岩体的初始损伤对爆破作用的影响.pdf

第 “ 卷第 期 年 月 爆破 “ 699 / 69045 **-.0 “ -A;BC ’D E’AF;-FA （G,-） ， G,- /31/， 9;-9036.04 ’;H;- IJHA ;- B ’FK JAA HB ;-D,-F ’- LAB;-H MBA ;-D,-F ’- LAB;-H BB-,B;’- -I F’-B’I LAB;-H ;A -CNI 4 LAB;-H DDFB A A,B ’D B IJHA I;FB;’- ;A I;AF,AAI， B ’OB;J;NI D’J, B’ B LAB;-H O;I B’;B;F D’,-IB;’- B’ B ’OB;J;NI IA;H- ’D F’-B’I LAB;-H - A/3B9’;H;- IJH；IJH H-；’OB;J;NB;’- IA;H- 岩体是由包含着断层、 断裂带、 软弱夹层、 节理、 层面等天然间断面相互组合形成的具有初始损伤特 性的地质体。岩体内存在着客观上的不连续性和非 均质性， 使得爆破波在岩体介质中的传播存在几何 衰减和物理衰减。限于技术水平及经济因素， 目前 我国隧道掘进多采用传统的 “钻爆法” 进行开挖作 业， 由于在进行工程爆破设计时缺乏围岩体初始损 伤对爆破作用影响的认识， 造成了许多爆破工作的 失败， 隧道超、 欠现象非常严重， 轻则浪费炸药， 增加 工程投资； 重则可能造成隧道的大面积塌方， 影响工 期， 甚至造成人员伤亡。而隧道中岩体爆破的质量 直接决定着围岩支护费用的高低及支护结构的稳定 性与安全性。因此很有必要引入损伤力学理论研究 岩体的初始损伤对爆破作用影响， 以优化工程爆破 收稿日期 . . 6 作者简介 刘贵应 （“1/.） ， 男； 武汉 中国地质大学硕士研究生 7 设计， 降低工程成本， 提高爆破质量。 损伤对爆破衰减的影响 影响爆破波衰减的主要因素是围岩体的综合耗 能机制， 即岩体中的节理裂隙、 夹层、 断层等地质损 伤。岩体在爆破动荷载作用下是一个极其复杂的动 力过程。与静态破岩过程不同， 岩体的初始损伤不 仅改变了岩体的强度， 也改变了岩体的弹性模量、 爆 破波的衰减及侧向应力系数等物理力学参数。爆源 区岩体内含有天然裂隙， 从损伤力学的观点分析， 可 将其视为岩体的初始损伤。根据损伤力学对损伤变 量的定义， 设岩体的初始损伤因子为 4 ， 在无损伤 岩体中， 爆破波应力峰值的衰减规律 56“5 7“ （） 根据损伤变量的定义， 岩体损伤后爆破波应力峰值 的衰减规律将变为 万方数据 ““ （“ （“ ） ’ （） 式中 “、“分别为两种情况下岩体中某一点的径 向爆破波应力峰值； 是炮眼孔壁冲击波初始波峰 值；“ “ “是对比距离，“ 是岩体中某点到装药 中心的距离，“是装药半径；“是爆破波应力峰值 随距离的衰减系数。 “““ “ “ （） 由式 （） 可知， 无论 取何值， 即岩土体损伤程 度如何， ““始终大于 “， 即岩土体损伤后应力衰 减比未损伤岩土体要快得多。 损伤方向对爆破作用的影响 岩土体处于三维空间中， 受到的应力是三维的， 所以损伤也必是三维的。不仅如此， 岩土体本身具 有各向异性， 受损后各个方向的损伤程度也不一样， 其各向异性的特征更加明显， 即岩土体的损伤具有 明显的方向性。爆破波在遇到损伤性岩土体以前， 径向和环向是主应力方向， 径向受压， 环向受拉， 岩 土体在环向拉伸作用下促使裂纹发生与扩展。通过 损伤性结构面以后， 在损伤界面处发生复杂的波效 应， 出现反射、 透射及波形转化等作用。造成柱装药 或球装药爆炸产生的应力分布已不再是轴对称和点 对称问题， 这也是层状体内不易形成光滑壁面， 取得 理想的控制爆破效果的原因所在。 岩土体损伤对成缝效果的影响 目前的爆破作业多采用控制爆破以有效降低对 岩土体的进一步损伤， 充分发挥岩土体的自撑能力， 减少后期围岩支护费用， 并提高支护结构的稳定性 与安全性。但岩土体的初始损伤对控制爆破成缝效 果有决定性的影响， 研究表明 损伤裂隙的存在将直 接影响断裂裂纹的扩展， 使其偏离预裂控制方向， 同 时由于爆破气体泄入弱面既影响对预裂成缝的贡 献， 也会引起炮孔压力的下降， 最终难以形成理想的 断裂裂缝。同时爆破波通过损伤裂隙界面时， 由于 相临介质的波阻抗相差较大， 透射裂隙的爆破波幅 发生突变， 造成裂隙两侧的爆破效果相差迥异。这 也是最终难以形成理想的断裂裂缝的重要原因。 损伤性岩土体爆破参数的优化设计 隧道中常用的控制爆破方法有预裂爆破和光面 爆破两种形式， 下面以预裂爆破为例来讨论对于损 伤性岩土体预裂爆破参数的优化。合理确定预裂爆 破参数是保证预裂爆破取得理想效果的关键。 “不耦合系数的优化设计 在不考虑岩土体初始损伤的情况下， 根据岩石 断裂力学理论确定不耦合系数形式 * ,（ - . ’/0* ） “ （） 式中- 是爆生气体与孔壁作用时压力增大系数， 一般取 ’ “；为炮孔直径；*为装药直径；. 为炸药爆速； 为炸药的密度；/ 是体积应变状态 下岩石抗拉强度增大系数， 一般取 “；01为岩石单 轴抗压强度 （*,-.） 。 考虑岩土体初始损伤后， 周边眼不耦合系数比 不考虑岩土体初始损伤的不耦合系数要大。 线装药密度的优化设计 在不考虑岩土体初始损伤的情况下， 由阿贝尔 的余容状态方程计算炮孔装药密度 /01 /2 01 3 “45 （0） 线 6“ （） 式中， 为爆生气体压力系数， 一般取 ““；01 是岩 体抗压强度， 设为 0 *,-.；2 为爆生气体余容， 一般取 ； 是炸药比容， 设为 1’ 2, *；5 为 爆温， 设为 ’ 3； 计算得 4 ’ ,-.， 线 ’40’ , .。 考虑岩土体初始损伤后， 假定某岩土体的损伤 因子为 ， 则周边眼炮孔装药密度4 “/ , -.， 相应的线装药密度为 “// , .。 显然， 考虑岩土体初始损伤后周边眼线装药密 度比不考虑岩土体初始损伤要小得多。这也是遇到 损伤性严重的岩土体时遵循 “弱爆破、 小扰动” 的原 则进行设计施工的原因。 炮孔间距的优化设计 炮孔间距 5 可根据当相邻两孔连心线上的切向 拉应力超过岩体的抗拉强度时就有可能形成裂缝的 理论来确定。在不考虑岩土体初始损伤的情况 下 ［］ 2 4 （ -7 8 ’ “ ’ ） “ （/） 式中7是爆破冲击波压力 （*65） ， 考虑岩土体初始 损伤后炮孔间距 2 与未考虑岩土体初始损伤的炮 孔间距 2 之比 9 ［ （“ ’ （“ “ 1 *） ）（“ ） （“ ’） （“ “ 1 *） ］ （’） 式中1是损伤裂纹密度。损伤因子 与损伤裂 纹密度 1关系式 ［0］ “ 第 “1 卷第 期刘贵应等岩体的初始损伤对爆破作用的影响 万方数据 “ “（ ） （） 假定某岩土体的侧压系数“ ’’ ， 损伤因子 “ ’ ， 得 “ ’ ， 代入式 （*） 计算得 ’ ,-.。 可见， 在考虑岩土体初始损伤后周边眼的炮孔 间距比未考虑岩土体初始损伤后周边眼的炮孔间距 要大得多。 /结论及建议 在进行控制爆破参数设计时， 应当充分考虑岩 土体的初始损伤效应， 在损伤性岩土体中实施控制 爆破的单孔装药量应比相应的未发生损伤的介质中 设计值要小， 而周边眼不耦合系数和孔间距都比相 应的未发生损伤的介质中设计值要大。目前在控制 爆破工程实践中， 大多未考虑岩土体初始损伤的影 响， 这也是许多控制爆破效果往往较差的主要原因。 研究岩土体中的初始损伤规律， 并相应进行爆破参 数的优化， 以进一步提高岩土体的控制爆破效果， 将 是未来控制爆破理论与技术研究的主要方向。 参考文献 ［］ 朱瑞赓， 李新平， 陆文兴 0 控制爆破的断裂控制与参数 确定 ［1］ 0 爆炸与冲击， ， （） // 2 ’0 ［］ 张奇 0 工程爆破动力学分析及其应用 ［3］ 0 北京 煤 炭工业出版社， ， * 2 0 ［,］ 张时忠， 吴立 0 凿岩爆破 ［3］ 0 中国地质大学出版 社， /， ’ 2 ’0 ［］ 吴鸿遥 0 损伤力学 ［3］ 0 北京 国防工业出版社， ’， / 2 .0 ［/］ 杨军， 金乾坤， 黄凤雷 0 岩石爆破理论模型及数值计 算 ［3］ 0 北京 科学出版社， ， / 2 .0 中国建材建设西安工程公司成功实施 ,/’4 级硐室大爆破 中国建材建设西安工程公司设计、 施工的陕西秦岭水泥股份 （集团） 有限公司南山采石场 边缘料硐室大爆破， 于 ’’ 年 月 日实施， 爆破效果理想， 离爆区 //’ 5 处的土坯房安然 无恙。本次爆破装药量 ,/’-, 4， 爆破矿岩量 /,-, 万 5,， 是陕西省二十多年来最大规模的一 次硐室爆破。 本次爆破周围环境逼仄， 地质条件复杂。拟爆矿岩大部分为薄层灰岩， 节理裂隙发育， 内 有土层夹带， 个别地段有断层和破碎带。受前次硐室爆破的影响， 岩体整体破碎。 本次爆破共掘进导洞、 硐室 ’/-/ 5， 支护 ’ 5， 主硐室最深达 ’ 5。本次爆破按条 形药包布置药室， 药室前后共分 . 排， 上下分 层， 最小抵抗线为 -., 6 -/. 5， 设计采用 了排间及排内微差分段加强松动爆破技术。 为确保爆破安全和爆破质量， 西安工程公司于爆前专门邀请霍永基、 史家育、 梁开水、 秦明 武和张志呈等教授以及当地安监、 公安和甲方代表对爆破方案进行了论证。 通过爆破漏斗试验和 “ 起爆网路试验， 经精心施工和严密组织， 本次硐室爆破获得圆 满成功， 其爆破效果得到陕西省爆破协会专家和甲方的一致赞许。 西安工程公司 张志旭 爆破’’ 年 . 月 万方数据