基于數(shù)值模擬的隧道光面爆破研究現(xiàn)狀

楊幸?！〔艿韫狻」駯|　白亞東

摘? 要：爆破是隧道施工中的一種常用手段，但是爆破技術(shù)仍然不算成熟，爆破中常出現(xiàn)超欠挖現(xiàn)象，所以爆破技術(shù)有很大的提升空間。但是爆破試驗(yàn)危險(xiǎn)性大，成本高，不易實(shí)施?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)爆破技術(shù)進(jìn)行研究，并取得不錯(cuò)的進(jìn)展。該文總結(jié)了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究成果，了解國(guó)內(nèi)外爆破技術(shù)的研究現(xiàn)狀，為隧道施工中的爆破提供一些參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：隧道;光面爆破;數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：TD235? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

在隧道爆破施工時(shí)，我國(guó)常用的一種施工方法是控制爆破法。但是在目前的隧道施工中，施工單位有時(shí)會(huì)為了工程進(jìn)度，盲目加大裝藥量、開挖進(jìn)尺等，從而導(dǎo)致隧道開挖時(shí)超欠挖的現(xiàn)象特別明顯。爆破造成的超欠挖，對(duì)于施工速度以及施工成本有不可忽視的影響。超欠挖現(xiàn)象同時(shí)還會(huì)對(duì)工程質(zhì)量造成影響，使支護(hù)厚度不足，從而影響工程質(zhì)量驗(yàn)收。材料及人員成本也會(huì)因超欠挖增加，從而造成工程造價(jià)的提高。該文探討了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究成果，了解國(guó)內(nèi)外爆破技術(shù)的研究現(xiàn)狀，為工程爆破提供一定的參考。

1 光面爆破研究現(xiàn)狀

光面爆破技術(shù)在20世紀(jì) 50 年代起，便被國(guó)外普遍應(yīng)用，光面爆破技術(shù)的構(gòu)想由倫德鮑爾和蘭格費(fèi)爾斯兩位學(xué)者最先提出，然后在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行試驗(yàn)，使構(gòu)想得以驗(yàn)證，隨后該技術(shù)就被應(yīng)用在隧道爆破工程實(shí)際中，并且取得成功。美國(guó)和加拿大緊隨其后對(duì)光面爆破技術(shù)進(jìn)行了深入研究，進(jìn)一步應(yīng)用于更多的巖土工程實(shí)際項(xiàng)目中。由于光面爆破技術(shù)優(yōu)勢(shì)突出，使得爆破后平整度提高，工程成本降低，經(jīng)濟(jì)效益良好。從而光面爆破技術(shù)被更多國(guó)家相繼引進(jìn)，也應(yīng)用于更多的工程中，如礦山、水電站等。

在巖石中炸藥爆炸是高溫高壓、瞬 時(shí)的劇烈膨脹的做功過(guò)程，由于對(duì)于巖石機(jī)理的認(rèn)識(shí)不足以及巖體性質(zhì)復(fù)雜，目前還沒有形成完整的巖石爆破作用機(jī)理理論。巖石爆破機(jī)理包括爆炸產(chǎn)生的應(yīng)力波與爆生氣體分別作用以及兩種現(xiàn)象共同作用。分別通過(guò)爆破荷載作用原理，理論模型以及巖石在爆破下的破壞準(zhǔn)則進(jìn)行研究，20 世紀(jì) 80 年代，美國(guó)的 sandia 實(shí)驗(yàn)室首先研究了巖石爆破損傷理論，然后損傷力學(xué)模型不斷在房屋結(jié)構(gòu)、武器裝備等各個(gè)領(lǐng)域得到大量應(yīng)用。由于實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)步驟復(fù)雜，高精度設(shè)備研究成本高，數(shù)值模擬便成為了一種高效便捷、節(jié)約成本的研究手段。自此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)巖石爆破機(jī)理、巖石損傷理論進(jìn)行了大量研究，數(shù)值模擬也應(yīng)用廣泛，對(duì)爆破參數(shù)的研究等方面有著重要意義。

2 巖石爆破理論研究現(xiàn)狀

Persson 等對(duì)巖石進(jìn)行了爆破現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，研究分析爆炸產(chǎn)生的沖擊波對(duì)脆性材料破碎過(guò)程的影響與機(jī)理。20世紀(jì)70年代，Kutter 和 Fairhurst通過(guò)爆破研究認(rèn)為，爆生氣體形成的準(zhǔn)靜壓應(yīng)力場(chǎng)以及爆炸應(yīng)力波共同作用對(duì)于巖石裂縫擴(kuò)展起促進(jìn)作用。QZong對(duì)緩沖裝藥的光面爆破原理進(jìn)行研究，光面爆破效果得到提高。SK提出了光面爆破的一種數(shù)學(xué)模型，達(dá)到了圍巖無(wú)損壞的控制爆破效果。Kipp 等人使用 K—G 損傷模型，并用材料的體積分?jǐn)?shù)來(lái)定義損傷?；诹鸭y擴(kuò)展和威布爾裂紋分布的概念，確定了裂紋擴(kuò)展和變化的速度方程。Kuszmau提出了爆炸引起的巖石破壞本構(gòu)模型，可以計(jì)算出爆炸引起的碎石斷裂，反映了巖石的脆性斷裂。Fakhimi A 及 Lanari M應(yīng)用數(shù)值模擬研究了爆炸產(chǎn)生氣體對(duì)裂縫擴(kuò)展的作用，同時(shí)研究了應(yīng)力波的反射拉伸從而使巖石產(chǎn)生裂縫的相關(guān)破壞機(jī)理。Yang. R 等通過(guò)實(shí)驗(yàn)，得出應(yīng)力波產(chǎn)生的疊加、干涉以及反射使孔間裂縫擴(kuò)展速度發(fā)生變化，而且促進(jìn)裂縫發(fā)展。凌偉明等[1]提出一種巖石斷裂的力學(xué)模型，對(duì)預(yù)裂爆破以及光面爆破斷裂的特征進(jìn)行了研究，對(duì)爆生氣體所產(chǎn)生的準(zhǔn)靜壓力在巖石爆破的過(guò)程中起到的作用進(jìn)行了分析，并且對(duì)它的斷裂機(jī)理進(jìn)行闡述。眾多學(xué)者對(duì)巖石爆破理論進(jìn)行了深入的研究，并取得了深入的進(jìn)展，但是巖石爆破理論的研究仍沒有到頭還需要學(xué)者們繼續(xù)進(jìn)行研究探討。

3 隧道爆破數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀

DAI J對(duì)光面爆破中使炮孔分離的因素進(jìn)行了研究，分析了炮眼堵塞質(zhì)量對(duì)炮孔分離產(chǎn)生的影響。Hinzen K G通過(guò)爆破振動(dòng)的測(cè)試與分析技術(shù)，對(duì)小振動(dòng)的光面爆破技術(shù)進(jìn)行了研究。Pu C通過(guò)對(duì)巖石分析試驗(yàn)，得出邊坡光面爆破中的裝藥線密度與巖石損傷之間的關(guān)系。Yamamoto M采用數(shù)值模擬、理論計(jì)算與試驗(yàn)的方法， 研究了電子雷管在光面爆破中的使用效果。Wu L應(yīng)用有限元方法對(duì)光面爆破技術(shù)進(jìn)行了研究，使光面爆破技術(shù)對(duì)復(fù)雜的環(huán)境更加適應(yīng)。Liu K Y在實(shí)際工程中采用光面爆破技術(shù)，進(jìn)而提出了一種光面爆破參數(shù)確定的方法。王輝[2]通過(guò)測(cè)試分析得到質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度隨距離衰減的規(guī)律并提出經(jīng)驗(yàn)公式，應(yīng)用ANSYS/LS—DYNA 有限元軟件建立數(shù)值模擬模型，得出路基與開挖平面保持一致時(shí)，質(zhì)點(diǎn)速度衰減緩慢，并且依托安全監(jiān)測(cè)分析，得出裝藥結(jié)構(gòu)以及炸藥單耗等參數(shù)的最佳選取方式與取值。張旭[3]研究了存在節(jié)理裂隙的隧道施工中，為保證施工安全減少施工災(zāi)害的發(fā)生，應(yīng)用 CRD 法施工并對(duì)隧道爆破參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到削弱破碎帶對(duì)于隧道圍巖擾動(dòng)的效果，為今后類似施工情況的安全進(jìn)行提供參考依據(jù)。盧文波[4]對(duì)爆炸應(yīng)力波的衰減、傳播以及爆炸生成氣體產(chǎn)生的膨脹壓力對(duì)于裂縫擴(kuò)展產(chǎn)生的促進(jìn)作用進(jìn)行了研究。楊小林、王樹仁等人[5]提出采用有效彈性模量的方法建立新的數(shù)值模擬模型，研究了填塞與不填塞情況下大理巖的破壞損傷過(guò)程。數(shù)值模擬對(duì)于爆破的研究有著重大的意義，它可以在電腦中模擬出實(shí)際的爆破情況，從而對(duì)實(shí)際爆破提供參考依據(jù)。Ma G W 等將Johnson—Holmquis 的材料模型使用到 LS—DYNA 中，研究了巖石爆破過(guò)程中節(jié)理、加載速率等因素導(dǎo)致的巖石裂縫紋路擴(kuò)展變化情況。夏祥、李海波等人用 LS—DYNA 軟件模擬了巖石爆破過(guò)程中裂縫的形成與演化，依據(jù)失效準(zhǔn)則得出破碎區(qū)大小。Zhu Z、Mohanty B 等人應(yīng)用數(shù)值模擬軟件建立巖石爆破的數(shù)值模擬模型，對(duì)炮孔直徑、邊界條件等隧道爆破參數(shù)進(jìn)行分析，研究其對(duì)巖石破壞所產(chǎn)生的影響。Xie L X、Lu W B 等人 在 LS—DYNA 中運(yùn)用張拉—壓剪損傷模型， 建立深埋隧道數(shù)值模擬模型研究其損傷演化機(jī)理。

魏晨慧、朱萬(wàn)成等設(shè)置了不同角度的節(jié)理及地應(yīng)力，研究巖石雙孔爆破效果， 得出地應(yīng)力不利于裂紋的發(fā)展，但節(jié)理可促進(jìn)裂紋發(fā)展并且存在明顯導(dǎo)向作用。陳少輝 對(duì)于寬孔距小抵抗線爆破方案分別進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)以及利用有限元軟件ANSYS/LS—DYNA 進(jìn)行數(shù)值模擬，驗(yàn)證孔網(wǎng)參數(shù)取值的合理性，取得良好的隧道爆破效果。張志呈提出光面爆破炮孔不耦合裝藥的三種方案，通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，測(cè)量巖石的損傷作用情況，得出護(hù)壁光面爆破是對(duì)邊壁成型最有利的結(jié)論。楊仁樹對(duì)隧道光爆周邊孔連續(xù)裝藥以及間隔裝藥的情況下，發(fā)生爆破時(shí)壓力場(chǎng)的分布情況進(jìn)行分析，分別找到了這兩種裝藥結(jié)構(gòu)所適用的圍巖。滿柯根據(jù)北山坑探光爆實(shí)際工程中研究了合理的光面爆破參數(shù)。

徐穎根據(jù)爆破成縫機(jī)理以及爆破塊度的要求，得出最優(yōu)炮孔密集系數(shù)的取值范圍，在工程實(shí)踐中也驗(yàn)證了這一結(jié)論。馬芹永研究得出光面孔孔距以及光爆層厚度的確定方式和計(jì)算方法。彭剛健對(duì)理想狀態(tài)巖石爆破的損傷特征進(jìn)行了研究，得出光爆計(jì)算方法，進(jìn)而應(yīng)用到工程實(shí)際中。并利用數(shù)值模擬分析力學(xué)過(guò)程以及圍巖損傷情況，對(duì)爆破的效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。陳必港研究了空氣間隔裝藥的爆破過(guò)程，對(duì)最大主應(yīng)力的云圖進(jìn)行分析，表明孔心線上產(chǎn)生的主應(yīng)力波是主要引起對(duì)圍巖損傷的因素。

4 隧道爆破研究意義

由于巖石本身的復(fù)雜性，對(duì)于超欠挖問題很難進(jìn)行定量分析，爆破參數(shù)仍需根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取。光面爆破技術(shù)目前被用來(lái)控制隧道開挖質(zhì)量，光面爆破的特點(diǎn)是周邊眼最后起爆，周邊眼較少。我國(guó)開始應(yīng)用光面爆破技術(shù)以來(lái)，在交通建設(shè)、隧道、地下工程中進(jìn)行了大量關(guān)于光面爆破的研究工作，積累了豐富經(jīng)驗(yàn)。但是巖石是非均質(zhì)各向異性的不連續(xù)體，光面爆破機(jī)理不成熟，爆破參數(shù)還是主要依靠經(jīng)驗(yàn)公式、工程類比等。施工技術(shù)較落后，以至于在現(xiàn)場(chǎng)時(shí)常出現(xiàn)超欠挖現(xiàn)象，如果不能得到合理科學(xué)的控制， 將會(huì)對(duì)工程質(zhì)量以及安全帶來(lái)不利影響。

隧道爆破質(zhì)量控制主要針對(duì)的問題是隧道開挖斷面的超欠挖情況，嚴(yán)格地控制欠挖量，盡量地減少超挖量，保證開挖輪廓平整。與此同時(shí)，隧道爆破施工中，炸藥爆炸從而產(chǎn)生的應(yīng)力波以及爆生氣體會(huì)對(duì)原巖的應(yīng)力平衡造成破壞，改變巖體內(nèi)部的應(yīng)力，造成應(yīng)力重新分布或局部應(yīng)力集中。如果局部的應(yīng)力大于原巖應(yīng)力，則會(huì)對(duì)巖體內(nèi)部造成破壞，這種破壞會(huì)從巖體內(nèi)部向周邊產(chǎn)生擴(kuò)展，造成巖體破壞，使周邊圍巖產(chǎn)生松動(dòng)，也會(huì)對(duì)圍巖穩(wěn)定性產(chǎn)生不良影響。那么合理的爆破技術(shù)與參數(shù)設(shè)計(jì)就可以有效地減少爆破振動(dòng)對(duì)圍巖松動(dòng)圈產(chǎn)生的影響，可為減少圍巖的擾動(dòng)以及爆破參數(shù)的研究提供參考。

5 結(jié)語(yǔ)

目前，隧道施工離不開爆破技術(shù)，爆破技術(shù)的提高對(duì)隧道的施工有重要的意義。數(shù)值模擬的應(yīng)用使隧道爆破技術(shù)有了突破性的進(jìn)展，數(shù)值模擬不僅提高了爆破的可操作性，同時(shí)大大降低了試驗(yàn)成本，使得爆破技術(shù)可以飛速發(fā)展。未來(lái)，人們將廣泛應(yīng)用數(shù)值模擬技術(shù)，深入解決隧道爆破所造成的的超欠挖問題。

參考文獻(xiàn)

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[5]楊小林，王樹仁.巖石爆破損傷數(shù)值模擬[J].煤炭學(xué)報(bào)，2000，25（1）：19-23.

通信作者簡(jiǎn)介：白亞東（1995-），男，河北張家口人，在讀碩士研究生，e-mail：1214361386W@qq.com主要從事隧道洞口方面的研究。