趙國軍，何斌，黎鳴，陳季玲

(中電建路橋集團有限公司，北京 100048)

山體隧道開挖施工時，通常是隧道洞群同時開挖或者頻繁爆破循環(huán)推進作業(yè)，多采用光面爆破與在開挖表面噴射混凝土的支護方式相結合的手段。采用鉆爆法開挖隧道時，炸藥在圍巖介質中爆炸產(chǎn)生的能量，以震源為中心以波的形式向四周發(fā)散。目前許多學者就爆破振動傳播規(guī)律與力學響應特點采用概率論統(tǒng)計方法，進行了現(xiàn)場測試與室內模擬試驗研究，輔助以數(shù)值模擬方法對爆破振動產(chǎn)生的沖擊波對圍巖損害的影響作用。

爆炸能量釋放瞬間，效果巨大，在圍巖中產(chǎn)生應力波的動態(tài)作用[1-2]，巖體內部的節(jié)理裂隙會發(fā)生不同程度的損傷，深入分析巖體爆破荷載作用機理，可進一步控制爆破效果。楊仁樹等[3]利用數(shù)字激光實驗，對爆破荷載作用下相向裂紋動態(tài)發(fā)展特征進行研究，裂紋擴展過程分為獨立擴展、相互排斥和相互吸引3個階段，最后裂紋相互聯(lián)合的狀態(tài)。左進京等[4]通過數(shù)字動態(tài)焦散實驗，研究了空孔對爆破裂紋擴展的影響規(guī)律和空孔周邊應力特征，得出爆破后空孔周邊出現(xiàn)焦散斑，在炮孔與空孔水平線上，靠近炮孔一側主要受拉力產(chǎn)生破壞，遠離炮孔一側受壓力發(fā)生破壞。唐海等[5]結合某隧道爆破掘進工程，通過地質雷達現(xiàn)場巖體損傷探測及爆破損傷理論進行估算，得到隧道掌子面前部裂隙巖體爆破損傷規(guī)律，并利用此規(guī)律提出了“減藥非連續(xù)裝藥”的裝藥結構，在減少裝藥量的同時，提高爆破有效能，降低工程成本與圍巖損傷。

基于此，現(xiàn)以云南小半徑螺旋隧道咪的段開挖為工程依托，對爆破載荷條件下巖石損傷范圍進行理論計算分析，確定花崗巖體在爆破荷載作用下裂隙發(fā)展范圍和特征，用以控制圍巖損傷范圍和控制爆破；在此基礎上借助室內爆破模型試驗開展爆破裂紋擴展特征研究，分析硬巖地層爆破振動作用下裂隙發(fā)展規(guī)律。

1 工程概況

1.1 地質概況

咪的隧道位于云南省建水縣坡頭鄉(xiāng)咪的村，總體進出口交通便利，由于隧道為螺旋式，沿龍岔河一側山坡呈圓形走向，進出口直線距離約1.3 km，地勢起伏較大，地表風化作用強烈，主要構造線呈北東、近東西向展布，由一系列褶皺和斷裂組成，巖性主要為松散狀淺黃色第四系坡積土、細粒狀灰白色白堊紀花崗巖的灰?guī)r、白云巖等，圍巖級別以Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ為主，本段水文地質條件簡單，主要賦存于花崗巖裂隙中。

1.2 結構設計

咪的隧道凈寬12.5 m，高10.08 m的半圓拱斷面，在Ⅲ級圍巖中采用全斷面法開挖，開挖面積為106 m2，由于隧道位于山體較陡部位，對施工技術具有較大挑戰(zhàn)。

由于該隧道地處山嶺地區(qū)且埋藏較深，需根據(jù)圍巖條件對施工方式進行合理的選擇。在Ⅲ級圍巖巖性較好段采用全斷面法施工，巖性較差段采用兩臺階法施工；Ⅳ級圍巖采用三臺階法或預留核心土法施工；Ⅴ級圍巖條件采用環(huán)形開挖預留核心土與三臺階七步法施工。

2 爆破振動理論

由于爆破能使目的部位的巖體達到破碎狀態(tài)，令隧道掌子面持續(xù)向前推進，因此鉆爆法是目前隧道開挖最主要的方法，但使用鉆爆法開挖隧道時不可避免的會對周邊巖體產(chǎn)生干擾。巖石爆破振動響應規(guī)律是一種復雜的過程，其原理涉及了地震波在介質中傳播與巖石力學等多個學科的交叉，爆轟結構主要分：原始穩(wěn)定區(qū)、波陣面、爆炸響應區(qū)、爆炸產(chǎn)物區(qū)。

2.1 爆破作用下巖石破碎理論

爆破荷載作用下介質破壞程度與介質的性質也有較大聯(lián)系[6]，在爆破過程中，巖石介質同時受到拉應力與壓應力。一般來說，巖石發(fā)生破碎主要是受到壓應力作用，而裂隙的發(fā)育主要是受到拉應力作用[7-8]。

對于不耦合裝藥方法來說，爆炸時所發(fā)生的能量率先對爆眼內的空氣進行擠壓，空氣內能逐漸增大最終導致圍巖破裂。此時爆源中心四周產(chǎn)生負壓區(qū)，周圍空氣在大氣壓強作用下，通過巖石介質中的裂縫進入負壓區(qū)，最終使內外壓力平衡，加速巖石破碎。對爆破過程中巖石破裂理論進行研究是對爆破控制較為有效的方式，從而指導現(xiàn)場施工。

根據(jù)彈性破壞準則，巖石被認為一種均勻介質，破壞之前的巖體是脆性或彈性性質，當巖石某一質點受到外力作用超過了巖石所承受的極限時，巖石發(fā)生破碎；而根據(jù)圍巖損傷來看，由于圍巖受到了長期的地質構造運動，圍巖原本就存在裂隙，爆破產(chǎn)生的破壞是在已有裂隙的圍巖基礎上繼續(xù)發(fā)展的。

2.1.1 空氣間隔裝藥裂隙范圍計算

巖石徑向裂隙產(chǎn)生是由于質點的徑向移動從而產(chǎn)生拉應力，當徑向拉應力大于巖石抗拉強度裂隙就會產(chǎn)生[9]，破裂范圍計算公式為

(1)

當采用不耦合裝藥方式時，炮孔壁上初始壓力計算公式為

(2)

Pm可按平均爆轟壓力計算，即

(3)

式(3)中：ρ0為炸藥密度，kg/m3；D為炸藥爆速，m/s。

計算炮孔壁上初始壓力時，一般令徑向不耦合系數(shù)、軸向不耦合系數(shù)分別為Kr=rb/rc、Kl=lb/lc，則有

(4)

最終可以得到應力波作用下裂隙范圍，可表示為

(5)

式(5)中：Rp為應力波產(chǎn)生的裂紋長度。

2.1.2 爆生氣體作用下裂隙擴展計算

爆生氣體存在使圍巖損傷范圍擴大因此計算時需要考慮爆生氣體對裂隙的擴展[10]。在應力波作用下初始裂隙產(chǎn)生，爆生氣體進入裂隙，在新應力場作用下裂隙擴展，如圖1所示。

P為爆破沖擊壓力；R為圍巖損傷范圍；L為二次延展長度

圍巖在爆破應力場下可視為脆性材料，而在此應力場條件下圍巖發(fā)生塑性形變，裂紋發(fā)展需滿足圍巖應力等于裂紋發(fā)展的臨界應力，即

σ=σc

(6)

式(6)中：σ為圍巖應力；σc為裂隙擴展臨界應力。

圍巖發(fā)生爆炸，在應力波作用下會在爆孔附近產(chǎn)生較多裂紋，爆生氣體浸入裂紋后，當圍巖應力達到裂紋擴展的臨界應力時發(fā)生裂紋二次延伸。一般來說爆破作用下，圍巖主要受拉應力作用[11]，圍巖發(fā)生破裂，隨裂隙距離逐漸增加，拉應力隨之衰減，裂紋延伸停止。

假設爆生氣體在裂紋表面壓力為常數(shù)，則裂紋尖端處拉應力可表示為

(7)

式(7)中：a為應力波產(chǎn)生裂紋長度；σm為圍巖應力。

將應力波產(chǎn)生裂紋長度Rp代入式(7)，整理可得爆破裂紋二次延伸長度L為

(8)

綜上，采用空氣間隔裝藥方式得到的圍巖損傷范圍為

R=Rp+L

(9)

2.2 咪的隧道圍巖損傷計算

通過上述對爆破載荷條件下，圍巖裂隙擴展理論推導，現(xiàn)針對采用光面爆破方式的云南咪的隧道圍巖損傷范圍進行理論計算，更好地研究圍巖裂隙擴展情況。咪的隧道圍巖主要為中風化花崗巖，爆破采用2號乳化炸藥不耦合裝藥方式，相關參數(shù)如表1、表2所示。

表1 爆孔與炸藥參數(shù)

表2 巖石力學性質參數(shù)

2.2.1 應力波作用下裂隙發(fā)展范圍

2.2.2 爆生氣體對裂紋的二次延伸范圍

3 爆破荷載作用下地層裂隙發(fā)展特征模型試驗

現(xiàn)場爆破施工采用的光面爆破技術中周邊孔參數(shù)不同對爆破效果產(chǎn)生較大影響，當采用不耦合裝藥時，不耦合系數(shù)一定，間隔裝藥在減小孔壁壓力的同時還能延長爆生氣體擴散時間，使爆破效果大大提高，也減少了起爆成本。因此對間隔裝藥爆破條件下圍巖裂隙擴展規(guī)律研究尤為重要。

3.1 模型試驗系統(tǒng)與裝置

試驗模型采用自主研發(fā)設計的硬質圍巖爆破模擬試驗裝置，試驗裝置主要由爆破模擬樣本、試驗監(jiān)測裝置和超動態(tài)數(shù)據(jù)采集儀、高速攝像機、炸藥、起爆裝置組成。

試驗采用超動態(tài)數(shù)據(jù)采集裝置對爆破過程中的應變進行實時監(jiān)測，通過應變轉換成監(jiān)測點所受的應力值，而高速攝像機則可以對瞬時起爆時圍巖裂隙的產(chǎn)生與發(fā)展過程進行記錄。

3.1.1 模型設計

為研究爆破孔間隔裝藥光面爆破時對相鄰空孔所產(chǎn)生的裂隙發(fā)展趨勢，以及不同圍巖條件爆破應力應變情況，設計試驗布孔與裝藥方式。模型大小定為50 cm(長)×50 cm(寬)×50 cm(高)，在模型中間布置1個裝藥孔，裝藥孔兩側分別間隔10 cm與20 cm各布置1個空孔。在模型中埋置6個應變磚，每組有3個應變轉，共設置兩組(1組和2組)，兩組應變磚與裝藥孔垂直距離為3 cm，上下布設；1組應變磚與裝藥孔水平距離分別設置為2、6、10 cm，2組應變磚距離設置為5、10、20 cm，如圖2所示。

圖2 爆破試驗模型裝置、測點布設

試驗采用直徑為6 mm的藥卷，爆破孔與空孔直徑均為8.5 mm，長度為180 mm，堵塞炮泥長度為80 mm，以咪的隧道爆破施工為背景，模擬Ⅲ級圍巖條件爆破裂隙發(fā)育特征。為使模型試驗既貼近實際工程，又便于操作，能得出較好的試驗效果，按照Froude比例法確定應力、泊松比、密度等比例系數(shù)；按照相似材料配比圍巖性質。長度比Kl=lm/lp，密度比Kρ=ρm/ρp，加速度比Ka=am/ap=1，應變比Kε=εm/εp=1，應力比Kσ=σm/σp=ρmlm/ρplp，泊松比Kμ=μm/μp=1，內摩擦角比Kφ=φm/φp=1，其中長度l、密度ρ、加速度a、應變ε、應為σ、泊松μ、內摩擦角φ為基本變量，下標m、p分別表示模型與原型。

通過上述確定了幾何、應力相似系數(shù)，即：Kρ=0.66,Kσ=0.13，根據(jù)Kσ=Kρ+Kl，得到Kl=0.2，因此，要想模擬實際工程中2.5 m(長)×2.5 m(寬)×2.5 m(高)范圍的爆破情況，模型尺寸設計為50 cm(長)×50 cm(寬)×50 cm(高)即可。通過三軸壓縮測試確定模型試驗材料配比參數(shù)，如表3所示。

按照表3所示的材料配比參數(shù)對填充材料充分均勻攪拌后，倒入模型箱進行，在設計位置埋置鐵管用以模擬裝藥孔與空孔，同時埋置應變磚。

表3 爆破模擬試驗相似材料配比參數(shù)

3.1.2 裝藥模式

模型試件制作結束后需在室溫養(yǎng)護7 d，對裝藥孔清理后，再進行室內爆破模擬試驗。采用空氣間隔裝藥，通過引爆線連接起爆，此外由于堵塞炮孔所用材料也是影響爆破效果的重要因素，本次試驗為了能更好地利用爆炸產(chǎn)生的能量，裝藥孔采用黏性較好的黏土進行堵塞，封堵長度為8 cm，并將引爆線露在外側。制作后的試驗模型如圖3所示。

圖3 模型試驗裝置

3.2 試驗現(xiàn)象與結果分析

3.2.1 爆破裂紋效果

通過高速攝像機對爆炸瞬間裂縫情況進行觀察，如圖4(a)～圖4(c)所示?？梢钥闯?，爆破后裂紋以爆孔為中心呈放射狀雜亂分布，其裂紋發(fā)展過程主要經(jīng)歷了：裂紋初始發(fā)育階段、裂紋急劇擴展階段與爆破裂紋穩(wěn)定階段、裂紋穩(wěn)定階段[12-13]。爆生裂紋先沿水平方向向左右兩側空孔擴展，再偏移水平方向以一定角度向上下擴展，最終裂紋與左右兩側空孔貫通，且空孔水平方向也存在次生裂紋，反映了空孔對爆生裂紋發(fā)展方向具有明顯的導向與促進作用，爆生裂紋貫通空孔時瞬時速度與應力強度增大。爆炸發(fā)生后20～30 μs時，爆生裂紋開始出現(xiàn)；到100 μm時，爆生裂紋較明顯，近爆孔側空孔有陰影出現(xiàn)，也說明了爆破發(fā)生時空孔局部范圍出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象；直至爆生裂紋貫通空孔時，裂紋發(fā)育迅速、模型裂開為裂紋急劇擴展階段；直到7 000 μm時，裂紋逐漸穩(wěn)定，不再發(fā)育擴展。

圖4 模型爆破裂紋動態(tài)發(fā)育過程及現(xiàn)象

通過將模型沿垂向切開后，觀察到爆破后圍巖內部與頂部裂紋發(fā)育情況，如圖4(d)、圖4(e)所示。裝藥孔周圍產(chǎn)生的裂紋比空孔處裂紋更加密集且裂紋延伸長度大，由爆破孔向頂部發(fā)育的裂紋可直接貫穿模型頂部，并在模型頂部延伸。結合爆破應力波理論，爆炸初始產(chǎn)生的沖擊波作用于爆孔內，以爆孔為中心向兩側空孔方向產(chǎn)生徑向主裂紋并與空孔貫通，隨后沖擊波轉變?yōu)閼Σú⒀爻跏紡较蛄严独^續(xù)擴展裂紋，直至圍巖深處，而爆生裂紋周圍產(chǎn)生的較短裂隙，沿主裂紋擴展方向延伸，其原因主要是裂紋延伸優(yōu)先沿最小抵抗線方向，徑向主裂紋與空孔貫通時，會產(chǎn)生新自由面，對裂紋發(fā)展具有導向作用。在模型內部形成破裂粉碎區(qū)和裂縫區(qū)，在裝藥孔附近產(chǎn)生密集裂隙呈放射狀向四周擴展，距離較遠處產(chǎn)生微小裂隙相互交錯或斷裂現(xiàn)象。

距裝藥孔較遠的空孔主要發(fā)育細小裂紋且貫通裂紋較少，主要是由于空孔距離爆孔較遠，爆炸產(chǎn)生的沖擊波受波阻抗影響消耗大量能量，炸藥爆炸時產(chǎn)生巨大壓力在圍巖產(chǎn)生的壓縮應力波沖擊后圍巖應力釋放導致脆性拉裂。

可以看出，在爆孔周邊布設空孔對爆生裂紋的發(fā)展方向具有較明顯的促進與導向作用，使產(chǎn)生的裂紋廣泛發(fā)育，空孔局部范圍應力集中，增強了爆生裂紋開裂程度。距離爆孔較遠的空孔裂隙延伸范圍較小、裂紋細??；距離爆孔較近的空孔裂隙穿透性較強，產(chǎn)生較長的裂縫線與爆破自由面。

3.2.2 爆破動態(tài)力學特征

通過爆破模擬前模型中埋置的應變磚，經(jīng)轉換得到爆破后有效應力變化曲線，如圖5所示。

圖5 爆破模擬試驗應力變化

爆破沖擊波會對模型產(chǎn)生壓縮與拉伸作用，模型在爆炸壓縮作用下會沿反向形成拉伸卸載波，而模型裂紋的產(chǎn)生與發(fā)展主要受壓縮波和卸載波疊合作用，表現(xiàn)為應力變化方向不同。

由爆破后測點應力變化(圖5)可以看出，空孔距爆孔10 cm時的爆破動載荷階段為0～1.5×10-4s內，在1×10-4～2.5×10-4s時間內，為孔距20 cm爆破的爆破動載荷階段，作用時間較短且有效應力略小于前者。在動載荷階段模型主要受沖擊波與應力波的綜合作用，表現(xiàn)為不同方向應力出峰值變化2次。

距爆孔10 cm的空孔在1.5×10-4～2×10-4s內為爆破靜載荷階段，在2.5×10-4～3×10-4s內可以視為距爆孔20 cm的空孔爆破靜載荷階段。爆破靜載荷階段，主要受爆生氣體作用下的二次擴展與圍巖靜載荷共同作用，表現(xiàn)為應力值出現(xiàn)微小浮動后逐漸衰減。從3×10-4s后爆孔兩側應力均無明顯波動，為爆破穩(wěn)定階段。

軸向爆破波形與徑向明顯不同，軸向應力波與徑向應力波變化相似，均為不同方向交替出現(xiàn)；從持續(xù)時間上看，軸向應力波約為4×10-4s，這與徑向應力波持續(xù)時間相差較小，且應力峰值明顯小于徑向應力峰值。

整體來看，在1×10-4～4×10-4s時間內，爆炸產(chǎn)生的壓力在爆孔周邊集中，以爆孔為中心，3～7倍爆孔半徑范圍內巖體受較強的沖擊波，爆生裂隙并擴展延伸，隨時間增加巖體受到的壓力逐漸減小趨于0。

4 結論

通過實驗室爆破模型試驗研究了爆破載荷作用下硬質圍巖裂隙發(fā)育特征及空孔對裂隙擴展行為的影響，得出以下結論。

(1)由爆生氣體在裂縫擴散作用得到不耦合間隔裝藥應力波作用下的孔壁壓力，進而得到裂隙區(qū)范圍計算公式，通過爆生氣體作用下裂縫的二次擴展得到擴展長度，最終得出爆破損傷范圍，依托云南咪的隧道實際工程得出圍巖爆破理論損傷值。

(2)在一定裝藥量條件下，空孔與爆孔之間的距離較近，爆生裂紋較多較長，巖石破裂越明顯，但隨距離增加大，爆生裂紋越細長，二次爆破擴展就不再延展發(fā)展，即存在一個最佳孔距使爆生裂紋延伸最長。

(3)由于空孔與爆孔距離的不同，導致爆生裂紋的發(fā)展趨勢也不同。爆破發(fā)生后，距離爆孔較近的一側空孔其裂紋由爆孔先偏離直線發(fā)育，后與空孔貫通，當爆孔與空孔距離適當，爆生裂紋貫通空孔后沿直線發(fā)展，因此，適當?shù)目湛组g距能控制爆破裂隙的擴展情況，也對爆破裂隙發(fā)展具有導向作用。

(4)根據(jù)測點應力變化趨勢可以發(fā)現(xiàn)，爆破載荷作用可以分動載荷、靜載荷和爆破穩(wěn)定階段，模型在爆破動載荷作用階段受沖擊波和應力波共同作用，靜載荷階段受爆生氣體下的二次擴展與圍巖靜載作用。

(5)空孔的存在有利于巖石的破碎，因此，實際爆破施工時需要根據(jù)工況設置空孔與炮孔的距離，充分考慮空孔、爆生裂隙對爆破效果的影響，優(yōu)化光面爆破技術。