爆破载荷作用下围岩裂隙发展特征试验研究

赵国军，何斌，黎鸣，陈季玲

(中电建路桥集团有限公司，北京 100048)

山体隧道开挖施工时，通常是隧道洞群同时开挖或者频繁爆破循环推进作业，多采用光面爆破与在开挖表面喷射混凝土的支护方式相结合的手段。采用钻爆法开挖隧道时，炸药在围岩介质中爆炸产生的能量，以震源为中心以波的形式向四周发散。目前许多学者就爆破振动传播规律与力学响应特点采用概率论统计方法，进行了现场测试与室内模拟试验研究，辅助以数值模拟方法对爆破振动产生的冲击波对围岩损害的影响作用。

爆炸能量释放瞬间，效果巨大，在围岩中产生应力波的动态作用[1-2]，岩体内部的节理裂隙会发生不同程度的损伤，深入分析岩体爆破荷载作用机理，可进一步控制爆破效果。杨仁树等[3]利用数字激光实验，对爆破荷载作用下相向裂纹动态发展特征进行研究，裂纹扩展过程分为独立扩展、相互排斥和相互吸引3个阶段，最后裂纹相互联合的状态。左进京等[4]通过数字动态焦散实验，研究了空孔对爆破裂纹扩展的影响规律和空孔周边应力特征，得出爆破后空孔周边出现焦散斑，在炮孔与空孔水平线上，靠近炮孔一侧主要受拉力产生破坏，远离炮孔一侧受压力发生破坏。唐海等[5]结合某隧道爆破掘进工程，通过地质雷达现场岩体损伤探测及爆破损伤理论进行估算，得到隧道掌子面前部裂隙岩体爆破损伤规律，并利用此规律提出了“减药非连续装药”的装药结构，在减少装药量的同时，提高爆破有效能，降低工程成本与围岩损伤。

基于此，现以云南小半径螺旋隧道咪的段开挖为工程依托，对爆破载荷条件下岩石损伤范围进行理论计算分析，确定花岗岩体在爆破荷载作用下裂隙发展范围和特征，用以控制围岩损伤范围和控制爆破；在此基础上借助室内爆破模型试验开展爆破裂纹扩展特征研究，分析硬岩地层爆破振动作用下裂隙发展规律。

1 工程概况

1.1 地质概况

咪的隧道位于云南省建水县坡头乡咪的村，总体进出口交通便利，由于隧道为螺旋式，沿龙岔河一侧山坡呈圆形走向，进出口直线距离约1.3 km，地势起伏较大，地表风化作用强烈，主要构造线呈北东、近东西向展布，由一系列褶皱和断裂组成，岩性主要为松散状浅黄色第四系坡积土、细粒状灰白色白垩纪花岗岩的灰岩、白云岩等，围岩级别以Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ为主，本段水文地质条件简单，主要赋存于花岗岩裂隙中。

1.2 结构设计

咪的隧道净宽12.5 m，高10.08 m的半圆拱断面，在Ⅲ级围岩中采用全断面法开挖，开挖面积为106 m2，由于隧道位于山体较陡部位，对施工技术具有较大挑战。

由于该隧道地处山岭地区且埋藏较深，需根据围岩条件对施工方式进行合理的选择。在Ⅲ级围岩岩性较好段采用全断面法施工，岩性较差段采用两台阶法施工；Ⅳ级围岩采用三台阶法或预留核心土法施工；Ⅴ级围岩条件采用环形开挖预留核心土与三台阶七步法施工。

2 爆破振动理论

由于爆破能使目的部位的岩体达到破碎状态，令隧道掌子面持续向前推进，因此钻爆法是目前隧道开挖最主要的方法，但使用钻爆法开挖隧道时不可避免的会对周边岩体产生干扰。岩石爆破振动响应规律是一种复杂的过程，其原理涉及了地震波在介质中传播与岩石力学等多个学科的交叉，爆轰结构主要分：原始稳定区、波阵面、爆炸响应区、爆炸产物区。

2.1 爆破作用下岩石破碎理论

爆破荷载作用下介质破坏程度与介质的性质也有较大联系[6]，在爆破过程中，岩石介质同时受到拉应力与压应力。一般来说，岩石发生破碎主要是受到压应力作用，而裂隙的发育主要是受到拉应力作用[7-8]。

对于不耦合装药方法来说，爆炸时所发生的能量率先对爆眼内的空气进行挤压，空气内能逐渐增大最终导致围岩破裂。此时爆源中心四周产生负压区，周围空气在大气压强作用下，通过岩石介质中的裂缝进入负压区，最终使内外压力平衡，加速岩石破碎。对爆破过程中岩石破裂理论进行研究是对爆破控制较为有效的方式，从而指导现场施工。

根据弹性破坏准则，岩石被认为一种均匀介质，破坏之前的岩体是脆性或弹性性质，当岩石某一质点受到外力作用超过了岩石所承受的极限时，岩石发生破碎；而根据围岩损伤来看，由于围岩受到了长期的地质构造运动，围岩原本就存在裂隙，爆破产生的破坏是在已有裂隙的围岩基础上继续发展的。

2.1.1 空气间隔装药裂隙范围计算

岩石径向裂隙产生是由于质点的径向移动从而产生拉应力，当径向拉应力大于岩石抗拉强度裂隙就会产生[9]，破裂范围计算公式为

(1)

当采用不耦合装药方式时，炮孔壁上初始压力计算公式为

(2)

Pm可按平均爆轰压力计算，即

(3)

式(3)中：ρ0为炸药密度，kg/m3；D为炸药爆速，m/s。

计算炮孔壁上初始压力时，一般令径向不耦合系数、轴向不耦合系数分别为Kr=rb/rc、Kl=lb/lc，则有

(4)

最终可以得到应力波作用下裂隙范围，可表示为

(5)

式(5)中：Rp为应力波产生的裂纹长度。

2.1.2 爆生气体作用下裂隙扩展计算

爆生气体存在使围岩损伤范围扩大因此计算时需要考虑爆生气体对裂隙的扩展[10]。在应力波作用下初始裂隙产生，爆生气体进入裂隙，在新应力场作用下裂隙扩展，如图1所示。

P为爆破冲击压力；R为围岩损伤范围；L为二次延展长度

围岩在爆破应力场下可视为脆性材料，而在此应力场条件下围岩发生塑性形变，裂纹发展需满足围岩应力等于裂纹发展的临界应力，即

σ=σc

(6)

式(6)中：σ为围岩应力；σc为裂隙扩展临界应力。

围岩发生爆炸，在应力波作用下会在爆孔附近产生较多裂纹，爆生气体浸入裂纹后，当围岩应力达到裂纹扩展的临界应力时发生裂纹二次延伸。一般来说爆破作用下，围岩主要受拉应力作用[11]，围岩发生破裂，随裂隙距离逐渐增加，拉应力随之衰减，裂纹延伸停止。

假设爆生气体在裂纹表面压力为常数，则裂纹尖端处拉应力可表示为

(7)

式(7)中：a为应力波产生裂纹长度；σm为围岩应力。

将应力波产生裂纹长度Rp代入式(7)，整理可得爆破裂纹二次延伸长度L为

(8)

综上，采用空气间隔装药方式得到的围岩损伤范围为

R=Rp+L

(9)

2.2 咪的隧道围岩损伤计算

通过上述对爆破载荷条件下，围岩裂隙扩展理论推导，现针对采用光面爆破方式的云南咪的隧道围岩损伤范围进行理论计算，更好地研究围岩裂隙扩展情况。咪的隧道围岩主要为中风化花岗岩，爆破采用2号乳化炸药不耦合装药方式，相关参数如表1、表2所示。

表1 爆孔与炸药参数

表2 岩石力学性质参数

2.2.1 应力波作用下裂隙发展范围

2.2.2 爆生气体对裂纹的二次延伸范围

3 爆破荷载作用下地层裂隙发展特征模型试验

现场爆破施工采用的光面爆破技术中周边孔参数不同对爆破效果产生较大影响，当采用不耦合装药时，不耦合系数一定，间隔装药在减小孔壁压力的同时还能延长爆生气体扩散时间，使爆破效果大大提高，也减少了起爆成本。因此对间隔装药爆破条件下围岩裂隙扩展规律研究尤为重要。

3.1 模型试验系统与装置

试验模型采用自主研发设计的硬质围岩爆破模拟试验装置，试验装置主要由爆破模拟样本、试验监测装置和超动态数据采集仪、高速摄像机、炸药、起爆装置组成。

试验采用超动态数据采集装置对爆破过程中的应变进行实时监测，通过应变转换成监测点所受的应力值，而高速摄像机则可以对瞬时起爆时围岩裂隙的产生与发展过程进行记录。

3.1.1 模型设计

为研究爆破孔间隔装药光面爆破时对相邻空孔所产生的裂隙发展趋势，以及不同围岩条件爆破应力应变情况，设计试验布孔与装药方式。模型大小定为50 cm(长)×50 cm(宽)×50 cm(高)，在模型中间布置1个装药孔，装药孔两侧分别间隔10 cm与20 cm各布置1个空孔。在模型中埋置6个应变砖，每组有3个应变转，共设置两组(1组和2组)，两组应变砖与装药孔垂直距离为3 cm，上下布设；1组应变砖与装药孔水平距离分别设置为2、6、10 cm，2组应变砖距离设置为5、10、20 cm，如图2所示。

图2 爆破试验模型装置、测点布设

试验采用直径为6 mm的药卷，爆破孔与空孔直径均为8.5 mm，长度为180 mm，堵塞炮泥长度为80 mm，以咪的隧道爆破施工为背景，模拟Ⅲ级围岩条件爆破裂隙发育特征。为使模型试验既贴近实际工程，又便于操作，能得出较好的试验效果，按照Froude比例法确定应力、泊松比、密度等比例系数；按照相似材料配比围岩性质。长度比Kl=lm/lp，密度比Kρ=ρm/ρp，加速度比Ka=am/ap=1，应变比Kε=εm/εp=1，应力比Kσ=σm/σp=ρmlm/ρplp，泊松比Kμ=μm/μp=1，内摩擦角比Kφ=φm/φp=1，其中长度l、密度ρ、加速度a、应变ε、应为σ、泊松μ、内摩擦角φ为基本变量，下标m、p分别表示模型与原型。

通过上述确定了几何、应力相似系数，即：Kρ=0.66,Kσ=0.13，根据Kσ=Kρ+Kl，得到Kl=0.2，因此，要想模拟实际工程中2.5 m(长)×2.5 m(宽)×2.5 m(高)范围的爆破情况，模型尺寸设计为50 cm(长)×50 cm(宽)×50 cm(高)即可。通过三轴压缩测试确定模型试验材料配比参数，如表3所示。

按照表3所示的材料配比参数对填充材料充分均匀搅拌后，倒入模型箱进行，在设计位置埋置铁管用以模拟装药孔与空孔，同时埋置应变砖。

表3 爆破模拟试验相似材料配比参数

3.1.2 装药模式

模型试件制作结束后需在室温养护7 d，对装药孔清理后，再进行室内爆破模拟试验。采用空气间隔装药，通过引爆线连接起爆，此外由于堵塞炮孔所用材料也是影响爆破效果的重要因素，本次试验为了能更好地利用爆炸产生的能量，装药孔采用黏性较好的黏土进行堵塞，封堵长度为8 cm，并将引爆线露在外侧。制作后的试验模型如图3所示。

图3 模型试验装置

3.2 试验现象与结果分析

3.2.1 爆破裂纹效果

通过高速摄像机对爆炸瞬间裂缝情况进行观察，如图4(a)～图4(c)所示。可以看出，爆破后裂纹以爆孔为中心呈放射状杂乱分布，其裂纹发展过程主要经历了：裂纹初始发育阶段、裂纹急剧扩展阶段与爆破裂纹稳定阶段、裂纹稳定阶段[12-13]。爆生裂纹先沿水平方向向左右两侧空孔扩展，再偏移水平方向以一定角度向上下扩展，最终裂纹与左右两侧空孔贯通，且空孔水平方向也存在次生裂纹，反映了空孔对爆生裂纹发展方向具有明显的导向与促进作用，爆生裂纹贯通空孔时瞬时速度与应力强度增大。爆炸发生后20～30 μs时，爆生裂纹开始出现；到100 μm时，爆生裂纹较明显，近爆孔侧空孔有阴影出现，也说明了爆破发生时空孔局部范围出现应力集中现象；直至爆生裂纹贯通空孔时，裂纹发育迅速、模型裂开为裂纹急剧扩展阶段；直到7 000 μm时，裂纹逐渐稳定，不再发育扩展。

图4 模型爆破裂纹动态发育过程及现象

通过将模型沿垂向切开后，观察到爆破后围岩内部与顶部裂纹发育情况，如图4(d)、图4(e)所示。装药孔周围产生的裂纹比空孔处裂纹更加密集且裂纹延伸长度大，由爆破孔向顶部发育的裂纹可直接贯穿模型顶部，并在模型顶部延伸。结合爆破应力波理论，爆炸初始产生的冲击波作用于爆孔内，以爆孔为中心向两侧空孔方向产生径向主裂纹并与空孔贯通，随后冲击波转变为应力波并沿初始径向裂隙继续扩展裂纹，直至围岩深处，而爆生裂纹周围产生的较短裂隙，沿主裂纹扩展方向延伸，其原因主要是裂纹延伸优先沿最小抵抗线方向，径向主裂纹与空孔贯通时，会产生新自由面，对裂纹发展具有导向作用。在模型内部形成破裂粉碎区和裂缝区，在装药孔附近产生密集裂隙呈放射状向四周扩展，距离较远处产生微小裂隙相互交错或断裂现象。

距装药孔较远的空孔主要发育细小裂纹且贯通裂纹较少，主要是由于空孔距离爆孔较远，爆炸产生的冲击波受波阻抗影响消耗大量能量，炸药爆炸时产生巨大压力在围岩产生的压缩应力波冲击后围岩应力释放导致脆性拉裂。

可以看出，在爆孔周边布设空孔对爆生裂纹的发展方向具有较明显的促进与导向作用，使产生的裂纹广泛发育，空孔局部范围应力集中，增强了爆生裂纹开裂程度。距离爆孔较远的空孔裂隙延伸范围较小、裂纹细小；距离爆孔较近的空孔裂隙穿透性较强，产生较长的裂缝线与爆破自由面。

3.2.2 爆破动态力学特征

通过爆破模拟前模型中埋置的应变砖，经转换得到爆破后有效应力变化曲线，如图5所示。

图5 爆破模拟试验应力变化

爆破冲击波会对模型产生压缩与拉伸作用，模型在爆炸压缩作用下会沿反向形成拉伸卸载波，而模型裂纹的产生与发展主要受压缩波和卸载波叠合作用，表现为应力变化方向不同。

由爆破后测点应力变化(图5)可以看出，空孔距爆孔10 cm时的爆破动载荷阶段为0～1.5×10-4s内，在1×10-4～2.5×10-4s时间内，为孔距20 cm爆破的爆破动载荷阶段，作用时间较短且有效应力略小于前者。在动载荷阶段模型主要受冲击波与应力波的综合作用，表现为不同方向应力出峰值变化2次。

距爆孔10 cm的空孔在1.5×10-4～2×10-4s内为爆破静载荷阶段，在2.5×10-4～3×10-4s内可以视为距爆孔20 cm的空孔爆破静载荷阶段。爆破静载荷阶段，主要受爆生气体作用下的二次扩展与围岩静载荷共同作用，表现为应力值出现微小浮动后逐渐衰减。从3×10-4s后爆孔两侧应力均无明显波动，为爆破稳定阶段。

轴向爆破波形与径向明显不同，轴向应力波与径向应力波变化相似，均为不同方向交替出现；从持续时间上看，轴向应力波约为4×10-4s，这与径向应力波持续时间相差较小，且应力峰值明显小于径向应力峰值。

整体来看，在1×10-4～4×10-4s时间内，爆炸产生的压力在爆孔周边集中，以爆孔为中心，3～7倍爆孔半径范围内岩体受较强的冲击波，爆生裂隙并扩展延伸，随时间增加岩体受到的压力逐渐减小趋于0。

4 结论

通过实验室爆破模型试验研究了爆破载荷作用下硬质围岩裂隙发育特征及空孔对裂隙扩展行为的影响，得出以下结论。

(1)由爆生气体在裂缝扩散作用得到不耦合间隔装药应力波作用下的孔壁压力，进而得到裂隙区范围计算公式，通过爆生气体作用下裂缝的二次扩展得到扩展长度，最终得出爆破损伤范围，依托云南咪的隧道实际工程得出围岩爆破理论损伤值。

(2)在一定装药量条件下，空孔与爆孔之间的距离较近，爆生裂纹较多较长，岩石破裂越明显，但随距离增加大，爆生裂纹越细长，二次爆破扩展就不再延展发展，即存在一个最佳孔距使爆生裂纹延伸最长。

(3)由于空孔与爆孔距离的不同，导致爆生裂纹的发展趋势也不同。爆破发生后，距离爆孔较近的一侧空孔其裂纹由爆孔先偏离直线发育，后与空孔贯通，当爆孔与空孔距离适当，爆生裂纹贯通空孔后沿直线发展，因此，适当的空孔间距能控制爆破裂隙的扩展情况，也对爆破裂隙发展具有导向作用。

(4)根据测点应力变化趋势可以发现，爆破载荷作用可以分动载荷、静载荷和爆破稳定阶段，模型在爆破动载荷作用阶段受冲击波和应力波共同作用，静载荷阶段受爆生气体下的二次扩展与围岩静载作用。

(5)空孔的存在有利于岩石的破碎，因此，实际爆破施工时需要根据工况设置空孔与炮孔的距离，充分考虑空孔、爆生裂隙对爆破效果的影响，优化光面爆破技术。