隨著新一輪“西部大開發(fā)”國家戰(zhàn)略的深入實施，我國現(xiàn)代交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)重點正逐步向地質(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顯著影響爆炸應(yīng)力波的傳播路徑與裂紋擴展方向，掏槽角度的設(shè)計需綜合考慮層理傾角的影響。貴州大學(xué)陶鐵軍教授團隊針對巴岳山板巖隧道工程中存在的掏槽成腔效果不理想、炮孔利用率低等問題，開展了板巖隧道爆破損傷機理與優(yōu)化設(shè)計研究。團隊以現(xiàn)場鉆芯取樣的板巖為研究對象，通過靜動力學(xué)試驗確定其力學(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軟件對掏槽爆破過程進(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，并通過現(xiàn)場試驗驗證了該方案的科學(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)場巖體情況，經(jīng)鉆芯取樣并嚴(yán)格按照國際巖石力學(xué)學(xué)會的標(biāo)準(zhǔn)制備3種不同層理傾角巖樣后進(jìn)行靜動力學(xué)試驗，獲取力學(xué)參數(shù)。通過單軸與三軸壓縮試樣獲得板巖的單軸抗壓強度、彈性模量、泊松比以及HJC本構(gòu)模型強度參數(shù)B、N值；通過巴西劈裂試驗獲得板巖抗拉強度；動力學(xué)試驗在Split Hopkinson Pressure Bar (SHPB)系統(tǒng)上開展，為計算HJC參數(shù)提供數(shù)據(jù)。Fig. 1 SHPB動力學(xué)試驗系統(tǒng)本研究基于巴岳山隧道現(xiàn)場炮孔布設(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，但容易造成巖石過度破碎；而較大的掏槽角度雖有利于實現(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。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，槽腔中心合力過大，爆破能量難以有效釋放，易導(dǎo)致巖石過度破碎且拋擲距離過遠(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，合力減小49.23%。然而，若掏槽角度達(dá)到80°，爆破能量過于分散，無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)場掏槽角度的合理選取范圍應(yīng)為60°~80°。但目前針對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，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，更多爆破能量被用于破壞巖石，有助于實現(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，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，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展更為突出，其損傷程度也明顯高于其他區(qū)域。此時，70°掏槽角度對應(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，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)場試驗，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，最優(yōu)掏槽角度分別設(shè)計為80°、70°、60°，可實現(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。貴州大學(xué)礦業(yè)學(xué)院三級教授，博士研究生導(dǎo)師，國務(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、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維創(chuàng)新人才團隊負(fù)責(zé)人、中國爆破行業(yè)協(xié)會常務(wù)理事和專家委員會委員、貴州省力學(xué)學(xué)會監(jiān)事會副主席。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，主持國家自然科學(xué)基金等省部級課題10余項，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，獲國家知識產(chǎn)權(quán)局授權(quán)發(fā)明專利15項（第一完成人11項）、實用新型專利18項，獲貴州省科學(xué)技術(shù)進(jìn)步一等獎1項（第7）、二等獎3項（第1、1、3）、三等獎1項（第2），中國爆破行業(yè)協(xié)會科技進(jìn)步一等獎3項（第1、2、7）、二等獎3（第1、2、5）項，獲中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會科技進(jìn)步二等獎1項（第5），主持或參與起草行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)2項、地方標(biāo)準(zhǔn)2項、省級工法2項。
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