對改善施工作業(yè)環(huán)境具有一定作用，一定程度上提升了對施工人員人身安全的保障，應(yīng)用前景廣闊。

本文通過理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，對隧道工程聚能爆破四個(gè)主要階段的圍巖裂紋演化及擴(kuò)展規(guī)律展開了一定的分析，明確了圍巖裂紋的演化機(jī)理，對于指導(dǎo)相關(guān)隧道工程具有一定的參考意義。

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