靜態脹裂破巖ANSYS數值模擬分析

翟新新

【摘要】本文以北京地鐵16號線08標肖西段L1豎井至L2豎井硬巖段隧道為工程案例，提出適宜于城市復雜硬巖條件下地鐵隧道施工的新工藝——靜態脹裂成巷掘進新技術;建立隧道掘進實體模型，ANSYS模擬反演靜態脹裂裂縫的產生、擴展、貫通過程，分析其成縫規律，為靜態脹裂成巷技術的應用提供科學依據。

【關鍵詞】靜態脹裂;ANSYS模擬;成縫規律

1、引言

靜態脹裂技術作為一種新的破碎或切割成縫技術，與傳統的鉆孔爆破技術相比，具有無震動、無噪音、無飛石及無爆破污染等技術優點，最早應用于石材荒料開采領域，并在環保要求較高的混凝土拆除工程中應用。

國內外學者對靜態脹裂成縫機理和技術主要有：何開明[1]在石材開采中應用了靜態劈裂技術的楔裂技術，提出了應力孔加復合楔為最佳的楔裂方法;賈海軍[3]針對傳統礦山事故現場所遇到的煤塊爆破所存在的安全問題，提出了一種攜帶方便的手動液壓裂石器設計思路;田立忠教授[4]以開采石材中主要運用的劈裂法為研究對象，把巖石的斷裂成縫過程分為4個階段，建立了各階段的楔裂受力模型并給出了劈裂過程中的受力表達式。本文以北京地鐵16號樓08標肖西段L1豎井至L2豎井硬巖地質地段隧道為工程背景，提出堅硬巖質條件下靜態脹裂巷道掘進技術，建立力學和數值模擬模型分析靜態液壓裂石器成縫機理。

2、液壓裂石器靜態脹裂機理理論分析

2.1 液壓裂石器介紹

液壓裂石器由油壓泵（又稱動力泵站）、柱式膨脹管、分壓閥和連接附件構成，其核心部件是柱式膨脹管（分離器），由傳載結構和膨脹管外殼組成。傳載結構與傳動油壓泵站相連，膨脹管與鉆孔周邊孔無角度地接觸，膨脹管為兩瓣，向相反方向運動。

2.2 靜態脹裂技術機理

巖石系硬脆材料，具有抗壓怕拉的特性，其抗拉強度為抗壓強度的1/8～1/10，裂石器正是利用了巖石的這種特性。裂石器工作時，傳載結構將膨脹管向兩邊脹開，膨脹管外殼與孔壁充分無角度接觸，膨脹管的全部壓力都通過炮孔內壁的二個相反相方向作用于巖石，在膨脹管不斷膨脹對孔壁施壓的過程中，鉆孔內壁切向方向產生拉應力并伴隨隨機微小裂紋，并積聚巨大的能量，考慮均質巖體，則裂縫會向應力聚集區擴展，而能量也會向薄弱部位釋放，隨著鉆孔圍巖受拉區域增加，相鄰鉆孔產生拉應力疊加現象，鉆孔軸心線上產生拉應力集中。而兩瓣膨脹管向相反方向運動又進一步集中于垂直于膨脹管殼體運動方向的孔壁二側，相鄰鉆孔間的集中拉應力最先達到巖石的抗拉強度而軸心向裂紋不斷擴展，待能量聚集到極限程度，相鄰鉆孔瞬間形成貫通裂縫，能量釋放，實現巖體完整分割。

3、靜態脹裂數值模擬分析

3.1模型建立

上臺階的高度和寬度按實際尺寸3.2m×6.3m。對實體模型采用Sweep體掃掠網格劃分方法，尺寸控制為7cm，以避免由于單元尺寸過小帶來的應力集中問題。

3.2加載與求解

對實體模型XOZ面和外圍弧形邊界面均施加xyz三個方向的位移約束。施加荷載過程中，孔壁壓力從零值開始增加，當到達時間t1=2.5s時，壓力保持為恒定值50MPa，直至時間t2=3s時卸載。

3.3模擬結果分析

施加分布荷載后，對實體模型進行計算，得到模型的位移矢量和云圖，選取代表性的時間點，記錄其裂縫擴展情況，分析靜態脹裂成縫規律。

ANSYS模擬結果表明：在t1=0.42s之前，巖石處于彈性和塑性變形階段，巖石內部產生的拉應力不足產生裂縫。在t1=0.42s時孔周邊開始出現裂紋，裂紋方向在相鄰孔的連線上;在t1=0.42s～t2=0.42375s之間，裂縫在脹裂孔的連線上迅速貫通，并在最初產生裂縫的節點上出現第二條和第三條裂紋;t2=0.42375s時，右側脹裂孔上開始產生裂縫，裂縫方向在脹裂孔的連線上，并有向掏槽孔的右自由面發展的趨勢;在t2=0.42375s～t3=0.66s之間，掏槽孔上方節點位移逐漸增大，裂縫貫通至掏槽孔的上自由面;在t3=0.66s～t4=1.0013s時間段內，隨著施加荷載的逐漸增大，脹裂孔連線上的裂縫數量顯著增多，左右兩端的脹裂孔周邊的裂縫均有繼續向外延伸的趨勢，與此同時上側與右側的裂縫連接貫通;在t4=1.0013s～t6=2.0025s內，右側產生大量裂縫，向掏槽孔的右自由面發展，部分裂縫延伸至右自由面。此時由于實體模型上形成的裂縫過多，節點應力大部分被釋放;到時間點t7=2.5013s時，在掏槽孔左右兩邊的自由面與上自由面的交界處，裂縫密集，形成較大面積的破碎，最開始產生的裂縫上出現多條分叉裂縫，即“第二條”、“第三條”裂縫。在t7=2.5013s～t8=3.0s內，對脹裂孔施加的壓力保持不變，在這一時間段內巖石內部第一主應力和節點位移處于穩定狀態，幾乎不發生變化，同時裂縫停止延伸。

綜上，巖石在脹裂壓力不斷增大的作用下，形成拉應力場疊加區和位移場疊加區，經過短暫的彈塑性階段，在脹裂孔的連線上開始發生裂縫。隨著荷載的增加，裂縫大量增多，直到在接近兩自由面交界處的應力場疊加區域產生大面積的破碎。

4、工程應用

北京地鐵16號線08標肖西段全長2424.1 m，其中L1豎井至L2豎井之間為硬巖段，單線長118.2 m，硬巖段隧道斷面尺寸為：高6.4m，寬6.3m，長83m。本工程的硬巖段以中風化砂巖為主，巖石堅硬，完整性良好，飽和極限抗壓強度為100.70 Mpa，不適宜盾構法施工，原計劃的掘進方案是鉆爆法施工，但周邊環境復雜：堅硬巖層段隧道周圍地下管線交錯復雜，有排污管、給排水管、及地下天然氣管線，最近距離約14m;隧道地表周圍建筑主要有中央黨校研究生樓（距離65m）、和順達汽修店（28m）、西苑北橋（13m）;隧道地表交通復雜，穿過圓明園西路，并與頤和園路交叉，交通問題嚴峻。采用靜態脹裂成巷技術進行掘進施工，結合爆破掏槽形成自由面，對靜態脹裂新技術進行安全評估分析，分析結論如下：

（1）參考已有爆破震動安全評判標準，利用薩氏公式，通過計算隧道周邊建筑中央黨校研究生樓質點振動速度來評估震源對質點的震動效應影響，分析結果表明，與傳統鉆爆全斷面掘進施工相比，脹裂成巷技術掏槽爆破產生的震動效應，中央黨校研究生樓震動速度由0.11cm/s降至0.054cm/s，震動效應顯著降低。

（2）采用經驗公式對隧道距爆源14m位置處質點空氣沖擊效應進行計算對比，計算結果表明，脹裂技術掏槽爆破產生的空氣超壓值由2771.9Mpa降低至1462.2Mpa。

（3）利用Lundborg統計公式，綜合考慮炸藥單耗量，計算結果表明，靜態脹裂掏槽爆破飛石距離由53.2m降低至26.6m。

結論：

本文基于巖石抗壓怕拉的特性，建立了靜態脹裂破巖受力模型，數值模擬反演靜態脹裂成縫機理，巖石在脹裂壓力不斷增大的作用下，形成拉應力場疊加區和位移場疊加區，經過短暫的彈塑性階段，在脹裂孔的連線上開始發生裂縫，隨著荷載的增加，裂縫大量增多，直到在接近兩自由面交界處的應力場疊加區域產生大面積的破碎。工程應用表明，靜態脹裂新技術僅需要少量炸藥進行掏槽爆破，震動效應、沖擊危害、爆破噪音、飛石等危害顯著降低，更適宜于城市復雜硬巖地下環境隧道掘進施工。

參考文獻：

[1]何開明.石材楔裂機理的探討[J].福建建材，2001（1）：28-31.

[2]賈海軍，海瑩，唐述明，等.氣動便攜式礦山救援裂石機的設計[J].礦山安全和環保，2012，39（6）：40-43.

[3]田立忠，劉永富.人工劈裂法石材開采的斷裂機理探討[J].金屬礦山，2007，8：74-78.