爆炸载荷下邻近巷道围岩破坏规律试验研究.pdf

第37卷第3期 2020年9月 Vol. 37 No. 3 Sep. 2020 bMg do i 10. 3963/j. issn . 1001 -487X. 2020.03.003 爆炸载荷下邻近巷道围岩破坏规律试验研究 刘康育东明3陈亮鋭,张贮刘宝矿 1.中国矿业大学北京力学与建筑工程学院，北京100083； ； 2.深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，北京100083 摘要为了深入分析爆炸载荷下邻近巷道围岩破坏规律，采用相似模型试验对围岩破坏形态展开了详细 研究。试验结果表明巷道围岩的破坏区域主要分布在迎爆侧直墙、巷道顶底板和背爆侧直墙底角，破坏形 态为自由面诱发裂纹并沿炮孔径向扩展。结合理论分析发现强压缩波传播过程中，迎爆侧直墙至起拱点区 域受竖向拉伸应力作用，该区域自由面单元拉裂并沿最小抵抗线方向扩展向炮孔；背爆侧直墙底角尖端指向 顺应力波传播方向是该区域诱发裂纹的关键因素;在上覆岩层重力作用下，顶底板形成受拉损伤界面。当受 到反射波和却载波综合作用时，顶底板微细观损伤发展成为宏观裂纹。 关键词爆炸载荷；邻近巷道；裂纹扩展；扩展机理 中图分类号TD23 文献标识码A 文章编号1001 -487X202003 - 0015 - 06 Experimental Study on Surrounding Rock Failure Law of Adjacent Roadway Under Explosive Loading L IU Kang1, GUO Dong-ming1,2, CHEN L iang-liang1, ZHANG Shuai1 ,L J U Bao-yin 1. Sch o o l o f Mech a n ic adjacent tunnel; crack g rowth； ； g rowth mechanism 收稿日期2020-03-23 作者简介刘 康1988 -,男，博士后，主要从事动静载荷下巷 隧道围岩损伤演化规律及机理研究， E-mail liukang 0512 163. como 基金项目国家重点研发计划2017YFC0804204-04；国家自然基金 面上项目51274204；教育部新世纪优秀人才支持计划 NCET-12-0965 当前，大多数穿山隧道、煤矿岩巷等，由于岩性 坚硬，采用掘进机存在能耗高、磨损严重等缺点，仍 普遍采用钻爆法施工⑷。然而，钻爆法施工产生的 爆破振动可能危及邻近巷道的安全运行⑵。虽然 16爆破2020年9月 合理的安全间距能有效地避免爆破振动的影响⑶， 但有时很难完全避免危险间距内施工，如流潭隧道 等⑷、招宝山隧道和竖向净距仅2. 7 m的成渝高铁 新中梁山隧道I“。 为了保证邻近爆破振动影响下小间距既有巷 （隧）道的安全，许多学者开展了大量相关研究。理 论分析方面，邻近爆炸载荷下巷道围岩响应一般简 化为应力波下的动应力集中，着重研究巷道围岩动 应力集中系数及影响因素［何；数值分析方面，一般 通过LS-DYNA等数值分析软件，以有效应力和质点 振速为分析指标，模拟研究爆炸载荷下邻近巷道的 动态扰动mm ；实验室试验方面，一些学者将关注 点放在爆炸载荷下邻近巷道围岩裂纹扩展规律研 究U3J4］o上述研究发现巷道迎爆侧直墙至起拱点 区域为最主要扰动区，另外，在背爆侧底角区域，由 于应力集中，往往诱发裂纹扩展［⑶O 上述研究内容主要分为两方面一是假设围岩 完整，研究爆炸载荷下邻近巷道围岩的动态响应;二 是认为爆炸载荷下邻近巷道围岩破坏表现为裂纹的 扩展贯穿，详细研究了爆炸载荷下围岩裂纹扩展规 律,而未考虑巷道原岩应力场等因素的影响。另外, 实际巷道围岩体相当复杂，且不同巷道的围岩地质 条件差异较大，很难获得一般性规律,且巷道破坏时 存在很大危险性,很难实现现场观测，因此，爆炸载 荷下邻近巷道围岩破坏形态的相关研究仍较少［⑸O 为了更为真实地还原爆炸载荷下邻近巷道围岩破坏 形态,深入分析围岩破坏规律,本文采用相似模型试 验展开了详细研究。 1模型制作 通过相似理论分析,综合试验模型的可操作性 等因素，确定几何相似比为1 50,模型材料及配比为 石膏细砂水二161。本文采用直径6 mm的工业 瞬发电雷管起爆模拟邻近爆炸载荷,雷管数量的选 取主要保证现象的明显,以呈现理想的破坏形态，不 做相似分析。模型尺寸800 mm X 800 mm X 300 mm,下部断面为矩形,尺寸为160 mmx80 mm, 上部断面为半圆拱,半径为80 mmo为了保证围岩 的均质性和密实性,模型连续浇筑、分层振捣。采用 涂抹润滑油的玻璃棒预留8 mm的孔洞模拟炮孔; 采用木模板和PVC管制作的简易巷道模具预留直 墙拱形孔洞模拟巷道;整个模型模具采用木模板制 作。由于模型尺寸较小，以50 mm厚的黄泥作为边 界条件，吸收应力波，以避免应力波反射影响试验结 果，如图1所示。 图1试验模型图 Fig . 1 Test model 2相似模型试验结果分析 为充分了解不同方位爆炸载荷对邻近巷道围岩 破坏规律的影响，每个模型共进行了三次不同方位 的爆破试验左侧平行爆破、左上方爆破和正上方爆 破,每次爆破后拍摄图片，以对比分析三次爆破效 果。另外,为了保证试验结果的可靠性，进行了三组 重复试验，取其中试验现象较为明显且试验结果重 复性高的一组进行分析。 2.1第一次左侧平行爆破第一次左侧平行爆破 一般炮掘巷道与既有巷道平行,故首次爆破位 置选择巷道的左侧，并在同一水平上,爆破结果见图 2。从图中可看到，爆破后，巷道周边区域出现明显 的裂纹扩展，裂纹扩展区域分布在拱顶（裂纹编号 为1）、迎爆侧直墙（裂纹编号为2）和底板靠近迎 爆侧底角区域（裂纹编号为3）。 图2（a）为拱顶区域的放大图像，从图中可看 到,1裂纹起裂点靠近拱顶自由面的中心位置，裂纹 整个扩展轨迹可分为三段第一阶段近似炮孔环向; 第二段偏转向炮孔径向;第三段为竖直方向。很明 显,裂纹扩展的诱因是爆炸载荷,而裂纹扩展轨迹之 所以变化，与上覆岩层重力作用下围岩应力场有很 大关联。因此,拱顶裂纹的扩展是爆炸载荷和上覆 岩层重力综合作用的结果。2裂纹位于迎爆侧直墙 靠近起拱点区域［见图2（b）］，且基本沿水平方向 扩展向炮孔位置，因此，初步判断爆炸载荷对2裂 纹的扩展过程起决定性作用。3裂纹初始扩展轨迹 为竖直方向,并逐渐向炮孔环向方向偏转,但偏转角 度较小。 通过上述分析可初步确定,巷道顶底板裂纹的 扩展是爆炸载荷和上覆岩层重力综合作用的结果, 而迎爆侧直墙裂纹扩展主要源于爆炸载荷的作用。 另外,裂纹扩展的直接诱因是爆炸载荷,且扩展起始 位置均为巷道自由面。 2.2第二次左上方爆破第二次左上方爆破 第二次爆破炮孔位置选择巷道的左上方。爆破 第37卷第3期刘 康，郭东明,陈亮亮，等 爆炸载荷下邻近巷道围岩破坏规律试验研究17 后，巷道拱形区域出现了新的裂纹（5裂纹），如图3 所示,5裂纹位于第二次爆破的迎爆侧,且扩展轨迹 基本沿第二次爆破炮孔的径向方向;在背爆侧底角位 置出现了新的裂纹（4裂纹）,4裂纹初始轨迹沿水平 方向，该方向扩展应该在首次爆破后已经出现，只是 扩展现象不明显,很难观测到,第二次爆破后,裂纹宽 度增加，出现明显的扩展轨迹。同时,第二次爆炸载 荷作用下,4裂纹偏转向炮孔径向继续扩展。第二次 爆破与第一次相比,存在相似的规律,即诱发的裂纹 起始点均为巷道自由面，且沿爆破炮孔径向扩展。 a 拱部区域 a Ar ch sect io n b侧帮区域 b Tu n n el side sect io n 图2左侧平行爆破 Fig . 2 The left side parallel explosion 图3斜上方爆破 Fig . 3 The explosion above the top left of tunnel 很大关联，其中，巷道围岩迎爆侧、巷道顶底板和背 爆侧底角是裂纹的主要扩展区域，且诱发裂纹主要 沿炮孔径向。另外，通过试验现象可知，尽管在上覆 岩层重力或者构造应力作用下,巷道尚未表现明显 的破坏现象,但在爆炸载荷等偶然荷载综合作用下, 巷道围岩很可能出现瞬时的裂纹扩展，甚至发生灾 难性的事故,因此,进行邻近爆破施工时,应对既有 巷道或建筑物进行必要的风险评估。 3巷道围岩裂纹扩展机理分析 2.3第三次正上方爆破第三次正上方爆破 第三次爆破炮孔位置选择巷道的正上方，第三 次爆破对巷道的影响主要包括两方面一是2裂纹 的扩展轨迹,2裂纹扩展方向偏转向第三次爆破的 炮孔径向;二是2裂纹和4裂纹扩展轨迹变得更加 清晰,即裂纹宽度明显增加，见图4。 图4正上方爆破 Fig . 4 The explosion above the top of tunnel 三次不同方位爆破试验结果表明，爆炸载荷作 用下邻近巷道围岩的破坏以裂纹扩展为主，且裂纹 的起始点均为自由面。诱发裂纹区域与爆源方位有 由于不同方位爆破,诱发裂纹的扩展规律具有 相似性,且平行爆破较为常见,诱发裂纹相对较多, 因此,以第一次平行爆破为例,对爆炸载荷下邻近巷 道围岩裂纹扩展机理展开详细研究。 3.1迎爆侧直墙诱发裂纹迎爆侧直墙诱发裂纹 巷道迎爆侧是邻近爆炸载荷的初始作用区域, 根据最小抵抗线理论，扰动也最为明显，炸药爆炸 后，强压缩波作用于邻近巷道围岩。当间距较小时, 围岩体可近似看作受弯梁结构,在强压缩波作用下, 巷道靠近自由面区域岩体单元受到竖向拉应力作 用，诱发裂纹，扩展向炮孔方向，见图5。 最小抵抗线岩体单兀 爆源裂纹扩展方向 巷道自由面 图5迎爆侧裂纹扩展机理分析 Fig . 5 The mechanism analysis about crack g rowth in the face blasting side 18爆破2020年9月 3.2背爆侧直墙底角诱发裂纹背爆侧直墙底角诱发裂纹 直墙拱形巷道两底角为几何尖端,邻近爆炸载 荷作用下，产生应力集中,成为主要扰动区域。以常 用的质点振速为分析指标，大量的研究表明,迎爆侧 直墙底角质点振速峰值远大于背爆侧直墙底角，但 根据平行爆破试验结果,背爆侧底角反而诱发了裂 纹，迎爆侧底角未发现明显的裂纹扩展。为了合理 解释上述现象，绘制了图6。已知爆炸载荷作用下, 岩体单元径向压缩，产生切向拉伸应力，诱发裂纹沿 炮孔径向方向扩展，因此规定炮孔径向为轴线，应力 波传播方向为正方向，简称为炮孔径向。两直墙底 角的尖端指向以角平分线为轴线，定义直墙底角尖 端指向与炮孔径向夹角为0,当。二0。时，应力波完 全顺着尖端指向传播，尖端两自由面应力波反射形 成最大的拉伸应力，裂纹最易扩展;当。〉90。时，为 逆炮孔径向方向，不利于尖端扩展，当。＜90。时，为 顺炮孔径向方向，利于尖端扩展。很明显，背爆侧底 角尖端顺炮孔径向，相较于迎爆侧直墙底角,爆炸载 图6直墙底角裂纹扩展机理分析 Fig . 6 The mechanism analysis about crack g rowth in the bottom ang le 3.3顶底板诱发裂纹顶底板诱发裂纹 由实验结果可知,顶底板诱发裂纹与上覆岩层 重力和爆炸载荷有关。大量研究表明，顶板可简化 为组合梁,在上覆岩层压力作用下，顶板向下弯曲， 中性轴以下单元水平方向受拉，设为6 ,其中，自由 面附近单元拉应力最大。已知，上覆岩层压力传播 途径为,压力首先通过顶板传递到两帮，然后作用于 巷道底板，如图7a ,在两侧挤压力作用下，自由面 附近单元受水平拉应力作用，设为6 ,底板向上弯 曲，严重时岀现底鼓现象。另外,大量研究表明，当 围岩侧压力系数小于1时，顶底板中将出现拉应力， 极易引起底板受拉破坏［⑹。 上述分析可知,巷道在上覆岩层重力的作用下, 巷道顶底板受拉,形成拉应力损伤界面,尤其顶底板 中点附近可能拉裂。当应力波传播到损伤界面时, 发生应力波反射，产生水平方向的拉应力；另外，应 力波传播过程中将在围岩中储存弹性应变能，当弹 性应变能释放时，形成卸载波,也将在围岩中产生水 平方向拉应力，一般来说,卸载波的卸载回弹效应往 往在原有损伤界面表现更为明显。在卸载波和损伤 界面反射波作用下，顶底板的拉应力分别为6和 5,见图7bo根据叠加原理，爆炸载荷和围压作 用下 顶板单元拉应力为 ar a2 ⑴ 底板单元拉应力为 ab a2 cr4 2 当顶板或底板单元动态拉应力超过动态抗拉强 度时，顶板或底板诱发宏观裂纹，见图7c。实验 研究中，底板的拉裂纹没有出现在底板中点,而是出 现在底板靠近迎爆侧底角附近，可能是模型浇筑过 程中该区域出现原始损伤，应力波在原始损伤处发 生反射，从而诱发裂纹扩展。 a Over bu r den pr essu r e a ct io n b应力波作用 b St r ess wa ve a ct io n c综合作用下裂纹扩展 c Cr a ck pr o pa ga t io n u n der co mbin ed a ct io n 图7爆炸载荷和上覆岩层压力综合作用下巷道围岩受力分析 Fig . 7 The stress analysis of tunnel under the compression of overbum rock and explosive load 4结论 1相似模型试验结果表明，爆炸载荷作用下 邻近巷道围岩的破坏以裂纹扩展为主，且裂纹的起 始点均为自由面。而裂纹扩展区域与爆源方位有很 大关联，其中，巷道围岩迎爆侧、巷道顶底板和背爆 第37卷第3期刘 康，郭东明,陈亮亮，等 爆炸载荷下邻近巷道围岩破坏规律试验研究19 侧底角是主要裂纹扩展区，且诱发裂纹主要沿炮孔 径向。 2 不同方位爆破，邻近巷道围岩破坏往往发 生在首次破坏位置,但裂纹扩展方向往往偏转向当 次爆破炮孔径向和环向。 3 强压缩波作用是迎爆侧最小抵抗线方向拉 裂纹产生的主要原因;相较于迎爆侧直墙底角，背爆 侧底角尖端指向顺炮孔径向是诱发裂纹的关键因 素;上覆岩层重力作用下，顶底板往往产生损伤界 面,当爆炸载荷作用于原损伤界面时,损伤界面发展 为宏观裂纹。 参考文献参考文献References [1] 郭东明，刘 康,杨仁树，等动静荷载对邻近巷道裂 纹扰动的模拟实验[J]爆炸与冲击,2016,363 297- 304. 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