隧道光面爆破不耦合系数优化研究

隧道光面爆破不耦合系数优化研究
孙晓飞陆吉江
（中交路桥华南工程有限公司，广东中山528403）
重阳2号隧道位于安徽省池州市石台县境内。

全长2678
米，隧道主要穿越黏土、全-强~中风化花岗岩、中风化砂岩、碳质页岩、页岩、灰岩等地层，隧道多处发育断层破碎带。

洞身中部最大埋深约650m,地应力极高。

区段1-7（K31+414~K34+050，ZK31+397~ZK34+030）岩性均为花岗岩，但风化程度随着掘进深度变弱，区段8-12岩性均为沉积岩石灰岩、泥岩及砂岩，两段之间有大型断层存在。

重阳2号隧道的地质特点是围岩岩性变化较大，
裂隙较为发育，围岩的整体稳定性较差。

因此为了减少隧道超挖及围岩的爆破损伤，拟采用光面爆破[1，2]。

本文结合有限元数值模拟软件，通过对周边孔爆破参数进行优化，
最大程度地降低周边孔爆破荷载对保留岩体造成的损伤和破碎，减低爆破粉尘，使隧道钻爆法施工更加高效、安全和经济，并为类似工程提供参考和理论基础。

崔年生，王和平，
朱必勇等[3-8]通过数值模拟的方法，以岩石单元应力值峰值大小作为判据，
来确定最佳不耦合系数，然而此过程中并没有考虑爆生气体的作用；
彭张林，林英松等[9-11]通过计算炮孔尖端应力强度因子，施加一定爆破荷载的方法，研究爆生气体对岩体的破坏，通过施加荷载的方法则无法体现实际的爆轰过程；孙可明，黄晓实等[12-14]模拟验证了CO 2爆破中气体的作用过程；陈庆凯等[15-17]对预裂成缝机理做了理论和模拟研究；俞海玲[18]模拟了高压气体对钻孔围岩的预裂作用，以及在煤体有无初始裂隙条件下，高压气体对裂隙扩展的影响。

本文基于数值模拟技术，对应力波和爆生气体的作用机理进行验证和不同不耦合装药系数模拟工况进行了模拟分析，确定了最佳预裂爆破参数，为实际工程中预裂爆破的参数优化提供了依据
和途径。

1材料本构模型及参数选择1.1岩石物理力学参数根据凤凰山石灰岩矿区地质资料来确定了相应的参数。

岩
石选用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC 材料模型，在不考虑应变率影响时，该模型下的屈服面半径为初始屈服强度加上硬化的部分，即（1）其中，σy 为屈服强度，σ0为初始屈服强度，E p 为塑性硬化模型，εp
eff 为有效塑性应变。

塑性硬化模量由下式给定：（2）
其中，E 为弹性模量，E t 为切线模量。

根据β值的不同，
可以用来描述不同的硬化模型，β=0时，为随动硬化，屈服面大小
不变，沿塑性应变方向移动；β=1时，为各项同性硬化，
屈服面位置不变，大小随应变而变换；0<β<1，为混合硬化。

由于不考
虑应变率效应，同时设置SRC （应变率参数C ）和SRP （应变率参
数P ）为0。

设置FS （失效应变）为0.1，通过*MAT_ADD_EROSION 关键字设置拉破坏，关键字中MNPRES
参数用以控制受拉破坏，
一般取负值，代表受拉[19]。

参数如表1所示。

表1岩石物理学参数
1.2炸药物理力学参数炸药本构模型关键字为*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN ，
爆轰产物压力-体积关系用JWL 状态方程描述，
具体为（3）参数如表2，P 为爆轰产物压力；V 为爆轰产物相对体积；V 0为初始相对体积；E 0为初始比内能；A 、B 、R 1、R 2和ω是实验常数。

表2炸药及其状态方程参数
1.3空气物理力学参数预裂爆破采用不耦合装药，空气材料关键字为
*MAT_NULL ，状态方程为*EOS_LINEAR_POLYNOMIAL ，可表
示为
（4）
参数如表3，C 0、C 1、C 2、C 3、C 4、C 5、C 6为多项式方程系数；E 0为
摘要：重阳隧道采用光面爆破开挖。

为了改变光面成缝效果差和爆炸能量利用率低的现状，
利用ANSYS/LS-DYNA 有限元软件对不耦合系数K=1.31、K=1.65、K=2、K=2.3、K=2.65的工况进行模拟，
研究光面爆破中应力波和的爆生气体作用机理、不同不耦合装药结构对爆破效果的影响，
以光面成缝效果来确定最佳不耦合系数。

以K=2的模拟工况为例，通过岩石应力云图和爆生气体扩散云图，详细分析了应力波和爆生气体对岩石的破坏效果，
爆生气体对岩石的作用时间更长。

用两炮孔之间监测点的应力曲线，讨论了岩石破坏的两种类型，验证了光面裂缝是由爆炸应力波和爆生气体共同作用形成的，爆生气体对裂缝的形成起决定性
作用。

模拟结果表明：在相同装药量条件下，当K=2时，预裂缝效果较好，
可以改善爆破效果并提高能量的利用率，既能形成完整的裂缝且没有对岩体造成过度破坏，
为实际施工提供参考依据。

关键词：预裂爆破；不耦合系数；爆生气体；应力波；应力曲线；
岩石破坏中图分类号：TD854文献标识码：A 文章编号：2096-4390(2021)14-0147-05
y 0P eff E
t
t P E E E E E 岩石 密度/
（kg ·m -3
） 弹性模量/ （GPa ）
泊松比 切线 模量 硬化参数β
三轴抗拉强度/ （MPa ） 石灰岩 2 500 110 0.33 0.13 0.5 10
1
2
-R V -R V 0121e 1e E P A B RV R V V
炸药密度/ （kg ·m ） 炸药爆速/ （m ·s ） CJ 压力/ （GPa ） A / （GPa ） B / （GPa ） R R ω V 0
E 0
/
（GPa ）
1 000 3 700 3.5 215 0.18
2 4.15 0.95 0.30 1.0 4.26 23201234562()e A P C C C C C C C
单位体积初始内能；V 0为初始相对体积。

参数如表3所示。

表3空气及其状态方程参数
2不耦合系数模拟
2.1数值计算模型的参数从预裂爆破的理论上看，在粉碎区中过度破碎岩石并不是
爆炸本身的目的，为了避免爆炸所带来的巨大能量浪费，
因此采用空气不耦合装药来实现。

建立1/2模型，岩石模型采用Lagrange 网格，空气和炸药采用ALE 网格，模型采用cm-g-μs 单位制[20]。

岩石尺寸400cm ×200cm ×0.5cm ，空气域尺寸为200cm ×50cm ×0.5cm ，药卷直径为3.2cm ，孔间距为50cm ，不耦合系数K 分别取1.31，1.65，2，2.3，2.65。

边界施加无反射边界条件，模拟总计算时长为10ms ，模型如图1所示。

图1双孔爆破模型
2.2计算结果及其分析2.2.1预裂缝成缝机理分析以K=2为例，取岩石的有效应力云图来分析岩石的破坏过
程，如图2所示，分别为不同时刻岩石的应力云图，
为了研究爆生气体的扩散过程，取不同时刻的爆生气体压力云图如图3所示。

如图2所示，药包起爆后，冲击波作用在炮孔壁，
在炮孔周围迅速形成初始裂隙，并在0.05ms 时，两应力波相遇。

0.1ms 时，
裂纹逐渐贯穿两个炮孔，随着应力波的逐渐扩展，
裂隙呈放射状向四周扩展形成破裂区。

当0.3ms 时，应力波传至边界，0.5ms
时，应力波对岩石的破坏基本完成，如图3所示，爆生气体以准静压力的形式作用在炮孔孔壁上，
并沿着孔壁上由冲击波产生的裂隙开始作用。

1ms 时，爆生气体扩散到裂缝前端，
促使裂缝进一步扩展。

到达2.5ms 时，两个炮孔的爆生气体基本连通，
气体继续作用，直至与相邻孔贯通为止，
或气体压力降低不足以使裂隙继续扩展为止。

当5ms 时，两炮孔所产生的爆生气完全贯通，同时爆生气体冲入由应力波产生的裂隙尖端，造成压力集中变大使裂隙继续扩展。

在预裂缝形成的过程中，裂纹的扩展速度随着应力波的衰减逐渐变慢，气体的作用也是持续的，
应力波的扩展速度远大于爆生气体的扩展速度，
然而应力波对岩石的破坏作用的时间较短，爆生气体“气楔”膨胀作用进一步
助长了原有裂隙扩展。

到达10ms ，预裂缝基本形成。

在左炮孔右侧以5cm 为间隔取5个监测点单元如图4所示，监测点E 在两
炮孔中心处，
提取其3ms 之前的有效应力曲线如图5所示。

如图5所示，
取的5个岩石单元，可分为2种破坏类型。

A 、B 岩石单元首先受应力波的作用，即在0.1ms 内达到应力峰值，
并在0.2ms 时失效完成破坏。

A 监测点离左炮孔最近，
因此A 点应力峰值最高可为139.30MPa 。

C 、D 、E 岩石单元先受到应力波
的作用，迅速达到应力峰值后，
并逐渐衰减，在0.2ms 后受爆生C 0 （Pa ） C 1 C 2 C 3
C 4
C 5
C 6
V 0
E 0/
（MPa ） ρ/
（kg/m 3
） 0
0 0 0 0.4 0.4 0 1.0
0.25
1.29
（e ）t=1ms
（f ）t=2ms （g ）t=5ms
（h ）t=10ms
图2不耦合系数为2时的岩石应力云图
（a ）t=0.05ms （b ）t=0.1ms （c ）t=0.3ms （d ）
t=0.5ms
图5岩石上检测点的应力值曲
线
（d ）t=5ms
（e ）t=7.5ms
（f ）t=10ms
图3不耦合系数为2时的爆生气体压力云图
气体作用，维持了一段相对稳定的受力，
最终由于爆生气体做功失效。

由于C 点较D 、E 离左炮孔更近，即C 较D 、E 先失效，E 最后失效。

在现场预裂爆破施工过程中，由于起爆器材的原因，不可能使炮孔完全同时起爆，然而预裂缝最终形成。

通过数值模拟可
知，爆生气体起决定因素。

综上所示，
在岩石中进行预裂爆破爆破采用不耦合装药，炸药爆破后所产生的冲击波和气体作用在
孔壁上，首先开裂。

随着应力波在岩石中扩散，
产生初始裂纹，同时应力波能量逐渐消耗，裂纹的扩展逐渐趋于停止。

爆生气体以准静压应力作用在岩石上，气体扩散速度也会因为裂纹的扩展
而迅速降低，由于爆生气体作用时间更长，
一定达到裂纹扩展前端，气体作用在裂纹上的压力大于岩石的动态抗拉强度，促使
裂
（a ）t=0.05ms （b ）t=1ms （c ）
t=2.5ms
图4岩石单元的监测点
（a ）K=1.31（b ）K=1.65
（c ）K=2
（e ）K=2.3（f ）K=2.65
图6不同不耦合系数下的应力云图
纹不断扩展，并最终形成稳定的预裂缝。

2.2.2不同不耦合系数模拟分析不耦合系数K=1.31，K=1.65，K=2，K=2.3，K=2.65在10ms 时的岩石应力云图如图6所示。

如图6所示，当K=1.31时，药卷直径一定，
空气垫层较薄，因此爆生气体作用对岩石的破坏效果较差，
对围岩造成一定破坏，两炮孔之间并没有很好的完成贯通；当K=1.65时，炮孔中间
贯通效果较为理想，但是对围岩造成较多破坏，应力波作用产
生了径向裂隙，爆生气体促使径向裂隙进一步扩展，
对原有围岩造成损伤；当K=2和K=2.3时，预裂缝贯通较好，
爆生气体的能量基本用于预裂缝的扩展，能量利用效果较好，
同时两炮孔的中垂线上不产生多余径向裂隙；当K=2.65时，即随着不耦合
系数变大，空气垫层较厚，对爆轰产物的缓冲作用较强，
逐渐失去不耦合装药的优势，并没有产生符合预期的预裂缝。

在岩石上的两炮孔中垂线上以35cm 为间隔取5个监测
点单元如图7所示，A 点在两炮孔中心处，
监测点应力值如图8所示。

如图8所示，由于两炮孔应力波的在中心相遇，
造成应力叠加，A 监测点的应力值均为最大，随着不耦合系数增大，监测点A 点的应力值逐渐减小，表明空气垫层对冲击波的缓冲作用增
强。

B 监测点的应力值先增大后减少，
说明爆生气体的作用促使岩石进一步破碎，粉碎区以外的能量相对增加。

应力波在岩石
中逐渐衰减，即C 、D 、E 监测点的应力值随着不耦合系数减小
而
图7岩石单元的监测点
图8监测点应力值与不耦合系数的关系图10监测点速度与不耦合系数的关系
图9气体单元的监测点
逐渐减小，并趋于稳定。

在左炮孔右侧以5cm为间隔取5个监测点单元如图9所示，监测点E在两炮孔中心处。

监测点速度变换如图10所示，监测点压力值如图11所示。

如图10所示，当K=1.31时，各监测点爆生气体扩散速度最大，气体扩散速度随着不耦合系数的增大而降低，并随着离炮孔的距离逐渐降低，当K=2时，爆生气体扩散速度较为均匀。

如图11所示，爆生气体压力随着距炮孔距离增大而减小。

当不耦合系数较小时，空气垫层较薄，爆生气体压力较小，预裂缝的形成效果较差。

随着不耦合系数增大，监测点的压力值逐渐变大，当K=2时，空气单元压力均为最大，对岩石的破坏效果较好，表明不耦合装药效果较好。

3结论
3.1本文运用ANSYS/LS-DYNA软件模拟了预裂爆破中预裂缝的演化过程。

以a=0.5m、K=2的模拟工况为例，通过岩石有效应力云图和爆生气体压力云图，详细说明了不同时间段内应力波和爆生气体对岩石的破坏过程。

以岩石单元监测点的应力曲线，区分了岩石破坏的两种类型。

3.2分别对不耦合系数K=1.31、K=1.65、K=2、K=2.3、K=2.65的工况进行模拟，通过岩石监测点的应力的曲线，分析了应力波的衰减规律。

由气体监测点的速度曲线可知，爆生气体的传播速度随着裂纹的扩展逐渐较小，随着不耦合系数的增大而减小。

当K=2时，气体单元监测点压力值均为最大，既能形成完成预裂缝，应力响应较为理想，同时没有使岩体产生过度破坏，能量利用率最高。

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图11监测点压力值与不耦合系数的关系。