地下工程抗爆的孔洞群防护技术.pdf

第 31 卷 第 3 期 2014 年 9 月 爆 破 BLASTING Vol. 31 No. 3  Sep. 2014 doi 10. 3963/ j. issn. 1001 -487X. 2014. 03. 030 地下工程抗爆的孔洞群防护技术 李世民， 李晓军， 徐 宝 （总参 工程兵科研三所， 洛阳 471023） 摘 要 提出了用于地下工程抗爆炸地冲击的孔洞群防护技术。分析了孔洞群防护技术的基本原理， 包括 应力波反射原理、 应力波导流原理、 介质层弱化原理、 应力波会聚原理和动应力集中原理。给出了几种孔洞 群防护技术方案， 包括孔洞群保护伞、 孔洞群分配层、 应力波导流洞和带孔锚固结构。进行了原理性的二维 数值模拟分析， 进一步验证了孔洞群防护技术的有效性。数值算例表明无孔洞群防护洞室顶部爆炸压力波 荷载峰值要明显高于有孔洞群防护洞室顶部爆炸压力波荷载峰值， 说明孔洞群确实降低了洞室结构上的荷 载， 起到了保护洞室结构的作用。 关键词 地下工程；孔洞；爆炸；地冲击；防护 中图分类号 O381. 3 文献标识码 A 文章编号 1001 -487X （2014） 03 -0149 -05 Cavity-group Protection Technique for of Underground Engineering Explosion-resistance LI Shi-min， LI Xiao-jun， XU Bao （The Third Research Institute of Engineers of the General Staff， Luoyang 471023， China） Abstract The cavity-group protection technique of underground engineering explosion resistance is presented. The basic principle of cavity-group protection technique is analyzed， including stress wave reflection principle， stress wave diversion principle， medium layer weakening principle， stress wave convergence principle and dynamic stress concentration principle. Several cavity-group protection technique schemes are provided， including cavity-group pro- tection umbrella， cavity-group distribution layer， stress wave diversion hole and anchor structure with holes. With a basic two dimensional numerical simulation， the validity of cavity-group protection technique is validated further. A numerical example show that the cavity-group reduces the over-pressure on the top of the cavity structure remarka- ble， have the function of protecting the cavity. Some problems in the cavity-group protection technique study is point- ed out. This paper has important value for the protective study of underground engineering. Key words underground engineering；cavity；explosion；ground shock；protection 收稿日期 2014 -07 -29 作者简介 李世民 （1978 - ） ， 男， 硕士、 河南洛阳总参工程兵科研三 所助理研究员， 从事武器爆炸效应、 防护工程等方面的科 研工作，（E - mail） lishimin306 sohu. com。 研究地下工程抗爆防护问题具有广泛和深远的 意义。我国著名防护工程专家钱七虎院士曾指 出 ［1］ “21 世纪是地下空间的世纪。 ” 当前， 随着我国 交通运输业和采矿业的快速发展以及地下基础设施 建设力度的不断加大， 在地下工程设计和建造中已 越来越多地要考虑各种形式的爆炸荷载， 亟需最大 程度地降低其危害； 另一方面， 随着国外钻地武器侵 彻深度和爆炸威力的不断提高， 我国地下国防工程 和战略能源储备工程已面临越来越严重的威胁， 迫 切需要增强其抗爆能力。 在地下工程抗爆方面， 人们已研究了多种防护 技术， 如软回填层技术 ［2-5］、 围岩锚固技术［6］、 内衬 钢板技术等等 ［7］。这些防护技术总体上可分为 “刚 性” 和 “柔性” 防护两类， 具有各自的优劣性、 技术特 点和适用条件。这些防护技术目前虽已有一定的工 程实践， 但也都在不断发展和改进之中。 在前人研究基础上， 提出了一种新型防护技术， 即 “孔洞群” 防护技术， 是指在距地下工程结构一定 距离范围外的岩体中构筑一定分布形式、 几何形状、 尺寸和规模的孔洞群， 利用孔洞群与爆炸应力波的 相互作用， 削弱地冲击能量， 降低地冲击荷载强度， 从而减轻工程结构破坏的防护技术。 “孔洞群” 防 护技术属于 “柔性” 防护技术的范围。 分析了孔洞群防护技术的基本原理， 给出了几 种孔洞群防护技术的设想方案， 采用 Autodyn 程序 对孔洞群的防护作用进行了数值模拟， 进一步验证 了孔洞群方案的有效性， 并指出了当前孔洞群防护 技术应用中存在的一些问题， 为地下工程抗爆防护 技术的发展提供了新的思路， 对于地下工程抗爆防 护研究具有重要参考意义。 1 孔洞群防护技术的基本原理 孔洞群防护技术的基本原理主要包括应力波反 射、 应力波绕流、 介质层弱化、 应力波会聚及动应力 集中原理等。孔洞群的这些作用原理通常是耦合在 一起的， 不是孤立地发挥作用。 ①应力波反射原理。该原理是指孔洞群依靠孔 洞自由面将部分来袭爆炸应力波由压缩波反射成逆 向传播的拉伸波， 减少了传入孔洞群后介质中的爆 炸波， 进而削弱了爆炸应力波能量。 这里， 我们考虑最简单的情形， 如图 1 所示。假 设介质为弹性介质， 来袭爆炸波为平面波， 波阵面面 积为 SW， 携带能量为 E， 忽略爆炸波的弥散效应， 孔 洞群为平面布设， 与爆炸波波阵面平行， 孔洞群有效 自由面面积 （即所有孔洞在爆炸波波阵面上的投影 面积） 为 SP， 则可近似认为孔洞群消耗的爆炸波能 量为 ΔE ESP/ SW。 图 1 孔洞群应力波反射原理示意图 Fig. 1 Schematic plan of the principle of cavity-group reflecting stress wave 另外， 如果考虑岩土介质实际的脆性及拉伸断 裂特性， 则反射的拉伸波还会使孔洞上方围岩拉伸 破裂， 从而出现更大面积的自由面， 不断增强应力波 的反射作用， 进一步削弱后续的爆炸应力波。这种 效应对于提高抗重复爆炸的性能尤为明显。 ②应力波导流原理。根据应力波理论， 应力波 在经过一定尺寸的孔洞时会发生绕流。该原理就是 利用孔洞的绕流作用， 在岩体中构筑具有应力波导 流作用的孔洞群， 在工程结构外围形成空腔导流层， 使来袭爆炸应力波离开工程结构， 分流进入岩体内 部 ［8］， 如图 2 所示。 图 2 孔洞群应力波导流原理示意图 Fig. 2 Schematic plan of the principle of cavity-group inducting stress wave 有学者还采用 “固体介质中力学参数传递观 念” 解释孔洞群的应力波导流作用 ［9］。这种观念认 为 介质中压缩波峰值压力的传播与地层介质的刚 度密切相关， 地层介质的刚度相等时， 压缩波以均匀 的形态向四周传播， 波阵面上的峰值压力是等强的； 若压缩波在传播过程中遇到刚度不相等的地层介质 时， 波阵面上的峰值压力将产生不均匀的变化， 峰值 压力的集度不再相同， 刚度大的地层介质承受的压 力大， 刚度小的地层介质承受的压力小。按照这种 学术观点， 孔洞群形成了刚度小的地层介质， 从而使 大应力和质点速度或加速度绕过介质中这一刚度小 的区域， 沿着介质中刚度大的方向进行传递。 ③介质层弱化原理。该原理是指在岩体中构筑 孔洞群后， 使孔洞群区域的岩体介质弱化， 在岩体中 形成了弱化区， 如图 3 所示。介质层弱化原理包括 两个方面的涵义。 图 3 孔洞群介质层弱化原理示意图 Fig. 3 Schematic plan of the principle of cavity-group weakening medium 首先， 就削弱爆炸应力波而言， 孔洞群降低了其 周围岩体介质的波阻抗 ρC （ρ 为介质密度， C 为介质 声速） ， 使岩体介质从单介质变成了包含弱化区的双 介质； 应力波在经过弱化区时， 其幅值会被削弱。 051爆 破 2014 年 9 月 由应力波理论知 ［10］， 当一维应力波从围岩介质 （A） 透射进入弱化区介质 （B） 时， 透射应力幅值 σT 与入射应力幅值 σI之间有 σT TσI。T 为透射系 数， T 2/ （1 n） ； n 为波阻抗比， n （ ρACA） / （ρ BCB） 。围岩介质波阻抗大， 弱化区介质波阻抗 小； 应力波由围岩材料传入弱化区介质时 （T 2ρBCB， 因 而最终透射应力幅值 σ＇ T会在很大程度上小于入射 应力幅值 σI。 其次， 就削弱岩体介质强度而言， 孔洞群降低了 其周围岩体的强度参数 c、 Φ、fc和 ft等 （c 为黏聚力， Φ 为内摩擦角， fc和 ft分别为抗压和抗拉强度） ； 应 力波在经过弱化区时， 这一区域的介质会由于强度 将低而首先发生破坏， 从而吸收爆炸应力波的能量， 减弱爆炸应力波。 ④应力波会聚原理。一般形式的应力波传播到 自由面时会产生新的应力波， 这些新的应力波本身 之间或与母波发生干涉， 往往会造成局部动应力集 中和增大， 甚至伴随材料破裂发生， 这种现象称为应 力波会聚效应 ［11］。孔洞群的应力波汇聚原理就是 利用爆炸应力波在经过孔洞时发生应力波会聚效 应， 从而实现消耗爆炸应力波能量及削弱爆炸应力 波强度。 在这里， 我们仅给出较简单情形的图示说明。 如图 4 所示， 当爆炸荷载产生的压缩波的波前与两 个孔轴线所确定的平面平行时， 入射纵波的波前倾 斜地冲击孔的自由面， 必将产生反射而生成两个新 的应力波 反射的拉伸纵波和反射的剪切波。两个 孔的反射纵波， 将沿着一个平面相遇。这个平面位 于两个孔轴线的距离的中点， 并且与两个圆孔轴线 所确定的平面相垂直。当在圆孔表面上反射的拉伸 纵波在这个平面上相遇叠加后， 合成的拉伸应力会 很大， 常常使介质在这个平面上发生拉伸破裂。在 介质破裂过程中， 必将消耗应力波的能量。 ⑤动应力集中原理。动应力集中原理是指爆炸 应力波在经过孔洞时， 在孔洞周围产生应力集中， 造 成空洞周围介质挤压崩塌破坏， 从而吸收爆炸应力 波的能量。这里， 动应力集中原理包括两种情形。 一方面， 对于压力作用持续时间短、 爆炸波波长 较短的爆炸应力波 （如化学爆炸） ， 爆炸应力波在具 有孔洞的岩体内传播时， 应力波会在边界面反射和 折射从而产生动应力集中 ［12］。假设介质处于弹性 状态， 则动应力集中的程度可以用应力集中系数 αk 来表示， αk σmaxt/ σ0t， σmax是爆炸地冲击载荷作用 后 t 时刻的孔洞周边最大的局部应力， σ0t是名义应 力， 即无孔洞时岩体中在相应于孔洞中心的位置上 对应时刻的应力。 图 4 孔洞群应力波会聚原理示意图 Fig. 4 Scheatic plan of the principle of cavity-group converging stress wave 另一方面， 对于压力作用持续时间长、 波长较长 的爆炸应力波 （如核爆炸） 与孔洞的相互作用， 可视 作拟静力问题， 这时的应力集中系数可按静态荷载 作用情形考虑和分析。 2 孔洞群防护技术的应用方案 下面给出几种孔洞群技术应用的设想方案。 ①孔洞群保护伞， 如图 5 所示。这种方案可用 于战略级深地下工程对核武器 （尤其是核钻地武 器） 及大当量常规钻地武器攻击的防护。可通过向 地下钻孔爆破的方法构筑孔洞群保护伞， 须注意孔 洞群设置深度一定要大于武器钻地深度， 同时也应 与地下工程保持足够远的距离， 且孔洞群应在可很 好支撑其上方岩体重量的条件下适当密集布设。 图 5 孔洞群保护伞示意图 Fig. 5 Schematic plan of the cavity-group protection umbrella ②孔洞群分配层， 如图 6 所示。现代浅埋防护 结构的防护层通常由覆土层、 遮弹层和应力分配层 组成。其中， 应力分配层通常由砂材料组成。可在 应力分配层中构筑孔洞群， 须注意构筑孔洞群所用 材料应较 “软” ， 但同时又能足以支撑上方的覆土层 151第 31 卷 第 3 期 李世民， 李晓军， 徐 宝 地下工程抗爆的孔洞群防护技术 和遮弹层。已有学者对类似方案开展过一些基本作 用机理方面的研究 ［13， 14］。 图 6 孔洞群分配层示意图 Fig. 6 Schematic plan of the cavity-group distribution layer ③应力波导流洞， 如图 7 所示。这种方案较适 用于地下工程口部结构的防护， 而对地下工程内部 结构， 受到施工方法所限则不易实施。已有学者对 图 7 （a） 所示方案开展过一些基础性的数值模拟研 究工作 ［8］。 图 7 应力波导流洞示意图 Fig. 7 Schematic plan of the cavity-group inducing stress wave ④带孔锚固结构， 如图 8 所示。这种方案由均 匀布设的锚杆结合在锚杆里端规律设置的一段表面 经过处理的空孔组成， 在地下工程实施锚杆支护的 同时完成， 可实现对地下工程全段的防护。这种方 案实施十分方便， 空孔段构筑成本低廉， 几乎不增加 工程造价。笔者曾对这种方案开展过一些试验研 究 ［15］， 证明带孔锚固结构洞室的临界破坏荷载显著 高于无孔锚固结构洞室， 其安全性和稳定性更高， 其 空孔段具有一定的抗爆吸能作用。 图 8 带孔锚固结构示意图 Fig. 8 Schematic plan of anchorage structure with cavity 3 孔洞群防护作用的数值模拟 为进一步验证和说明孔洞群的防护作用， 进行 原理性的二维数值模拟分析， 数值计算模型如图 9 所示 （具体尺寸和参数略） ， 采用 Euler 算法。在洞 室结构顶部设定一个压力监测点， 比较相同爆炸荷 载环境下有无孔洞群时洞室结构顶部的压力时程曲 线。计算结果如图 10 所示。结果表明， 无孔洞群防 护洞室顶部爆炸压力波荷载峰值 （4. 81 MPa） 要比 有孔洞群防护洞室顶部爆炸压力波荷载峰值 （2. 70 MPa） 高出 44豫， 说明孔洞群确实降低了洞室 结构上的荷载， 起到了较好的防护作用。 图 9 孔洞群防护的二维数值数值计算模型 Fig. 9 Two-dimensional numerical calculation model for cavity-group protection 图 10 洞室结构顶部的压力时程曲线 Fig. 10 Pressure history of the cavity structures＇ top 4 结语 提出了用于地下工程抗爆炸地冲击的孔洞群防 护技术； 分析了孔洞群防护技术的基本原理； 给出了 几种孔洞群防护技术方案； 利用数值模拟进一步验 证了孔洞群防护技术的有效性。数值算例结果表 明， 无孔洞群防护洞室顶部爆炸压力波荷载峰值要 比有孔洞群防护洞室顶部爆炸压力波荷载峰值高出 44豫， 说明孔洞群确实能够降低洞室结构上的荷载， 保护洞室结构。 本文仅是起到了 “抛砖引玉” 的作用， 希望引起 251爆 破 2014 年 9 月 学术界和工程界对孔洞群防护技术的关注。关于孔 洞群防护技术还有很多问题有待深入研究， 如孔洞 群的作用机理问题 （如单孔洞效应、 群孔洞效应、 削 弱能量计算等） 、 孔洞群的优化设计问题 （如孔洞形 状、 构筑方法、 布设位置、 与其它抗爆技术的合理组 合等） 、 孔洞群的静载效应影响问题等。实际应用 各种方案时， 应提前深入开展数值模拟和模型试验 研究工作。今后还应不断探讨更多有效可行的孔洞 群技术方案。 参考文献 （References） ［1］ 钱七虎， 陈志龙. 21 世纪地下空间开发利用展望 ［C］ ∥中国土木工程学会编. 中国土木工程学会第八次年 会论文集， 1998 162-169. ［1］ QIAN Qi-hu， CHEN Zhi-long. 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