不同爆炸力作用下端部消波和加密錨桿支護洞室動態響應研究

王光勇， 陳安敏， 徐景茂

(1. 河南理工大學 土木工程學院，河南 焦作 454000；2. 總參工程兵科研三所，河南 洛陽 471023)

由于地下爆炸對地下堅固工程的沖擊破壞比相同當量觸地爆炸要大幾倍至幾十倍，因此各國都在致力于常規的鉆地武器發展，為了增大對地下工事的打擊力度，常規鉆地武器的精度越來越高，鉆地越來越深，因此防護工程將面臨著嚴重的挑戰。從近年來的幾次局部戰爭看，盡管常規鉆地武器對防護工程構成了嚴重威脅，但深埋于地下的堅固工事和具有足夠防護層厚度的坑道工程仍然是抵抗精確制導武器打擊的最有力手段。目前提高防護工程防護能力的技術措施有多種，其中最重要的措施之一就是采用各種加固措施大力提高坑道圍巖的抗力。在眾多的加固措施當中，錨桿支護是應用最廣泛的一種加固措施，由于防護工程所受打擊的常規鉆地武器的炸藥當量和鉆地深度會有所不同，從而導致防護工程受的爆炸力不同，因此研究不同爆炸力作用下新型錨桿支護洞室的動態響應是非常有意義的。

關于錨固洞室在動載作用下的動態響應研究已經進行了許多的研究，并取得了豐富的成果。國內外學者們[1-17]從錨固洞室的位移、速度、加速度、破壞形式、錨桿軸力、振動頻率、錨桿的支護形式等方面進行研究，并且研究了錨固洞室支護參數和洞室自由面數對地下洞室動態響應的影響，以上的成果主要是研究在某一確定爆力作用下錨固洞室的動態響應，然而實際錨固洞室所受到的動載是不一樣的。本文主要通過調整比例距離來確定不同的爆炸力，研究不同爆炸力作用下端部消波和加密錨桿支護洞室的動態響應，從而為動載下端部消波和加密錨桿支護設計提供參考。

1 試驗概況

1.1 試驗模型及測點位置

試驗裝置是采用總參工程兵科研三所巖土與結構工程重點實驗室自行研制的抗爆模型試驗裝置，該模型試驗裝置的尺寸為長×寬×高=2.4 m×1.5 m×2.3 m，每個試驗段總長800 mm。沿洞室軸線劃分成3個試驗段，如圖1所示，每個試驗段800 mm，左邊、中間和右邊分別是端部加密錨桿支護洞室、普通長密錨桿支護洞室、端部消波錨桿支護洞室，分別簡稱為M4，M3和M5，3個洞室加固長度均為400 mm，為了減小加固段邊界的影響，便于加固效果的比較，在每個試驗段兩邊分別留長200mm的毛洞。洞室M3，M4和M5的跨度都為60 cm，用直徑Φ1.84 mm的鋁棒模擬加固圍巖的錨桿，其中長錨桿、短錨桿長度分別為18 cm，6 cm，長短錨桿間、排距均為4 cm。M5中錨桿內端部空孔長度為6 cm，間距為4 cm。整個模型共布置了9個壓力傳感器，6個加速度傳感器，3個位移傳感器，15個洞壁應變測點，具體的符號及位置見圖1。

(a)(b)(c)(d)

圖1 模型測點布置圖(單位：mm)

Fig.1 Arrangement of measuring points in the models(unit：mm)

1.2 相似要求

試驗中的相似條件主要是考慮了應力相似條件、幾何相似條件和爆炸力相似條件，相應比例系數的選取是按弗魯德(Froude)比尺和藥量的立方根比尺進行綜合考慮確定的。本次模型試驗主要是考慮Ⅲ類圍巖，具體Ⅲ類圍巖參數及模型材料的物理力學參數見表1。由表1可以大致得到密度比例系數Kρ、應力比例系數Kσ和幾何比例系數KL。具體3個相似比例系數確定如下：首先根據表1中模型試驗材料最大密度和原型最大密度比例得到密度比例系數為0.67，其次通過材料試驗，確定應力比例系數為0.06，最后由Froude比例法知幾何比例系數等于應力比例系數除以密度比例系數，即可確定為0.09。由上述密度、應力和幾何比例系數可得模型試驗各重要變量比例系數，如表2所示。

表1 III類圍巖和模型材料物理力學參數

表2 模型試驗主要變量及其數值

本試驗參考Ⅲ、Ⅳ類圍巖錨桿參數，根據相似比尺來確定模型上錨桿長度和間距；試驗中的錨桿是考慮與實際工程上使用的Φ18螺紋鋼筋相似，從幾何比尺、應力比尺及操作方便考慮，最終確定用Φ1.84 mm的鋁棒來模擬Φ18的螺紋鋼筋。

1.3 試驗步驟

試驗準備分五級爆炸荷載進行，最后進行了四級。第 1 次爆炸為正常試驗，后 3 次爆炸為超載試驗，挖除模型內破壞材料，回填相同材料待凝結硬化后再重新爆炸。由于裝藥的比例埋深不同會導致炸藥傳遞給地下能量不同，為了確保每次爆炸條件對巖體的影響可以忽略[18-19]，所以保證每次比例埋深(h/W1/3)都為17.1 cm/g1/3，具體每次裝藥量分別如表3所示，試驗藥量由低向高依次進行。

2 試驗結果分析

2.1 拱頂垂直壓力峰值衰減規律

為了確保工程結構的安全性與穩定性，在研究爆炸荷載對地下工程的影響時，大家最關心是離地下結構最近點的動載強度，它的大小直接影響到地下工程穩定性和安全。離3個錨固洞室最近測點P3，P6 和P9的垂直壓應力峰值與比例距離的關系曲線見圖2，從圖中擬合曲線中分析得出：在相同爆炸條件作用下，離加固范圍最近的點所得垂直壓應力峰值衰減規律比較相似，隨著比例距離的增大，符合冪函數衰減規律。通過擬合可以得到P3，P6和P9衰減指數分別為1.462，1.483和0.657，M3和M4衰減指數相差比較小，僅1.4%，并且相同比例距離的垂直壓應力峰值也比較相近。隨著比例距離的減小，M5的垂直壓應力峰值從比M3和M4大向比M3和M4小轉變，大約在比例距離0.6 m·kg-1/3處，3個洞室的垂直壓應力峰值相等。

表3 模型試驗藥量及埋深

圖2 P3，P6，P9拱頂垂直壓應力峰值與比例距離關系曲線

Fig.2 Relation curves between the peak vertical compression stresses on vault ofP3,P6 andP9 and scaled stance

2.2 洞室頂底板相對位移峰值衰減規律

洞室頂底板相對位移是衡量洞室穩定性的一個重要指標，表4是四炮的洞室頂底板相對位移峰值，根據表4的數據得到洞室頂底板相對位移峰值與比例距離關系曲線，如圖3所示(圖中D是洞室的跨度)。由于第一炮的藥量較小，洞室頂底板相對位移受到其它波的干擾較大，另外第一炮有密實作用，所以取后三炮的數據擬合出比例距離與頂底板相對位移峰值關系曲線和公式。從圖3中分析可以知道：隨著比例距離的增大，3個洞室頂底板相對位移峰值以冪函數規律進行衰減；在相同的比例距離時，M3的位移峰值最大，M4的位移峰值最小，并且隨著比例距離逐漸減小，位移峰值增大的速度越來越大，3個洞室的位移峰值差值從小變大再變小，在比例距離為1.4 m·kg-1/3附近位移峰值差值最大。從擬合曲線公式可以得到M3，M4，M5的衰減指數分別為2.921，5.043，3.791，M4和M5的衰減指數比M3要大，所以隨著比例距離的減小，M4，M5的頂底板相對位移峰值逐漸向M3靠近，甚至可能超過M3。當比例距離小于0.8 m·kg-1/3，M4和M5的頂底板相對位移峰值就開始超過M3。這說明雖然端部加密錨桿加固圍巖的強度比普通長密錨桿加固圍巖的強度有所提高，但其作用在加固區的動載強度也因波阻抗增加而提高，當比例距離比較大時，提高的動載強度對洞室穩定性的影響效果可能比提高圍巖強度的效果要小，此時M4的頂底板相對位移峰值比M3小；當比例距離比足夠小時，提高的動載強度對洞室穩定性的影響效果可能比提高圍巖強度的效果要大，此時M4的頂底板相對位移峰值比M3大。端部消波錨桿支護洞室雖然消波孔能吸收一定的能量，但其也使錨區附近圍巖強度有所降低，當比例距離比較大時，消波孔能吸收的能量對洞室穩定性的影響效果比錨區附近圍巖強度降低的效果大，此時M5的頂底板相對位移峰值比M3小；當比例距離比較小時，消波孔能吸收的能量對洞室穩定性的影響效果可能比錨區附近圍巖強度降低的效果小，此時M5的頂底板相對位移峰值比M3大。

表4 洞室拱頂底板相對位移峰值

圖3 洞室頂底板相對位移峰值與比例距離關系曲線

2.3 洞壁最大壓應變峰值衰減規律

洞壁應變是考慮洞室環向受力情況，從試驗的結果可以知道，洞壁環向受力較嚴重主要在拱頂和拱腳，前者是受拉，后者是受壓。由于M3拱頂洞壁應變大部分數據沒有測到，所以主要分析拱腳受壓洞壁應變峰值與比例距離關系，另外第一炮有密實的作用，與實際不太相符，故根據后三炮的數據進行分析，其相關的數據和擬合曲線及公式見表5和圖4。從圖中分析可以得到：隨著比例距離的增大，最大洞壁應變峰值呈一定規律性的衰減，利用冪函數進行擬合，得到M3，M4，M5的衰減指數分別為1.839，1.926，2.965；M3和M4的衰減指數和公式系數都比較相近，因此，兩個洞室的曲線比較靠近，隨著比例距離的減小它們最大壓應變峰值相差越小，當比例距離為1.0 m·kg-1/3時，M4小于M3不到1%；隨著比例距離減小，M5的最大壓應變峰值從比M3和M4小逐漸向比M3和M4大轉變，當比例距離為1.0 m·kg-1/3時，M5的最大壓應變峰值比M3和M4大60%左右，由于M5的衰減指數明顯比其它兩個洞室大，所以隨著比例距離減小，這種差距會越來越大。

圖4 洞室最大應變峰值與比例距離關系曲線

洞室第一炮第二炮第三炮第四炮最大壓應變峰值/με比例距離(R/W1/3)/(m·kg-1/3)最大壓應變峰值/με比例距離(R/W1/3)/(m·kg-1/3)最大壓應變峰值/με比例距離(R/W1/3)/(m·kg-1/3)最大壓應變峰值/με比例距離(R/W1/3)/(m·kg-1/3)M3276.4632.84357.0612.2624.2851.61 495.541.0M4375.4022.84298.6702.2625.3911.61 481.801.0M5402.7162.84232.2732.2596.0941.62 402.081.0

2.4 拱頂加速度峰值衰減規律

由于拱頂是直接受到爆炸荷載的作用，而底板受到的爆炸荷載已經經歷了洞室的繞射和反射作用，所以拱頂的振動加速度明顯大于底板的振動加速度，另外由于M3的底板加速度沒有測到，所以下面主要分析3個洞室的拱頂加速度峰值規律。表6是3個洞室的四炮拱頂加速度數據，通過拱加速度峰值與比例距離的關系可得到擬合曲線和公式，如圖5所示。隨著比例距離的減小，3個洞室的拱頂加速度峰值呈一定的規律減小，利用冪函數進行擬合，得到相應的擬合公式。從擬合曲線可以發現，當比例距離小于1.55 m·kg-1/3時，M4的拱頂加速度峰值比M3大，并且隨著比例距離的增大，兩者的差距逐漸減小；當比例距離大于1.55 m·kg-1/3時，M4的拱頂加速度峰值比M3小，并且隨著比例距離的增大，兩者的差距越來越大，當比例距離為1.0 m·kg-1/3時，M4的拱頂加速度峰值是M3的1.21倍；M5的拱頂加速度峰值在所進行的四炮中普遍比M3小，當比例距離為1.0 m·kg-1/3時，M5的拱頂加速度比M3的小14.6%，由于M5的衰減指數比M3大，所以隨著比例距離的減小，M5的拱頂加速度逐漸向M3接近，并且有可能超過M3。

表6 洞室拱頂加速度峰值

圖5 洞室拱頂加速度峰值與比例距離關系曲線

3 結 論

通過對普通長密錨桿支護洞室、端部加密錨桿支護洞室、端部消波錨桿支護洞室在不同的爆炸力作用下的動態響應進行分析，得到以下結論：

(1) 離3個錨固洞室最近測點P3，P6和P9的垂直壓應力峰值與比例距離的關系曲線符合冪函數衰減規律；M3和M4衰減指數相差比較小，并且相同比例距離的垂直壓應力峰值也比較相近。隨著比例距離的減小，M5的垂直壓應力峰值從先比M3和M4大，然后逐漸向它們靠近，最后比M3和M4小，大約在比例距離0.6 m·kg-1/3處，3個洞室的垂直壓應力峰值相等。

(2) 隨著比例距離的減小，M4，M5的頂底板相對位移峰值逐漸向M3靠近，當比例距離小于0.8 m·kg-1/3，M4和M5的頂底板相對位移峰值就開始超過M3。

(3)M3和M4最大洞壁應變峰值的衰減指數和公式系數都比較相近，因此，兩個洞室的曲線比較靠近，隨著比例距離減小，M5的最大壓應變峰值從比M3和M4小逐漸向比M3和M4大轉變，由于M5的衰減指數明顯比其它兩個洞室大，所以隨著比例距離減小，這種差距會越來越大。

(4) 隨著比例距離的減小，M4的拱頂加速度峰值從比M3小到比M3大，比例距離為1.55 m·kg-1/3是兩種狀態的轉折點。M5的拱頂加速度峰值在所進行的四炮中普遍比M3小，由于M5的衰減指數比M3大，所以隨著比例距離的減小，M5的拱頂加速度逐漸向M3接近，并且有可能超過M3。