隨著新一輪“西部大開發(fā)”國(guó)家戰(zhàn)略的深入實(shí)施，我國(guó)現(xiàn)代交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)重點(diǎn)正逐步向地質(zhì)條件復(fù)雜的西南山區(qū)延伸，板巖地層中的隧道工程數(shù)量日益增多。掏槽爆破作為板巖隧道及井巷鉆爆法施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其參數(shù)設(shè)計(jì)直接影響爆破效果與施工質(zhì)量。由于板巖層理傾角的變化會(huì)顯著影響爆炸應(yīng)力波的傳播路徑與裂紋擴(kuò)展方向，掏槽角度的設(shè)計(jì)需綜合考慮層理傾角的影響。貴州大學(xué)陶鐵軍教授團(tuán)隊(duì)針對(duì)巴岳山板巖隧道工程中存在的掏槽成腔效果不理想、炮孔利用率低等問(wèn)題，開展了板巖隧道爆破損傷機(jī)理與優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。團(tuán)隊(duì)以現(xiàn)場(chǎng)鉆芯取樣的板巖為研究對(duì)象，通過(guò)靜動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)確定其力學(xué)參數(shù)，并據(jù)此標(biāo)定了HJC本構(gòu)模型參數(shù)；借助ANSYS/LS-DYNA軟件對(duì)掏槽爆破過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，定量分析有效應(yīng)力的傳播規(guī)律與圍巖損傷演化特征；最終揭示了不同層理傾角條件下的最優(yōu)掏槽角度，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證了該方案的科學(xué)性，為隧道安全、高效施工提供了關(guān)鍵技術(shù)支持。基于巴岳山隧道現(xiàn)場(chǎng)巖體情況，經(jīng)鉆芯取樣并嚴(yán)格按照國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)的標(biāo)準(zhǔn)制備3種不同層理傾角巖樣后進(jìn)行靜動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)，獲取力學(xué)參數(shù)。通過(guò)單軸與三軸壓縮試樣獲得板巖的單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量、泊松比以及HJC本構(gòu)模型強(qiáng)度參數(shù)B、N值；通過(guò)巴西劈裂試驗(yàn)獲得板巖抗拉強(qiáng)度；動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)在Split Hopkinson Pressure Bar (SHPB)系統(tǒng)上開展，為計(jì)算HJC參數(shù)提供數(shù)據(jù)。Fig. 1 SHPB動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)本研究基于巴岳山隧道現(xiàn)場(chǎng)炮孔布設(shè)情況構(gòu)建分析模型，發(fā)現(xiàn)掏槽角度是決定楔形掏槽爆破效果的關(guān)鍵參數(shù)，對(duì)爆破效果具有顯著影響。較小的掏槽角度有助于引導(dǎo)爆破能量，提高能量傳遞效率，但容易造成巖石過(guò)度破碎；而較大的掏槽角度雖有利于實(shí)現(xiàn)巖石的大面積破碎、提升炮孔利用率，但也伴隨掏槽失敗的風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)合板巖具體數(shù)據(jù)進(jìn)行分析表明：當(dāng)掏槽角度小于60°時(shí)，槽腔中心合力過(guò)大，爆破能量難以有效釋放，易導(dǎo)致巖石過(guò)度破碎且拋擲距離過(guò)遠(yuǎn)；隨著掏槽角度由60°增大至70°，合力減小31.63%；進(jìn)一步增至80°時(shí)，合力減小49.23%。然而，若掏槽角度達(dá)到80°，爆破能量過(guò)于分散，無(wú)法滿足合力大于掏槽在最小抵抗線上形成空腔所需的總阻力，從而導(dǎo)致掏槽失敗。綜上，現(xiàn)場(chǎng)掏槽角度的合理選取范圍應(yīng)為60°~80°。但目前針對(duì)不同層理傾角條件下的掏槽孔角度精準(zhǔn)布設(shè)方法，仍有待進(jìn)一步研究確定。依托工程現(xiàn)場(chǎng)，采用ANSYS/LS-DYNA軟件，構(gòu)建了層理傾角分別為0°、60°、90°以及掏槽角度分別為60°、70°、80°的9種工況下的板巖隧道楔形掏槽爆破數(shù)值模型。較低的有效應(yīng)力容易導(dǎo)致炮孔圍巖破碎不充分，從而形成較大巖石塊體，不利于拋擲；而有效應(yīng)力達(dá)到最大時(shí)，更多爆破能量被用于破壞巖石，有助于實(shí)現(xiàn)炮孔炸藥利用率的最大化。掏槽爆破后，圍巖損傷區(qū)域的大小反映了巖石的破碎范圍，損傷區(qū)域越大，表明炸藥能量利用越充分。連續(xù)分布的損傷區(qū)域能夠有效避免爆破后出現(xiàn)“鼓肚”現(xiàn)象，有利于提高炮孔循環(huán)進(jìn)尺，從而改善掏槽成腔效果。因此，有必要對(duì)代表性單元進(jìn)行有效應(yīng)力與圍巖損傷分析，以確定最優(yōu)掏槽角度。當(dāng)層理傾角為0°時(shí)，應(yīng)力波傳播方向與層理面近乎平行，導(dǎo)致沿層理方向的巖體損傷較為顯著，表明該方向上的破巖能量最為集中。在此情況下，80°掏槽角度所形成的損傷區(qū)域最大，且損傷沿炮孔長(zhǎng)度方向分布連續(xù)，炮孔底部的損傷區(qū)域也較為平整。當(dāng)層理傾角為60°時(shí)，應(yīng)力波傳播方向與層理面呈斜交，使得沿層理方向的損傷擴(kuò)展更為突出，其損傷程度也明顯高于其他區(qū)域。此時(shí)，70°掏槽角度對(duì)應(yīng)的損傷區(qū)域最大，且分布最為連續(xù)。當(dāng)層理傾角為90°時(shí)，應(yīng)力波傳播方向與層理面近似垂直，能量耗散最為顯著，巖體損傷程度較高。在此條件下，70°與80°掏槽角度所產(chǎn)生的損傷區(qū)域相較于60°時(shí)更不平整，并出現(xiàn)較多“鼓肚”現(xiàn)象。基于楔形掏槽破巖基礎(chǔ)理論、仿真結(jié)果以及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，在層理厚度、間距以及炮孔裝藥量等參數(shù)均一致的情況下，當(dāng)板巖隧道層理傾角分別為0°、60°、90°時(shí)，最優(yōu)掏槽角度分別設(shè)計(jì)為80°、70°、60°，可實(shí)現(xiàn)最大有效峰值應(yīng)力及爆破損傷區(qū)域，從而達(dá)到最佳的掏槽爆破效果。Fig. 5 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)貴州大學(xué)礦業(yè)學(xué)院三級(jí)教授，博士研究生導(dǎo)師，國(guó)務(wù)院特殊津貼專家、貴州省“省管專家”，獲貴州省高層次人才“百層次”、貴州省優(yōu)秀青年科技人才、貴州省青年科技獎(jiǎng)、江西省首批“雙千”人才，現(xiàn)任貴州省隧道與地下空間安全建造與智慧運(yùn)維創(chuàng)新人才團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人、中國(guó)爆破行業(yè)協(xié)會(huì)常務(wù)理事和專家委員會(huì)委員、貴州省力學(xué)學(xué)會(huì)監(jiān)事會(huì)副主席。主要從事爆破工程、安全工程、巖土工程的教學(xué)與科研等方面的研究，主持國(guó)家自然科學(xué)基金等省部級(jí)課題10余項(xiàng)，先后發(fā)表學(xué)術(shù)論文100余篇，其中EI、SCI收錄30余篇，出版專著1部，獲國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局授權(quán)發(fā)明專利15項(xiàng)（第一完成人11項(xiàng)）、實(shí)用新型專利18項(xiàng)，獲貴州省科學(xué)技術(shù)進(jìn)步一等獎(jiǎng)1項(xiàng)（第7）、二等獎(jiǎng)3項(xiàng)（第1、1、3）、三等獎(jiǎng)1項(xiàng)（第2），中國(guó)爆破行業(yè)協(xié)會(huì)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)3項(xiàng)（第1、2、7）、二等獎(jiǎng)3（第1、2、5）項(xiàng)，獲中國(guó)巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)（第5），主持或參與起草行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)2項(xiàng)、地方標(biāo)準(zhǔn)2項(xiàng)、省級(jí)工法2項(xiàng)。
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