一種層狀巖體隧道中光面聚能爆破參數的確定方法與流程

2023-05-29 21:31:51 2

本發明涉及土木工程技術領域，具體是一種層狀巖體隧道中光面聚能爆破參數的確定方法。

背景技術：

光面爆破是通過正確選擇爆破參數和合理施工方法，分區分段微差爆破，使爆破後輪廓線符合設計要求的一種控制爆破技術。光面爆破技術因其能取得較理想的爆破面，不產生超挖，也不欠挖用等優點，被廣泛用於隧道的爆破。聚能光面爆破是在光面爆破基礎上，採用聚能裝置使炸藥的能量集中往預定爆破方向傳遞，從而達到更好的控制炸藥能量釋放，對隧道預定輪廓線的巖石進行切割，取得更為平整、理想的爆破面，正確確定周邊眼爆破參數是爆出預設輪廓面的保證。但目前關於橫觀各向同性巖體中的爆破參數的確定以及結構面、節理裂隙發展方向對周邊眼間距影響的理論研究成果還相對較少。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供一種科學、精確的層狀巖體隧道中光面聚能爆破參數的確定方法，解決在層狀巖體中，由於結構面的存在導致光面爆破超挖嚴重，輪廓面不平整等問題。

為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：

一種層狀巖體隧道中光面聚能爆破參數的確定方法，包括以下步驟：

(1)炸藥能量是沿四周均勻傳遞的，由於聚能縫的存在，爆炸時釋放的能量分為兩部分，一部分是向孔壁四周均勻傳遞的能量v1，其向四周產生四周內壓p1，其中四周內壓p1所積蓄的應變能為υε1，一部分是沿著切縫出匯集的能量v2，產生集中內壓p2，所積蓄的應變能為υε2；爆轟產物對巖壁作用所積蓄的應變能υε由下式表示：

式中：ν——巖體的泊松比；

σ1、σ2、σ3——分別表示薄壁上任意點的環向應力、軸向應力以及徑向應力；

e——巖體的彈性模量；

(2)假設影響因素λ，其中0≤λ≤1，影響因素λ與聚能管的材質、聚能縫寬度與長度有關，假設能量分配應按下式分配：

υε1＝(1-λ)υε

υε2＝λυε

(3)由四周內壓p1產生的四周荷載f1按下式計算：

式中：α——其沿半徑方向變化的一個微小角度，rad；

db——炮孔直徑，m；

lc——裝藥長度，m；

將四周荷載f1分為兩個方向的力，在x軸產生作用力和y軸產生作用力；在x軸產生作用力是作用在圍巖側對巖石的壓應力；在y軸正方向產生作用力是作用於巖石臨空面側的拉應力；對四周荷載f1沿y軸方向進行積分，由四周荷載f1作用巖石產生的拉應力為：

式中：ee——周邊眼間距，cm；

對四周荷載f1沿x方向進行積分，求四周荷載f1作用巖石產生的壓應力為：

(4)由集中內壓p2產生的集中荷載f2按下式計算：

由集中內壓p2在巖壁上的產生的集中荷載f2的大小為：

式中：ρ0——炸藥密度，g/cm3；

d——炸藥爆速，m/s；

lb——炮孔長度，m；

dc——炸藥直徑，m；

θ——聚能縫縫寬所對應的圓心角，rad；

δ——薄壁圓筒的厚度；

n——爆破後產生氣體碰撞巖壁時產生的應力增大倍數；

其拉應力用下式表示：

壓應力表示：

在聚能管的作用下，四周荷載f1、集中荷載f2共同作用下對巖石產生的拉應力σy為：

由上面整理，得：

在x軸方向，四周荷載f1、集中荷載f2共同作用下對巖石的壓應力σx為：

(5)假設結構面與兩炮孔間的輪廓線夾角為βi，結構面上的正應力σγ與x軸夾角為：

γi＝|βi-90°|

其單元體在壓應力σx與拉應力σy作用下，切應力τx為零，因此單元體在γ方向上正應力σγ與切應力τγ用下式表示：

當炸藥爆炸作用於巖石產生的拉應力大於巖石的極限抗拉強度σp時，巖石將沿輪廓線發生y方向的拉破壞，且結構面方向上切應力小於巖石自身的抗剪強度；即破壞準則方程為：

σy≥σp

得出：

其中，——結構面的內摩擦角，c——結構面上的粘聚力。

作為本發明進一步的方案：影響因素λ的邊界條件是：

①當λ＝0時，聚能管的剛度為零，該情況下的爆轟產物對巖壁的作用等同於一般爆破所對巖壁的作用，聚能管對爆破產生的影響不大；即p2＝0，p1＝p；

②當λ＝1時，聚能管材為剛性材質，能量集中於兩側聚能縫中擴散，即p1＝0。

作為本發明進一步的方案：γ、影響因素λ與周邊眼間距ee的表達式為：

作為本發明進一步的方案：根據周邊眼間距得出光面層厚度w為：w＝1.25ee。

與現有技術相比，本發明的有益效果是：

本發明根據結構面與周邊眼間距所成角度計算不同角度，引入庫倫與最大拉應力破壞準則，對不同影響因素下周邊眼間距變化進行準確計算，將傳統周邊眼的參數確定根據實踐經驗類比提升至準確的計算得出聚能光面爆破周邊眼的間距以及光面層厚度，該算法可以精確算出層狀巖體中結構面與周邊眼間距角度不同時，在不同的聚能管剛度λ影響下，其周邊眼間距相應變化的合適取值。從而解決在層狀巖體中超爆嚴重，開挖輪廓線不整齊，更簡單準確的控制光面爆破開挖輪廓線。

附圖說明

圖1是聚能管結構示意圖；

圖2是圖1的截面圖；

圖3是聚能爆破作用後的內壓分布圖；

圖4是單元體受單向集中內壓作用下的單元體應力狀態圖；

圖5是單元體受均布內壓作用下的單元體應力狀態圖；

圖6兩個炮孔間的周邊眼間距示意圖；

圖7巖壁在受均布壓力作用示意圖；

圖8巖壁受單向集中壓力作用時產生橫向拉應力的應力分布圖；

圖9兩炮孔間距與層狀巖體結構面所成角度示意圖；

圖10兩炮孔間單元巖體所受應力示意圖。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。

實施例1

本發明對隧道聚能光面爆破參數確定的一種方法，下面結合附圖和具體的算法進行詳細說明。聚能光面爆破輪廓線上的炮眼(周邊眼)是在其它炮眼爆破後最後起爆，周邊眼採用聚能管裝藥，是炸藥爆炸能量集中，使巖體沿開挖輪廓線爆出。本發明以長3.5m，直徑36mm的pvc管為聚能管進行聚能縫切割(圖1-2)，聚能切縫爆破是指將炸藥爆炸時釋放的能量沿著切縫槽穴匯集成聚能流，在切縫槽穴處產生高壓、高速的高溫射流，使之具有超強的穿透能力，從而對巖石進行切割，以獲得較為平整的輪廓面。

一般光面爆破採用不耦合裝藥，不耦合裝藥時，爆轟波首先壓縮聚能管與巖壁之間間隙內的空氣，引起空氣衝擊波，而後再由空氣衝擊波作用於巖壁。因此，在對求作用於巖壁載荷時，假定：

(1)爆炸產物在間隙內的膨脹為絕熱膨脹，其膨脹規律為pv3等於常數，遇巖壁激起衝擊壓力，並在巖石中引起爆炸應力波；

(2)忽略間隙內空氣的存在(間隙較小)；

(3)爆轟產物開始膨脹時的壓力按平均爆轟壓力pm計算。

式中：ρ0——炸藥密度(g/cm3)；d——炸藥爆速(m/s)；

由式(1)得到，爆轟產物撞擊巖壁前的炮孔內壓的關係式為：

式中：

vc——炸藥體積(m3)；vb——炮孔體積(m3)；

根據相關研究，爆轟產物撞擊炮孔巖壁時，壓力將明顯增大，增大倍數n＝8～11。n——爆破後產生氣體碰撞巖壁時產生的應力增大倍數。因此，炮孔巖壁受到爆轟壓力為：

對隧洞掘進中鑽孔柱裝藥：

式中：db——炮孔直徑(m)；dc——炸藥直徑(m)；

lb——炮孔長度(m)；lc——裝藥長度(m)；

由式(3)和式(4)可得炮孔巖壁受到的爆轟壓力為：

為分析問題方便起見，設炸藥爆炸時對巖壁的壓力是作用在一個兩端封閉的薄壁圓柱形圓筒內，爆轟產物的傳播是在圓筒內均勻傳播，容器承受的內壓壓強為p，將巖壁看作一個理想彈塑體、可變形。相同得，薄壁容器視作理想彈塑性體。通過計算圓筒上任意點的應力分布狀態，得出巖壁所積蓄的應變能υε。爆轟產物對巖壁作用所積蓄的應變能可由下式表示：

式中：ν——巖體的泊松比；

σ1、σ2、σ3——分別表示薄壁上任意點的環向、軸向以及徑向應力；

e——巖體的彈性模量；

假設δ＜＜dc，δ為薄壁圓筒的厚度，縱截面上各點處的正應力σ1，該段圓筒表面y軸上的合力fy＝p·dc，由y軸的平衡方程關係得：

∑fy＝0，p·dc-2σ1×δ×1＝0(7)

按軸向拉伸計算其正應力σ2為；

徑向的正應力σ3為：

σ3＝-p(9)

將(7)、(8)、(9)式代入(6)，可得爆轟產物對巖壁作用所積蓄的應變能νε值：

炸藥能量是沿四周均勻傳遞的。但由於聚能縫的存在，爆炸時釋放的能量分為兩部分，一部分是向孔壁四周均勻傳遞的能量v1，其向四周產生四周內壓p1，其中四周內壓p1所積蓄的應變能為υε1，一部分是沿著切縫出匯集的能量v2，產生集中內壓p2，所積蓄的應變能為υε2，其作用效果(圖3)：

引入影響因素λ，λ的影響因素與聚能管的材質、聚能縫寬度與長度等因素有關即不妨假設能量分配應按下式分配：

υε1＝(1-λ)υε(11)

υε2＝λυε(12)

λ的邊界條件是：

①當λ＝0時，聚能管的剛度為零，該情況下的爆轟產物對巖壁的作用等同於一般爆破所對巖壁的作用，聚能管對爆破產生的影響不大。即p2＝0，p1＝p。

②λ＝1時，即聚能管材為剛性材質，能量只往兩側聚能縫裡擴散。即p1＝0。通過兩種情況下的應變能相等來推導出p1，p2與p的關係。

因力與能量的可加性，可先對集中內壓p2部分的所產生的應變能分析，圓筒兩側只受集中內壓作用為p2，如圖4(a)所示列x軸的平衡方程關係得：

圓筒橫截面上各點處的正應力σ2相等，按軸向拉伸計算其正應力σ2′，由圖4(b)得；

式中：a表示聚能縫寬度(mm)；

徑向的正應力σ′3為：

σ3′＝-p2(15)

σ3′的絕對值遠小於σ1′，所以近似的σ3′＝0。

由(13)、(14)、(15)可知，僅集中內壓p2部分作用下圓筒的任意點處於單軸受拉狀態，其應變能表達式應為：

由(10)、(12)、(16)可得集中內壓p2的表達式：

在對四周內壓p1部分的所產生的應變能分析，類比於一般爆破產生的應變能，如圖5(a)所示列x軸的平衡方程關係得：

∑fy＝0，p1·dc-2σ1″×δ×1＝0(18)

按軸向拉伸計算，如圖5(b)所示其正應力σ2″為；

徑向的正應力σ3″為：

σ3″＝-p1(20)

將(18)、(19)、(20)式代入(6)，可得爆轟產物對巖壁作用所積蓄的應變能νε1值：

由(10)、(11)、(22)整理可得，四周內壓p1的表達式：

將邊界條件代入(17)、(23)，驗證可得λ＝0時，p1＝p，p2＝0。λ＝1時，p1＝0，滿足邊界條件。

周邊眼是沿輪廓線進行鑽孔，因此，相鄰兩炮孔間的巖石受到炸藥爆炸的作用對巖體進行切割，如圖6所示。沿孔壁四周均勻分布作用於巖壁的四周內壓p1，因此作用在四周的四周荷載f1向四周360°均勻擴散，因此可表示為：

根據(5)、(23)可以將(24)寫成：

其中：α——其沿半徑方向變化的一個微小角度(rad)；

建立直角坐標系(如圖7)，將四周荷載f1分為兩個方向的力，在x軸產生作用力和y軸產生作用力。在x軸產生作用力是作用在圍巖側對巖石的壓應力，y軸產生作用力是作用於臨空面側對巖石的拉應力。由於巖石的抗拉強度為抗壓強度的1/10～1/20，因而巖石大多都是受拉破壞。沿兩炮孔間方向為x軸，垂直於x軸且指向巖石臨空面側為y軸，對四周荷載f1沿y方向進行積分，求四周荷載f1作用巖石產生的拉應力σy為：

式中：ee——周邊眼間距(cm)；

由(26)、(25)整理可得：

對四周荷載f1沿x方向進行積分，求四周荷載f1作用巖石產生的壓應力σx為：

將(25)代入(28)式可得：

由集中內壓p2在巖壁上的產生的集中荷載f2簡圖(如圖8(a))所示，在集中荷載f2的作用下，兩炮孔間的巖石先是被擠壓，而後由於集中荷載f2的作用，產生x軸方向的拉應力(圖8(b))，巖石受拉破壞(根據文獻巖石力學)，其集中荷載f2的大小可表示為：

式中：

θ——聚能縫縫寬所對應的圓心角(rad)

由(5)、(17)可將(30)寫成：

其拉應力可用下式表示：

由(31)、(32)整理可得：

壓應力可用(34)式表示：

將(31)代入(34)整理可得：

在聚能管的作用下，四周荷載f1、集中荷載f2共同作用下對巖石產生的拉應力為：

由式(27)、(33)、(36)整理，可得：

在x軸方向，四周荷載f1、集中荷載f2共同作用下對巖石的壓應力為：

將(29)(35)代入(38)整理可得：

在橫觀各向同性的巖體中，巖石的破壞狀態很大部分與結構面的發育有關，即結構面與兩炮孔連線的之間的夾角不同，影響兩炮孔的貫通裂縫產生。正是因為結構面的存在，巖體的破壞形式有三種情況：(1)沿兩炮孔間的輪廓線發生y向拉斷裂；(2)沿結構面發生剪切破壞；(3)同時發生沿兩炮孔間輪廓線的拉斷裂與沿層狀巖體結構面的剪切破壞。

本發明假設結構面與兩炮孔間的輪廓線夾角為βi，炮孔位置與層狀巖體結構面發育不一致，導致結構面與兩炮孔間的輪廓線夾角也不斷變化如圖9，取結構面與輪廓線之間的巖體分析，其單元體應力狀態如圖10所示。結構面上的正應力σγ與x軸夾角為：

γi＝|βi-90°|(40)

該單元體在主應力σx與σy作用下，切應力τx為零，因此單元體在γ方向上正應力σγ與切應力τγ可用下式表示：

由上述關係可知，顯然在光面爆破中第二種與第三種爆破形式都對光爆效果有不同程度影響。若在層狀巖體中要達到良好的光爆效果即發生第一種破壞形式，當炸藥爆炸作用於巖石產生的拉應力大於巖石的極限抗拉強度時，巖石將沿輪廓線發生y方向的拉破壞，且結構面方向上剪切應力小於巖石自身的抗剪強度。因此，可以通過破壞關係有：

σy≥σp(43)

式中：——結構面的內摩擦角，c——結構面上的粘聚力

將(37)代入(43)可得：

將(37)、(39)、(40)、(41)、(42)代入破壞準則方程(44)中整理可得：

將(46)換一種表達可得γ、λ與周邊眼間距ee的表達式：

周邊眼間距ee與光面層厚度的關係通常以密集係數k來表示，其大小對光面爆破效果有較大影響，其關係為：

理論和實踐均證明光面爆破炮眼間距與光面層厚度之比取0.8較為適宜，因此，光面層厚度為：

w＝1.25ee(49)

式中：w——光面層厚度(cm)；

考慮到需要同時滿足破壞準則(45)、(47)即能使破裂面沿兩炮孔輪廓線，因此可得周邊眼間距ee、光面層厚度w與λ、γi的關係可查附表1。

表1

對於本領域技術人員而言，顯然本發明不限於上述示範性實施例的細節，而且在不背離本發明的精神或基本特徵的情況下，能夠以其他的具體形式實現本發明。因此，無論從哪一點來看，均應將實施例看作是示範性的，而且是非限制性的，本發明的範圍由所附權利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權利要求的等同要件的含義和範圍內的所有變化囊括在本發明內。

此外，應當理解，雖然本說明書按照實施方式加以描述，但並非每個實施方式僅包含一個獨立的技術方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領域技術人員應當將說明書作為一個整體，各實施例中的技術方案也可以經適當組合，形成本領域技術人員可以理解的其他實施方式。