隧道开挖中的现代爆破理论与技术

隧道开挖中的现代爆破理论与技术

代兴发 卢成坤

山东科技大学 青岛 266590

摘要：隧道和地下工程在国民经济建设中有着重要的作用。无论是铁道、交通、水利、水电、矿山等均少不了它。随着国家建设事业的迅速发展,隧道工程建设越来越需要解决多快好省的问题。为此,除配备先进的机械设备外,还要解决隧道现代爆破技术问题。爆破开挖是建设隧道的第一道工序,它的成败与好坏直接影响到围岩的稳定,以及后续工序的正常进行和施工速度,因此,隧道爆破是隧道建设的非常重要的组成邵分。

关键词：岩石爆破 爆破机理 隧道地下工程 本构模型

引言：虽然我国也在引进掘进机,但是根据我国的国情,钻爆法与掘进机在相当长的时间里将同时并举。而且,在岩石隧道掘进机及高压射水等新的岩石开挖技术进一步发展的同时,隧道爆破技术也会随着岩石爆破技术的进步而不断改进。钻爆法由于对地质条件适应性强,开挖成本低。因而特别在坚硬岩石隧道、破碎岩石隧道掘进中及大量的短隧道施工中,即使将来掘进机在技术上更完善了以后,也仍会是主要的施工方法。

1岩石爆破的本构模型

当前的相关研究主要在两方面展开,一是追求普遍适用于各种爆破计算和分析、旨在建立相关计算模型的理论研究一是结合一定工程实践,适用于一定范围的具体工程设计和参数优化的实验研究。在理论研究方面,从岩石破碎研究的发展历程来看,可将其分为弹性理论阶段、断裂理论阶段、损伤理论阶段和分形损伤理论个阶段。

1.1弹性理论阶段

弹性力学模型将岩石视为各向同性的均质、连续的弹性体,岩石在爆炸荷载下的破坏是因其内部最大应力超过岩石应力极限引起的^[1]。在破碎之前,岩石处于弹性状态。这种理论以弹性力学及有限元方法为基础,运用现代计算机技术可方便的简化工程问题、建立力学模型并加以分析计算。由于这种理论模型不考虑岩石的材料缺陷,其理论基础与实际情况有一定的差距。

1.2断裂理论阶段

随着断裂力学的发展和岩石断裂理论研究的深入,岩石中裂纹扩展及断裂破坏问题也被引入了爆破理论研究领域^[2]。断裂理论模型中具有代表性的有BCM模型和NAG-FRAG模型。

1.3损伤理论阶段

80年代初,美国Sandia国家实验室开始开展岩石爆破损伤模型的研究。1980年,Grad提出了最初的损伤模型,该理论认为,原岩中存在大量随机分布的原始裂纹,但在爆破作用下激活的裂纹数服从指数分布,并引入损伤参量D表示这些裂纹开裂引起的岩石强度的降低。由于该模型所需要的一些岩石参数不容易测定,使其应用受到限制.

1.4分形损伤理论阶段

在岩石爆破破碎过程中,一方面,岩石材料内部因物理作用产生细微结构变化,引起微缺陷成核、扩展、汇合,形成所谓的岩石内部缺陷,使岩石宏观力学性能劣化,最终引起岩石开裂或破坏另一方面,岩石中广泛存在的节理、裂隙、孔洞、弱面等不连续界面也对岩石的爆破效果起着重要的影响^[3]。缺陷的存在使岩石的承载能力下降,应力波传播速度降低、峰值压力衰减加速、能量耗散加快。对岩石原始缺陷影响程度认识的不足,造成了目前在岩石爆破设计中无论如何精确计算都不能避免爆破效果在一定范围内的变化的状况。

2现代爆破理论的基本观点

(1)炸药爆轰后所产生的能量以两种方式传递给岩石,一种是冲击波能,一种是爆炸气体膨胀能,前者占炸药爆炸总能量的5％一15％,后者约占炸药爆炸总能量的50％以上^[4]。

(2)就爆破范围来说,在药包内部作用时,从药包中心向外分为压碎区、裂隙区和震动区。在压碎区内,岩石被强烈粉碎并产生较大的塑性变形,形成一系列与径向方向成45°的滑移面；在裂隙区内,炸药能量消耗于岩石的压缩和破裂,形成辐射状的径向裂隙和环状的切向应力。在震动区内岩石不产生任何破坏,只是发生震动,其强度随爆炸中心的距离增大而逐渐减弱,以致完全消失。在药包外部作用时,由于反射拉伸波的作用,在自由面附近产生岩石“片落”现象,当反射拉伸波已经衰减到不足以引起岩石片落时,它还能使原先存在于径向裂隙末梢上的应力场得到加强,因此裂隙继续向前延伸^[5]。

(3)就爆破过程来说,分为三个阶段已经被大多数人接受,即冲击波径向压缩阶段、冲击波反射阶段和爆炸气体膨胀阶段在岩石破碎过程中,有五种作用模式在起作用炮孔周围岩石的压碎作用、径向破裂作用、卸载引起的岩石破裂作用、反射拉伸波引起的“片落”和径向裂隙延伸以及爆炸气体扩展所产生的裂隙无论是冲击波拉伸破坏理论还是爆炸气体膨胀破坏理论,就其岩石破坏的力学作用而言,均是拉伸破坏^[6]。

3岩石爆破破碎的机理分析

岩石爆破破碎机理目前仍是一个存在着争议的科研领域。尽管人们应用炸药进行岩石破碎已经有近年的历史,但关于岩石破碎的科学理论系统研究只是近几十年才开始。由于爆破过程的高速性和复杂性,使人们观察岩石的全部破碎过程,在目前还不可能,所以人们往往只能根据爆破的最后结果和测试爆破过程某一片段和实验室模拟来进行研究、做出判断,并提出自己的观点。每个人所观察的侧面可能不同,所以提出的观点就可能不同。如对爆破破岩最初提出了克服岩石重力和内擦力的破坏假说,随后又相继提出了自由面与最小抵抗线关系理论、爆破流体力学理论、最大应力强度理论、冲击波应力波作用理论、反射拉伸波作用理论、爆生气体膨胀作用理论、爆生气体准静态作用理论、应力波与爆生气体共同作用理论、能量强度理论、功能平衡理论、爆破漏斗理论与爆炸断裂力学理论等等。这些理论和观点各自都有正确解释了各种爆破现象的一些方面,又有难以自圆其说的方面这些理论既有相互映证、相互说明、相互渗透的一面,有时又有相互矛盾的一面。

4总结

目前,对一般岩石隧道而言,除用传统的矿山法爆破开挖外,隧道掘进机也在许多国家获得应用。但是,就己有的大多数工程实践来看,隧道掘进机也和一切事物一样,并非尽善尽美,到处适用。而且,由于掘进机在坚硬岩石中开挖隧道时效率不高,以及它固有的设备投资巨大,动力消耗量大,部件大而笨重,运输组装困难等问题,加上硬质合金刀具、开挖方向的控制等技术上的困难等问题一直未完全解决。因此,经过综合分析,大多数人都不认为掘进机会完全取代矿山法而用于隧道掘进。现在,可以说在可预见的年代里,钻爆法仍将是隧道掘进的主要手段之一。

1. 冷振东. 岩石爆破中爆炸能量的释放与传输机制[D].武汉大学,2017.

2. 王泽军. 爆炸荷载作用下岩体裂纹扩展特性研究[D].北京交通大学,2019.

3. 张理维,王卫华,戴怡文.基于岩石爆破损伤的炮孔布置优化研究[J].爆破,2020,37(01):32-39.

4. 张松峰. 节理岩体柱状药包爆破应力波衰减规律试验研究[D].华北科技学院,2019.

5. 张召冉,左进京,郭义先.爆炸载荷下空孔及其缺陷对裂纹扩展影响机理研究[J].振动与冲击,2019,38(18):115-121.

6. 谢福君,张家生,陈俊桦.考虑岩体完整程度影响的爆破破裂范围[J].中南大学学报(自然科学版),2019,50(06):1403-1410.