爆生氣體對鄰近硐室背爆側預制裂紋影響機理

郭東明，劉　康，胡久羨，楊仁樹，袁保森，趙曉娜

( 1．中國礦業大學(北京) 力學與建筑工程學院，北京　100083；2．深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，北京　100083)

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爆生氣體對鄰近硐室背爆側預制裂紋影響機理

郭東明1,2，劉康1，胡久羨1，楊仁樹1,2，袁保森1，趙曉娜1

( 1．中國礦業大學(北京) 力學與建筑工程學院，北京100083；2．深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，北京100083)

摘要:采用動態焦散線實驗方法，研究爆炸荷載作用下鄰近硐室背爆側裂紋擴展規律時發現，伴隨爆生氣體釋放出現的弧線型應力集中區是爆生氣體引起的主應力差峰值位置，與背爆側裂紋的擴展有較大的關聯。實驗研究表明：炸藥爆炸后，產生的應力波首先作用于硐室背爆側裂紋，隨后爆生氣體產生的準靜態應力作用于裂紋，對裂紋的擴展起主要作用，而卸載波主要作用于裂紋擴展后期，使裂紋出現翹曲現象。當弧線型應力集中區接近擴展中的裂紋時，裂紋擴展速度達到峰值，約等于弧線型應力集中區的移動速度，之后，裂紋尖端與弧線型應力集中區的相對距離基本不變，當該應力集中區越過裂紋尖端，裂紋擴展速度逐漸減小，最終止裂。裂紋尖端動態應力強度因子與裂紋擴展速度具有相似的變化規律，峰值動態應力強度因子出現在弧線型應力集中區越過裂紋尖端之前。基于該發現進行的研究證實了爆生氣體對鄰近巷道裂紋擴展的主導作用，深化了爆炸荷載對鄰近巷道影響機理的研究。

關鍵詞:爆生氣體；鄰近硐室；背爆側裂紋；擴展機理

隨著經濟的快速發展，地鐵隧道工程進入蓬勃發展期。在隧洞開挖中，盡管機械開挖已取得較大進展[1]，但鉆爆法以其成熟技術及簡便施工仍被廣泛應用，而隧道普遍的雙線平行布置使鄰近隧道爆破開挖引起既有隧道擾動損傷[2]。尤其巷道圍巖中存在各種缺陷時，損傷更加嚴重，如裂紋相互貫穿，產生局部的剝落，本來擾動較小的鄰近巷道背爆側裂紋缺陷處出現較大的裂紋擴展等，甚至誘發巖爆[3-5]。

鄰近硐室爆破開挖對既有硐室的影響與爆破破壞參數關聯較大，但由于巖石爆破破壞的瞬時性，無論采用理論計算還是試驗方法，都難以得到相關參數；當前，針對巖石爆破破碎機理提出的3種假說仍有待進一步深化[6]。因此，在爆破荷載對鄰近硐室擾動影響的研究中，采用的爆破荷載大多根據現場實測值進行了簡化處理。如劉慧[7-8]、吳亮[9-10]、畢繼紅等[11]采用ANSYS軟件，結合實測值，將爆破荷載曲線簡化為三角形曲線，并將爆炸荷載以壓力形式均勻分布于孔壁上，模擬鄰近硐室爆破開挖對鄰近隧道的影響，分析硐室質點振動速度、加速度和硐室周邊應力場。另外，為了便于理論分析，劉殿魁[12]、蓋秉政[13]等基于波動力學理論，將鄰近硐室爆破對既有硐室的影響假設為半無限介質中爆炸應力波在孔洞周邊繞射引起的動應力集中，分析了彈性波在孔洞處的繞射問題。

上述的分析將爆炸荷載對鄰近硐室的影響簡化為爆炸應力波作用于鄰近硐室，重點分析了鄰近硐室的動態響應。而一些學者基于爆生氣體和應力波綜合作用理論，對爆破破巖機理進行了深入探討。趙新濤[14]采用BCM模型分析了爆生氣體對巖體裂隙擴展的影響，并得出炸藥爆炸產生的沖擊波作用形成了孔壁附近的粉碎圈，爆生氣體產生的準靜態應力作用使原有裂隙擴展和新裂隙形成。李寧[15]采用動態接觸界面模型分析了爆生氣體對裂紋擴展的驅動作用，得出爆生氣體主要作用與壓裂過程。褚懷保等[16]通過模擬試驗認為煤體中的爆破損傷是爆炸沖擊波或應力波、爆生氣體和瓦斯氣體綜合作用的結果。爆炸沖擊波主要作用于近區，爆生氣體和瓦斯氣體準靜態應力場作用于中遠區。

筆者采用新型數字激光動態焦散線試驗方法[17]，探究爆炸荷載對鄰近硐室影響問題時發現，伴隨著炸藥爆炸產生的爆生氣體釋放，出現弧線型的應力集中區，并向鄰近巷道一側移動，該弧線型集中區與背爆側裂紋的擴展有較大關聯。本文結合上述現象，基于爆生氣體和應力波綜合作用理論，對爆生氣體作用下鄰近硐室背爆側裂紋缺陷的擴展機理進行了分析，進一步深化了鄰近硐室爆破開挖對既有硐室影響機理的研究。

1實驗原理及模型設計

1.1實驗原理

新型數字激光動態焦散線實驗系統[18]基于動態焦散線方法，可記錄下爆炸荷載作用下裂紋擴展的整個過程以及擴展過程中每一時刻裂紋尖端產生的焦散斑——裂紋尖端應力集中區域的復雜變形狀態通過光學的幾何映射關系轉換成的陰影光學圖形，通過焦散斑的直徑測量，可確定每一時刻裂紋尖端的動態應力強度因子。動態應力強度因子與裂紋尖端應力場大小呈正相關，反映了裂紋尖端應力集中程度的大小，動態應力強度因子公式[19]為

(1)

1.2實驗模型設計

為了簡化實驗，減小實驗離散度，需要選用均質、各向同性材料，以避免材料的非均質性和各向異性引起誤差；實驗采用透射式動態焦散線系統，要求實驗材料高透光率；為了便于觀察實驗，要求材料具有一定塑性，綜上選用有機玻璃作為模型材料。試驗模型規格為300 mm×300 mm×5 mm，板中部加工貫穿的直墻拱形孔洞，孔洞下部斷面形狀為40 mm×20 mm的半矩形，上部斷面形狀為半徑20 mm的半圓拱，以此模擬鄰近硐室。在孔洞左邊加工炮孔，炮孔直徑為6 mm，炮孔內裝入160 mg疊氮化鉛單質炸藥，以此模擬鄰近硐室鉆爆法施工。

通過初步試驗探究，確定裂紋相關參數，具體如下。裂紋傾角：當裂紋傾角為30°時，裂紋擴展位移最大，隨傾角增大或減小，裂紋擴展位移均逐漸減小[3]，為了簡化分析，選擇裂紋傾角為水平方向。裂紋的長度：隨預制裂紋長度增大，裂紋擴展位移逐漸增大，當裂紋長度大于5 mm后，裂紋擴展位移逐漸減小[4]，為了保證實驗現象明顯，便于實驗分析，最終選擇預制裂紋長度m為5 mm。裂紋顯隱性：隨裂紋與硐室間距增大，裂紋擴展逐漸減小，當裂紋與硐室間距為5 mm時，裂紋基本未擴展。最終選定裂紋與硐室間距n為4 mm。隨爆源與硐室間距增大，爆炸荷載對鄰近硐室背爆側裂紋缺陷影響先增大后減小，其中，當爆源與硐室間距為45 mm時，背爆側裂紋缺陷擴展最為明顯。在實驗設計中，為了防止爆生氣體釋放，在脫脂棉和膠帶密封炮孔的基礎上，用鐵制薄圓柱體夾具夾住炮孔兩側，并在夾具上加工環形凹槽，用O型橡皮圈填塞，可盡量保證爆生氣體絕大部分作用于孔壁。圖1為模型示意圖。

圖1　模型加工示意Fig.1　Schematic diagram of model processing

2背爆側裂紋擴展機理過程分析

圖2是相同條件下模擬爆炸荷載作用下鄰近硐室背爆側裂紋動態擴展行為的實驗圖片，從圖中可看出，爆炸荷載作用下，鄰近孔洞的破壞形態基本相同，分為炮孔處的粉碎區、孔洞迎爆側的裂紋擴展區、孔洞背爆側預制裂紋處的裂紋擴展和背爆側底角位置的裂紋擴展。由于圖2(a)和2(b)的實驗現象及對應的實驗數據具有一定的相似性，因此，后續的分析以圖2(b)對應的數據進行。

圖2　爆炸荷載對鄰近硐室影響實驗最終結果Fig.2　Final test result of blast load effect on neighboring tunnel

圖3為高速攝影儀采集的爆炸荷載作用下背爆側裂紋的擴展過程圖片，通過系列圖片分析，可清楚地了解裂紋的擴展機理。

當炸藥起爆后，沖擊波壓力遠大于孔壁動抗壓強度，在炮孔周邊形成粉碎區，衰減后形成的應力波向周圍快速傳播，通過30～50 μs的圖片可清晰地看到隨應力波傳播出現的環狀應力集中區，且可看到巷道自由面處應力集中區向背爆側轉移，當t=70 μs時，應力波繞射傳播到預制裂紋處，并作用于裂紋尖端，越過尖端的應力波引起沿水平方向的切應力，尖端反射的應力波引起反射拉伸應力[20]，尖端出現應力集中，形成奇異區—焦散斑，但由于未超過動態斷裂韌度，預制裂紋未起裂。當t=90 μs時，充滿炮孔的爆生氣體通過粉碎圈釋放，當t=130 μs時，可看到圍繞爆生氣體出現明顯的弧線型的應力集中區，這主要是部分爆生氣體以脈沖荷載形式[15]作用于孔壁，炮孔周邊主應力差增大達到峰值引起。該應力集中區由于脈沖荷載的波動性而逐漸移動，如圖3所示。t=110～150 μs時，主應力差峰值位置接近預制裂紋，預制裂紋尖端的焦散斑逐漸變大，當t=170 μs時，裂紋起裂，之后，伴隨著弧線型應力集中區的靠近，裂紋快速擴展。當t=310 μs時，弧線型應力集中區追趕上擴展中的裂紋，且由于卸載波產生的徑向拉應力作用越來越明顯，裂紋向下翹曲。之后，隨著弧線型應力集中區的遠離，裂紋止裂。上述現象與宗琦[21]、趙新濤等[14]通過理論和數值分析得到的結論相同，即炸藥爆炸后，首先作用于巖石的是沖擊波和應力波，形成炮孔周圍的粉碎區和微裂隙區，隨后,爆生氣體迅速膨脹充滿炮孔并以脈沖荷載形式作用于孔壁。從上述的分析可看出，背爆側裂紋的擴展是爆炸產生的沖擊波、爆生氣體形成的準靜態應力場和卸載波綜合作用的結果。爆炸應力波主要作用于背爆側裂紋擴展前，爆生氣體作用于裂紋擴展的全過程，對背爆側裂紋的擴展起主要作用，而卸載波主要作用于裂紋擴展后期，使裂紋擴展方向發生偏離，出現翹曲現象[22]。

3爆生氣體作用下背爆側裂紋擴展機理分析

3.1裂紋擴展機理運動學分析

圖3　爆炸荷載作用于鄰近巷道Fig.3　Explosion loads acting on the adjacent tunnels

圖4　裂紋尖端與弧線型應力集中區相對距離及其速度隨時間變化曲線Fig.4　Relative distance between crack tip and arc type stress concentration region and velocity changing curve with time

圖4中縱坐標D表示擴展中裂紋尖端與弧線型應力集中區的相對距離，當弧線型應力集中區位于裂紋左端時，相對距離為負，反之，為正。裂紋擴展速度和弧線型應力集中區傳播速度均通過測量高速攝影機拍攝間隔圖片的位置差除以間隔時間獲得。從圖4可看出，爆生氣體形成的弧線型應力集中區的移動速度在300 m/s上下振蕩性的變化，準靜態應力作用以相對穩定的波動形態向周邊傳播，并在應力波之后作用于裂紋尖端，在150 μs左右時，裂紋起裂，弧線型應力集中區移動速度出現短暫減小后又恢復原波動狀態，而裂紋擴展速度逐漸增大，裂紋尖端與弧線型應力集中區的相對距離逐漸減小，在200～250 μs之間時，相對距離穩定，約為1 cm，裂紋擴展速度與弧線型應力集中區移動速度基本相同。在該階段，弧線型應力集中區整體移動速度相對其它時間段明顯降低，在250 μs后，裂紋擴展速度振蕩性的減小，在裂紋快速擴展過程中，裂紋的擴展速度約等于弧線型應力集中區移動速度。

綜上，裂紋的最大擴展速度發生在弧線型應力集中區越過擴展中的裂紋尖端之前，且伴隨著弧線型應力集中區移動速度的略微減弱，當弧線型應力集中區接近擴展中的裂紋尖端時，達到峰值的裂紋擴展速度約等于弧線型應力集中區的傳播速度，弧線型應力集中區與裂紋尖端相對距離基本不變，在該時間段內，裂紋擴展速度表現為在峰值上下振蕩性變化。

3.2裂紋擴展機理力學分析

從圖5可看出，當t=50 μs左右時，預制裂紋右尖端動態應力強度因子從零開始快速增加，說明此時，應力波開始作用于預制裂紋，當t=100 μs左右時，動態應力強度因子達到第1個峰值，超過動態斷裂韌度，裂紋有略微的擴展，之后，動態應力強度因子開始減小，說明此時應力波的作用逐漸減小。但當t=130 μs左右時，由于爆生氣體產生的弧線型應力集中區逐漸接近預制裂紋，弧線型應力集中區對硐室產生的強拉伸應力在硐室背爆側產生強拉應力場，作用于預制裂紋，并伴隨著弧線型應力集中區的接近，強拉應力場逐漸增加，最終導致裂紋尖端動態應力強度因子快速增加，當t=170 μs左右時，動態應力強度因子出現短暫的平穩后快速增加，裂紋起裂，當t=200 μs時，動態應力強度因子達到峰值1.68 MN/m3/2，之后，裂紋尖端與弧線型應力集中區的相對距離維持不變，此時，裂紋擴展速度與弧線型應力集中區擴展速度相同，當t=250 μs左右時，峰值上下振蕩變化的動態應力強度因子開始減小，此時，裂紋尖端與弧線型應力集中區的相對距離開始減小，說明此時裂紋擴展速度相對弧線型應力集中區傳播速度較小，當t=300 μs左右時，弧線型應力集中區追趕上擴展中的裂紋，此時，動態應力強度因子開始振蕩性的變化，維持一段時間后，開始快速減小，裂紋止裂。

圖5　相對距離D和裂紋尖端動態應力強度因子隨時間變化曲線Fig.5　Relative distance D and the dynamics stress intensity factor of the crack tip changing curve with time

圖6　相對距離D與裂紋尖端動態應力強度因子關系曲線Fig.6　Relationship curve between the relative distance D and dynamic stress intensity factor of crack tip

為了更加清晰地分析弧線型應力集中區與擴展中裂紋的相對距離和動態應力強度因子的關系，繪制了裂紋尖端動態應力強度因子隨相對距離變化的曲線，如圖6所示。從曲線中可看到，當D=-1.7 cm左右時，裂紋尖端的動態應力強度因子開始增加，相對距離在-1.15 cm時，動態應力強度因子達到最大值1.68 MN/m3/2，說明此時應力最為集中，裂紋受拉應力最大，之后由于慣性效應，裂紋快速擴展，而導致動態應力強度因子逐漸減小，當D=0左右時，裂紋接近止裂，動態應力強度因子開始振蕩性的減小。

從上述分析可看出，導致預制裂紋起裂的主要原因是爆生氣體產生的準靜態應力場的作用，且裂紋的最大擴展速度發生在弧線型應力集中區接近擴展中的裂紋尖端，此時裂紋的擴展速度約等于弧線型應力集中區的傳播速度，動態應力強度因子始終維持在峰值左右振蕩性的變化，持續一段時間后，裂紋擴展速度減弱，當弧線型應力集中區越過擴展中的裂紋后，裂紋逐漸止裂。

4結論

(1)爆炸荷載作用下鄰近硐室背爆側裂紋的擴展是爆炸應力波、爆生氣體產生的準靜態應力場和卸載波綜合作用的結果，其中爆生氣體產生的準靜態應力場對裂紋的擴展起主要作用。

(2)當弧線型應力集中區接近擴展中的裂紋尖端時，達到峰值的裂紋擴展速度約等于弧線型應力集中區的傳播速度，弧線型應力集中區與裂紋尖端相對距離基本不變，在該時間段內，裂紋擴展速度表現為在峰值上下振蕩性變化。

(3)爆生氣體產生的準靜態應力主要作用在其產生的弧線型應力集中區追趕上擴展裂紋之前，表現為動態應力強度因子達到峰值，并在峰值上下振蕩性變化，當弧線型應力集中區越過裂紋尖端時，動態應力強度因子逐漸減小，裂紋止裂。

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Experimental study on the effect mechanism of the explosion gas on the precrack in the back-blasting of adjacent tunnel

GUO Dong-ming1,2,LIU Kang1,HU Jiu-xian1,YANG Ren-shu1,2,YUAN Bao-sen1,ZHAO Xiao-na1

(1.SchoolofMechanic&CivilEngineering,ChinaUniversityofMining&Technology(Beijing),Beijing100083,China;2.StateKeyLaboratoryofGeomechanicsandDeepUndergroundEngineering,Beijing100083,China)

Abstract:During the research about crack extension rule at the back-side of adjacent tunnel under the action of blasting load adopting the dynamic caustics experimental method,a relationship exists between the crack extension in back-side of tunnel to blasting and arc type stress concentration region which appears with the release of detonation gas.Study shows that after the explosion,the explosion stress wave acts on the crack in the back-side of tunnel firstly,then the quasi-static stress field produced by detonation gas acts on the crack,which plays a main role on the propagation of the crack.Finally,unloading wave acts on crack,and the crack warps.When the arc type stress concentration region moves near the tip of propagation crack,the crack extension velocity reaches to maximum,which equals to the velocity of wave front.Later the relative distance between the crack tip and arc type stress concentration region doesn’t change basically.When the arc type stress concentration region extends cross the crack tip,the extension velocity gradually decreases,finally,the crack arrest.Similar changing rule happens on the dynamic stress intensity factor.Dynamic stress intensity factor reaches peak before the arc type stress concentration region runs across the crack tip.Research based on the findings confirms that the detonation gas plays a dominant role to the crack propagation in adjacent tunnel.The researches enable a better understanding on the impact mechanism of explosion load on neighboring tunnel.

Key words:detonation gas;adjacent tunnel;crack in back-side blasting;extension mechanism

中圖分類號:TD235

文獻標志碼:A

文章編號:0253-9993(2016)01-0265-06

作者簡介:郭東明(1974—)，男，江西新余人，副教授，博士生導師。E-mail：dmguocumtb@126.com

基金項目:國家自然科學基金資助項目(51274204，51134025)；教育部新世紀優秀人才支持計劃資助項目(NCET-12-0965)

收稿日期:2015-08-26修回日期:2015-11-23責任編輯:常琛

郭東明，劉康，胡久羨，等.爆生氣體對鄰近硐室背爆側預制裂紋影響機理[J].煤炭學報,2016,41(1):265-270.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2015.1249

Guo Dongming,Liu Kang,Hu Jiuxian,et al.Experimental study on the effect mechanism of the explosion gas on the precrack in the back-blasting of adjacent tunnel[J].Journal of China Coal Society,2016,41(1):265-270.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2015.1249