隧道工程聚能爆破圍巖裂紋演化機理研究

摘要：目前我國隧道工程聚能爆破的應用實踐仍處于初期階段，研究隧道工程聚能爆破圍巖裂紋演化機理，對指導實際工程應用具有一定的現(xiàn)實意義。通過分析聚能爆破的相關作用原理，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。通過理論分析與實驗測試相結合的方式，揭示了隧道工程聚能爆破圍巖裂紋演化機理，對相關工作人員具有一定的科學參考價值。

關鍵詞：隧道工程；聚能爆破；破巖機理；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險與挑戰(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隧道工程的實施工作。

這種方法雖然經濟快速，但超欠挖相對嚴重，難以進行相對精準的把控施工對隧道保留巖體的損害程度，可能直接導致隧道坍塌等事故，存在較大的安全隱患，嚴重威脅著相關人員的生命安全。

為減小圍巖損傷程度、改善施工環(huán)境、加強對施工效果的把控，相關工作人員在實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、結構、構造、強度、成分含量等不同，導致爆破環(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理的相關研究，能為隧道工程聚能爆破的準備階段提供一定的科學依據(jù)，有助于滿足隧道工程的相關需要，為相關工作者提供一定的參考。

1" "聚能爆破破巖機理

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起爆，將藥型罩擠壓致變形，從而在有限空間內形成聚能射流[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。聚能裝藥結構及聚能射流的形成過程如圖1所示。

聚能射流的起爆點設定在炸藥結構的幾何中心點，有助于爆破瞬間產生相對集中的應力波。應力波能量隨時間不斷外擴，使得聚能藥包爆炸的聚能方向形成定向裂紋，達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，從而達到保護巖體整體結構的效果。

1.2" 聚能爆破圍巖開裂作用過程

基于傳統(tǒng)的爆轟流體力學理論，結合聚能藥裝結構的巖體破裂原理，可將隧道圍巖體的致裂過程分為4個階段[3]，即初始裂紋形成階段、爆炸沖擊波作用階段、應力波作用階段、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藥品的瞬時爆轟實現(xiàn)的，其產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。大量實驗證明，在初始裂紋形成階段，優(yōu)先開裂的裂紋會在持續(xù)作用力下擴張成定向裂紋。

1.2.2" 爆炸沖擊波作用階段

爆轟產物具有高溫高壓的普遍特點，其與炮孔壁的強烈碰撞使得爆炸沖擊波不斷被激起。當沖擊波強度≥隧道巖體的抗壓強度時，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" 應力波作用階段

爆炸產生的沖擊波在擴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Σㄗ饔?。該部分能量小于巖體的抗壓強度。當達到巖體抗拉強度時，隧道巖體出現(xiàn)徑向拉伸裂紋[4]。巖體受壓產生的環(huán)向拉應力，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

聚能爆破產生大量爆生氣體，在炮孔周圍形成準靜態(tài)應力場，隨著爆生氣體的作用，隧道巖體的裂紋尖端拉應力逐步增大，使得裂紋進一步擴張。由于爆生氣體氣壓大小、作用時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理，同時建立圍巖裂紋擴展模型，能夠獲得聚能爆破裂紋擴展的力學分析詳情。巖體裂紋擴展分析模型如圖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生變化，將不同階段能夠對巖體產生破壞的峰值設為P1、P2、P3，P1為爆轟產物的沖擊壓力，P2為粉碎區(qū)邊界能承受的壓力峰值，P3為爆炸產生的氣體準靜壓力。

由于施工環(huán)境中的圍巖結構往往并非完全的對稱結構，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雜，使得最終形成的裂紋形式主要以Ⅰ-Ⅱ型的復合裂紋為主。其裂紋尖端區(qū)域的應力表達詳見公式（1）：

（1）

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

2.2" 圍巖裂紋擴展階段

起爆后，沖擊波的作用力將直接導致隧道工程中巖體被壓碎。該荷載作用力隨沖擊波的擴散逐步減小，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)裂紋的擴展。在人工控制范圍內，選擇合適的爆破方向及不耦合系數(shù)，能夠將粉碎區(qū)的范圍控制在一定半徑內。

2.3" 應力波作用階段

應力波作用源于爆轟波在圍巖擴散過程的不斷衰減，當應力達不到圍巖的抗壓強度時，就形成了應力波。應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)向應力，可能對巖體造成拉伸性破壞，促使巖體產生徑向裂紋。基于巖體本身的不同密度，應力波作用下其位移大小不同，阻力不同，使得圍巖產生剪切裂紋，因此，在應力波作用下，圍巖列為擴展范圍內，主要為I型和II型裂紋。

2.3.1" 裂紋擴展方向

基于最大應力準則，當環(huán)向應力超過圍巖抗拉強度時，裂紋持續(xù)擴展。將裂紋斷裂情況作為判斷依據(jù)，可得應力波作用下裂紋開展的條件應滿足如下：

（3）

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

2.3.2" 裂紋擴展長度

應力波作用下，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展長度具有一定的數(shù)學邏輯關系。因此，設定聚能方向裂紋擴展區(qū)域影響系數(shù)為α，二者之間的關系詳見公式（4）：

（4）

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

3" "隧道工程聚能爆破實驗

3.1" 實驗描述

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

選定有機玻璃尺寸為1300mm×6mm×13mm，炮孔位置選定為該試驗材料的數(shù)學幾何中心區(qū)域，炮孔直徑60mm。材料相關力學參數(shù)設定如下：縱橫波速C=1260m/s，彈性模量E=6.0GPa，泊松比μ=0.32。實驗選用乳化炸藥、PVC聚能管道，沿炮孔中心朝聚能方向三個方向布置應變片。

實驗中，主要采用箔式應變片，相關參數(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" 實驗結果分析

實驗開展后爆破裂紋擴展情況如圖3所示。聚能爆破起爆后，迅速產生爆轟產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玻璃的抗壓強度，在有機玻璃的炮孔周圍產生粉碎區(qū)。

如圖3所示，隨著沖擊波的外擴傳播，其能量逐漸遞減，對粉碎區(qū)外圍產生環(huán)向拉應力，進而產生了徑向裂紋。同時，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。應力波迅速向外擴展，使得能量持續(xù)減弱演變?yōu)榈卣鸩?，不再破壞有機玻璃的物理結構，不再形成裂紋。

該實驗粉碎區(qū)半徑相對較小，但范圍內均已粉碎，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，能有效實現(xiàn)定向爆破圍巖，把控圍巖裂紋的擴展范圍有助于提升隧道工程的操作安全等級及施工精細化程度。

4" "結束語

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，應用前景廣闊。

本文通過理論分析和實驗驗證，對隧道工程聚能爆破四個主要階段的圍巖裂紋演化及擴展規(guī)律展開了一定的分析，明確了圍巖裂紋的演化機理，對于指導相關隧道工程具有一定的參考意義。

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