深埋岩石隧洞的周边控制爆破方法与参数确定X

　第24卷　第6期爆炸与冲击V ol.24,N o.6 2004年11月EXP LOSI ON AND SH OCK W AVES N ov.,2004　

文章编号:100121455(2004)0620493206

深埋岩石隧洞的周边控制爆破方法与参数确定Ξ

戴　俊

(西安科技大学,陕西西安710054)

摘要:利用弹性理论方法,结合周边控制爆破的炮孔间贯通裂纹形成机理分析了原岩应力对光面爆破和

预裂爆破炮孔间贯通裂纹形成的影响。结果为:原岩应力的存在有利于光面爆破的炮孔间贯通裂纹的形成,

不利于预裂爆破的炮孔间贯通裂纹的形成。由此得出结论:高原岩应力条件下的隧洞开挖周边控制爆破宜采

用光面爆破方法,光面爆破参数需要根原岩应力、隧洞开挖半径和岩石力学性质进行相应调整。对高原岩应

力条件的隧洞开挖实施预裂爆破时,应采用岩石定向断裂爆破技术。

关键词:爆炸力学;高原岩应力;预裂爆破;深埋隧洞;光面爆破

中图分类号:O389;T D235.3 国标学科代码:130?35 文献标志码:A

1　引　言

近年来,各类用途的岩石地下隧洞埋深呈不断增大的趋势,给岩石隧洞的开挖和支护方法提出了新的研究内容。就深埋岩石隧洞的爆破开挖而言,爆破方法与爆破参数的确定应该考虑原岩应力的影响。在未来一定时期内,爆破仍将是岩石隧洞的主要开挖方法,因此实现对既定开挖范围内岩石的合理破碎、有效控制爆破开挖后的隧洞轮廓、充分降低爆破对围岩的损伤,以利于开挖后围岩的稳定,一直受到国内外学者的普遍关注。

在国外,W.L.F ourney等[1]提出在炮孔壁切槽,并控制炮孔装药,以使岩石尽可能在既定方向断裂的方法,同时比较了炮孔内耦合介质不同时所需的装药量;Adrew F.Mckown[2]提出在裂隙发育、软弱岩层中,采用定向断裂的周边控制爆破方法,可克服光面爆破的不足,获得较好的爆破效果和爆破效率; R.Y ang等[3]提出了描述爆破造成岩石损伤的本构模型;LI U Li2qing等[4]发展了用于爆破分析的连续损伤模型;S.S.Bhandari等[5]通过试验证明采用岩石定向断裂爆破技术确能降低爆破对围岩的损伤。

在国内,王树仁等[6]提出了根据断裂力学原理,对岩石周边控制爆破中的炮孔裂纹发展方向进行控制,以获得良好爆破岩石断裂面的方法;朱瑞赓等[7]建立了周边控制爆破中,控制爆破参数与岩石强度、断裂韧度和炸药性质之间的关系,提出了尽可能加大炮孔间距的合理尺度;张奇等[8]认为:与普通的周边控制爆破相比,岩石断裂控制爆破效果更好,能量利用更合理;杨永琦等[9]论述了切缝药包岩石定向断裂控制爆破的破岩机理,提出了相应的爆破参数计算方法;戴俊等[10]针对周边爆破中实现所有周边炮孔同时起爆的困难,提出了周边相邻炮孔存在起爆时差条件下的周边控制爆破参数计算方法,并验证了其可靠性。

这些研究推动了周边控制爆破技术的发展和应用,但都没有考虑原岩应力的影响,存在一定的局限性。当隧洞埋深不大、原岩应力很小时,这样的处理是可行的,所得结论对工程实践有很好的指导性。当隧洞所处岩石的原岩应力较大时,就必需考虑原岩应力对周边控制爆破方法与参数确定的影响。

本文中利用弹性理论分析原岩应力对光面爆破与预裂爆破两种不同周边控制方法的炮孔间贯通裂纹形成的影响,分析原岩应力对光面爆破参数的影响,提出高原岩应力条件下隧道开挖周边控制爆破的合理方法与参数计算式。

Ξ收稿日期:2003212229;修回日期:2004203216

基金项目:陕西省教育厅专项科研计划基金项目(02J K081)

作者简介:戴　俊(1964—　),男,博士,教授。

2　原岩应力对光面爆破炮孔间贯通裂纹的影响

光面爆破条件下,周边炮孔在隧洞掘进工作面其它炮孔爆炸后起爆。周边孔爆破时,炮孔间贯通裂纹的形成是岩石中原岩应力作用引起的静态二次应力和炮孔内炸药爆炸产生的超动态应力共同作用的结果。静态二次应力作用时间长,在炮孔内炸药爆炸前就已作用于岩石,炮孔内炸药爆炸产生的超动态应力则是对岩石的进一步作用。图1所示为光面爆破条件下,周边炮孔周围的岩石静态应力。当掘进工作面其它炮孔爆破而周边炮孔装药未起爆时(间隔时间为全断面一次爆破时的几十毫秒到断面预留光爆层时的几小时,甚至更长),由于开挖隧道引起的隧道周围岩石中的应力重新分布,在炮孔位置处将产生以隧道(将其上部看作半圆形)中心为极坐标原点的径向应力σr 1和切向应力σθ1。根据圆形洞室周

围应力重新分布的弹性力学理论[11],σr 1、σθ1和由岩石中的原岩应力引起的剪应力τ

θ r 1为σr 1=12(σV +σH )1-(R -w )2R 2-12(σV -σH )1+3(R -w )4R 4-4(R -w )2R

2cos (2α

)σθ1=12(σV +σH )1+(R -w )2R 2+12(σV -σH )1+3(R -w )4R 4cos (2α)τθ r 1=-12(σV -σH )1-3(R -w )4R 4+2(R -w )2R

2sin (2α)(1)

式中:σV 和σH 分别为岩石中原岩应力的垂直分量和水平分量;R 为隧洞半径;w 为周边炮孔抵抗线或光爆层厚度;α为所研究炮孔位置与水平线的夹角。

如果σV =σH =σ0,(1)式变为

σr 1=σ01-(R -w )2/R

2σθ1=σ01+(R -w )2/R 2τθ r 1=0

(2)

图1光面爆破的周边孔所受静态原岩应力

Fig.1S tatic stress in the rock of perimeter holes in the case of sm ooth blasting

式(1)、

(2)所示为不考虑周边炮孔存在影响的岩石中应力(即二次应力)。按同样原理,周边孔的存在必将再次引起岩石中的应力重新分布,在σV =σH =σ0条件下,再次重分布后的应力(在此称为三次应力)在炮孔周边产生的径向应力和剪应力为零,而切向应力

σθ2=(σr 1+σθ1)+2(σr 1-σθ1)cos (2

β)(3)式中:β为炮孔壁任一点与周边炮孔连线的夹角(见图1)。

由于隧洞开挖半径远大于光爆层厚度,因此周边爆孔处σr 1<σθ1,于是在炮孔间连线方向上将出现极小的切向压应力,甚至切向拉应力,从而有利于炮孔内炸药爆炸后在裂纹炮孔间连线方向上优先起

494爆 炸 与 冲 击 第24卷　

裂、贯通,实现良好的光面爆破效果。

图2σθ2随β变化的关系曲线Fig.2The value of σθ2as a function of β

以岩石容重γ=24M N/m 3、隧洞埋深H =800m 、

隧洞上部设计开挖半径R =4m 、爆破周边孔最小抵

抗线w =0.450m 为例。假定岩石处于静水压力状

态,计算得σV =σH =σ0=γ

H =19.2MPa ;炮孔处的二次应力σr 1=4.077MPa 、σθ1=34.323MPa ;炮孔壁

的三次应力σθ2=(38.4-601492cos (2β))MPa 。σθ2

随β变化的关系如图2所示。

可见在炮孔间连线方向(β=0°、180°

)炮孔壁出现拉应力,而且这一拉应力大小与原岩应力成正比,

当原岩应力较大时,这一拉应力可能超过岩石的抗

拉强度,从而造成炮孔连线方向的预裂纹,有利于获

得良好的周边控制爆破效果。

在炮孔间连线上远离炮孔位置处,岩石中的静

图3光面爆破的炮孔间应力分布

Fig.3The stress between shot 2holes in sm ooth blasting 态主应力为隧洞开挖后引起的重分布应力(二次应

力),其主应力方向始终是炮孔连线方向及其垂直方

向,与爆炸动应力场方向一致,如图3所示(图中

σr b 、

σθ b 为炮孔中炸药爆炸引起的动态应力)。因此,采用光面爆破技术,原岩应力的存在对周边控制

爆破仅在炮孔连线方向形成贯通裂纹是有利的,有

利于获得良好的光面爆破效果。原岩应力对改善光

面爆破效果的作用,在软岩隧洞爆破开挖爆破中显

得特别重要。

工程实践中,在低强度岩石或软岩条件下,将周

边炮孔拖后一个掘进循环(预留光爆层)爆破,将明显提高周边控制爆破效果。其原因是:一方面可根据光爆层的实际厚度变化调整周边爆破参数(炮孔

间距和炮孔装药量),另一更重要的方面是可以利用隧洞周围原岩应力重新分布产生的有利于周边控制爆破的二次应力分布,从而发挥原岩应力改善光面爆破效果的作用。全断面一次爆破时,都是假定光爆层厚度是周边炮孔与其内相邻一圈炮孔的距离,这种假定在多数岩石条件下出入不大,可以保证良好的光面爆破效果。这是两种光面爆破方式的区别之一,区别之二还在于全断面一次爆破时,周边炮孔的起爆时间后延仅为几十毫秒,而周边炮孔拖后一个循环爆破时,周边炮孔的起爆时间后延则为几个小时,甚至更长。但这些区别并不带来原岩应力重新分布结果的不同,不会影响同一光面爆破参数设计方法的适用性。此外,两者在光面爆破设计方面再无区别,故本文中仅就全断面一次爆破进行论述,所得结论对两种方式都是一致的。

需要指出的是:周边炮孔拖后一个循环爆破,最初是为了可根据光爆层的实际情况对周边炮孔光面爆破参数进行调整,但由于这样做增加施工组织与管理的困难,不利于隧道快速施工,实际应用并不多。因此,在高原岩应力条件下,隧洞开挖周边控制爆破宜采用全断面一次爆破的光面爆破方法,仅在光爆层厚度难以控制时方可将周边炮孔拖后一个掘进循环爆破。3　原岩应力对预裂爆破炮孔间贯通裂纹的影响

与光面爆破的情况不同,预裂爆破时周边炮孔最先起爆,这时炮孔周围由于岩石原岩应力的作用产生的二次应力为

594　第6期 戴　俊:深埋岩石隧洞的周边控制爆破方法与参数确定

σr 1=(σV +σH )(1-r 02/r 2)/2-(σV -σH )(1+3r 04/r 4-4r 02/r 2)cos (2

β)/2σθ1=(σV +σH )(1+r 02/r 2)/2+(σV -σH )(1+3r 04/r 4)cos (2

β)/2τθ r 1=-(σV -σH )(1-3r 04/r 4+2r 02/r 2)sin (2β)/2(4)

式中:r 0为炮孔半径;r 为任一点至炮孔中心的距离。

图4预裂爆破的炮孔间应力分布Fig.4The stress between shot 2holes in pre 2splitting blasting

预裂爆破炮孔间应力分布如图4所示。当r =

r 0时,炮孔壁周围的径向应力、剪应力为零,切向应

力

σθ1=(σV +σH )+2(σV -σH )cos (2β)(5)

式中:θ为炮孔间连线方向与水平方向之间的夹角,

对不同的炮孔位置,θ在-90°～90°之间取值。

对式(5)进行导数运算可知,σθ 1的极值将出现

在水平和垂直方向,除隧洞顶部外,σθ1的极值方向

均与炮孔间连线方向不一致,不利于炮孔内爆炸载

荷仅在炮孔间连线方向形成贯通裂纹,甚至根据原

岩应力大小的不同,当满足

|3σV -σH |>σt σV <σH

(6)或|3σH -σV |>σt σV >σH (7)时,还可能在炮孔周边的水平或垂直方向引起拉伸裂纹。这样的裂纹既不利于炮孔间贯通裂纹的形成,

还将在炮孔爆炸载荷作用下扩展,造成围岩损伤。式(6)、(7)中:σt 为岩石的单向抗拉强度。

炮孔存在引起原岩应力重新分布的影响范围一般只有几倍炮孔半径,而实际工程中的预裂爆破炮孔间距一般为炮孔半径的20～30倍,因此在相邻两炮孔之间,来自相邻两炮孔裂纹的贯通点属于远离炮孔位置,将受到原岩应力σV 和σH 的影响(如图4所示)。由于原岩应力与炮孔爆炸载荷的径向、切向不一致,静态的原岩应力与炮孔爆炸动应力叠加的结果将可能导致裂纹偏离炮孔连线方向扩展,不能相遇贯通,进而不利于获得良好的爆破效果。因此,在高应力条件下,从获得良好的周边轮廓质量而言,隧洞开挖周边爆破宜采用光面爆破,而不宜采用预裂爆破。

工程实践中,地下各种隧洞的爆破开挖采用预裂爆破的实例并不多见。通过本文的分析,也得出地下隧洞爆破开挖,特别是高原岩应力情况下,采用预裂爆破不利于获得良好的周边控制和降低爆破对围岩损伤的效果。分析与工程实际一致。

4　考虑原岩应力影响下的光面爆破参数

光面爆破的主要参数有3个:周边炮孔装药量、相邻炮孔间距和光爆层厚度(周边孔抵抗线)。按照现有的光面爆破参数设计方法,周边炮孔装药量设计原则是:炮孔内炸药爆炸产生的动态压力不大于三向受力条件下的岩石抗压强度,如果炮孔内还存在径向静态压应力,则是要求

p +σr 2≤k σc (8)

式中:p 为炮孔内的爆炸载荷;k 为岩石三向受力条件下的动态强度增大系数,k =8～11;σc 为岩石的单向抗压强度。由于原岩应力在炮孔周边引起的径向压力σr 2=0,因此可以认为原岩应力的考虑不改变光面爆破的周边炮孔装药量计算结果。

光面爆破中,相邻炮孔在炮孔壁产生径向裂纹,并向炮孔间延伸、贯通。当相邻炮孔同时起爆并考虑原岩应力的影响时,形成相邻炮孔间贯通裂纹的条件是:相邻炮孔间连线上每一点的炮孔切向拉应力大于岩石的抗拉强度。由于相邻炮孔爆炸应力场在其连线中点处的切向拉应力绝对值最小,只要相邻炮孔连线中点处的应力大于岩石的抗拉强度,便能保证炮孔间贯通裂纹的形成[10]。这一条件可表述为

2σθ-σr 1≥σt

(9)694爆 炸 与 冲 击 第24卷　

根据现有的光面爆破原理,由式(9)有

2σθ≥σt +σr 1

2bp r 0a/2ξ≥σt +σr 1a ≤2r 0[2bp/(σt +σr 1)]

1/ξ(10)

式中:b 为侧应力系数,b =1/(1-μ),μ为岩石的泊松比;a 为周边炮孔的间距;ξ为爆炸应力波衰减指数,ξ=2-b 。

可见,原岩应力的作用相当于增大了岩石的抗拉强度,因而炮孔间距需要减小。这种炮孔间距的减小除与原岩应力的大小有关外,还与隧洞的开挖半径和岩石的力学性质有关。根据前面的分析,计入原岩应力影响后的炮孔间距和光爆层厚度可由

σr 1=σ0[1-(R -w )2/R 2]

a =2r 0[2bp/(σt +σr 1)]1/ξw =ma

(11)

联立求解。式中:m 为炮孔密集系数。假定原岩应力不影响光面爆破的周边炮孔密集系数取值,即仍可取m =0.8～1.0,将使式(11)的求解大为简化。

仍以上节的隧洞条件为例,取岩石的抗拉强度σt =6.5MPa ,泊松比μ=0.3,则由式(10)的计算知,在同样的爆炸载荷条件下,不考虑原岩应力的作用时,周边炮孔计算间距a =0.58r 0p 1/1.57;考虑原岩应力的作用时,周边炮孔计算间距a =0.43r 0p 1/1.57。可见,考虑原岩应力作用的炮孔间距需比不考虑原岩应力时减小25.8%。

5　讨　论

工程实践中,确定爆破方法与爆破参数需要考虑多方面的因素。以隧洞的爆破开挖为例,爆破方法的确定既要考虑有利于获得良好的周边控制效果,也应考虑实现较高的炮孔利用率和合理的岩石破碎块度分布。基于岩石爆破均是利用岩石抗拉强度远低于其抗压强度的特点,尽可能使岩石受拉破坏,采用预裂爆破以使原岩应力部分释放,以利于实现良好的掏槽爆破效果,从而实现较高的爆破炮孔利用率。基于这样的考虑,高原岩应力条件下,周边爆破或许应当采用预裂爆破。

但是,根据前面的分析,采用预裂爆破将难以保证良好的周边控制爆破效果。为此,笔者认为:在选择采用预裂爆破时,为获得良好的周边控制爆破效果,必须采用岩石定向断裂控制爆破技术[6,9]。有关考虑原岩应力影响下的岩石定向断裂控制爆破参数设计问题,有待进一步研究。

6　结　论

(1)地下隧洞开挖的周边控制爆破方法及其参数的确定,特别是隧洞埋深较大或处于高原岩应力条件时,应当考虑原岩应力的影响,优选合适的爆破方法。(2)利用弹性理论进行的分析认为,原岩应力对光面爆破的炮孔间贯通裂纹起裂、扩展的方向控制和贯通起有利作用;而对预裂爆破时贯通裂纹形成的起裂、扩展阶段均产生不利的影响。(3)基于获得良好周边控制爆破效果考虑,在考虑原岩应力影响条件下,隧洞开挖的周边控制爆破宜采用光面爆破。(4)考虑原岩应力影响,隧洞开挖采用光面爆破时,需要对爆破参数进行相应的调整。其中爆破参数的改变与原岩应力、隧洞开挖半径、岩石的力学性质等有关。(5)当从既有利于获得良好的周边控制效果、实现较高的炮孔利用率和合理的岩石破碎块度分布,也利于获得良好周边控制爆破效果的全面考虑时,隧洞开挖的周边控制爆破选择采用预裂爆破时,必须采用岩石定向断裂控制爆破技术。

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The controlled contour blasting technique and

its parameter determination for rock tunnel at depth

DAI JunΞ

(Xi’an Univer sity o f Science and Technology,Xi’an710054,Shaanxi,China)

Abstract:E ffects of residual stress on the formation of crack coalescence between sequent shot2holes in sm ooth blasting and pre2split blasting are analyzed based on the elastic theory.Results indicate that the residual stress is useful to form the cracks between the shot2holes for sm ooth blasting,but not for pre2split blasting.F or sm ooth blast2 ing,the parameters of blast have to be adjusted according to the residual stress,the tunnel radius,and the mechan2 ical property of the rock.In the case of pre2split blasting,the controlled directional blasting should be considered. K ey w ords:mechanics of explosion;residual stress;pre2split blasting;tunnel at depth;sm ooth blasting

ΞC orresponding author:DAI Jun

E2mail address:dai-2002@s https://www.360docs.net/doc/1c2882740.html,

T elephone:029*********