刘  慧  邓志勇  王中黔

在瓦斯隧道中，为有效地保障爆破过程中的安全，全断面开挖过程中起爆雷管不得超过5段，总延迟时间不应超过130 ms。而铁路隧道断面都在50～90 m²的范围内，仅掏槽就需5段之多，再加上辅助孔、光爆孔要达10段之多，因此无法进行含瓦斯隧道的全断面掘进，只能采用分部法、超前导洞法开挖，这样虽然总延时可不超过130 ms，但因工作面小，不能使用全断面掘进设备，大型机械失去效用，致使掘进进尺受到严重限制，远不能满足工程进度的要求。为解决此问题铁道部科学研究院爆破室在“隧道无掏槽掘进爆破技术的研究”中提出了无掏槽爆破掘进的技术方案(该技术主要是采用齐爆的多个彼此平行、垂直于掌子面的炮眼，使爆炸应力波在岩石中相互干涉，并与爆生气体共同作用而破碎岩石)，并在现场试验中获得了初步的成功。在此技术中的关键问题是保障较高的炮孔利用率，但目前有关多孔齐爆的理论研究多从爆后应力场的分布演化特征进行分析，这种分析只能说明爆区岩石的破坏情况，尚无法对无掏槽爆破的作用机理及最终的炮孔利用率做出判断，而从爆后岩石的运动场上进行分析将更为直观、可信，为此我们借助动态有限元程序DYNA-2D对多孔齐爆情况下的应力场特别是运动场进行了数值模拟研究。

2．DYNA-2D简介

20世纪80年代以来，美国的Lawrence Livermore National Laboratory(LLNL)John O．Hallquist教授主持并一直研究材料的动态性能数值计算，取得了大量的开创性成果，DYNA-2D程序就是其中之一。该程序是应用有限元方法来计算非线性结构材料的大变形动力响应，采用四节点单元进行离散化；程序使用单点高斯积分，引入沙漏黏性控制零能模态，并应用中心差分法进行时间积分。特别是程序能处理结构在高速碰撞或炸药爆炸作用下的动态响应，这些特性使得该程序特别适合于结构或介质材料在爆破作用下的数值模拟。

    3．隧道无掏槽爆破的数值模拟程序步骤

    (1)隧道无掏槽爆破数值模拟模型的建立

    严格来讲，隧道无掏槽爆破是一个三维问题，但考虑到无掏槽爆破同断面同时起爆以及岩体内部应力场沿各排炮孔的分布比较均匀的特点，可以简化为一个二维问题来考虑；又考虑到隧道围岩对爆破的夹制作用，我们建立了如图1的计算模型。

图1  隧道无掏槽爆破的计算模型示意图

    (2)将区域离散化和确定初始单元参数，计算节点位移、单元应力偏量、节点集中力。

    (3)炮孔利用率的确定方法。

首先根据爆后应力场分布及发展变化特征，判断布孔区域内的岩石是否达到了破坏强度。在具体分析过程中，对强反射拉应力区以岩石的动抗拉强度为判据，对强压应力区以岩石的动抗压强度为判据；其次，根据langefors和kihlstrom等提出的坚硬完整岩石破裂的临界振速标准对以应力判据确定的破坏区范围进行校核，并取两者的较小者；根据相应时刻爆区的质点速度矢量场及位移场特征和它们在整个计算过程中的变化发展规律，确定最终的破坏范围，并进而确定相应的炮孔利用率。

4．隧道无掏槽爆破爆区应力场、运动场的数值模拟

模拟计算过程中采用的岩石及炸药参数见表l和表2。

表1  围岩物理性质参数表

图2压应力等值线图

表2炸药参数表

    算例：在此算例中5个炮孔同时起爆，采用反向起爆方式，炮孔直径D=42 mm，炮孔深度为L=4 m，炮孔间距a=0.6 m，炮孔布置宽度B=2.4 m，炮孔比例深度L／B=1.7，堵塞长度为L₀=1.2 m。

    通过以上的模拟计算和对比分析可以得到如下一些结论：

    (1)从压应力等值线图2可以看出：多孔齐爆爆后应力场初期与条形药包的应力场非常接近。随着时间的推移，高压应力区由起爆端向传爆方向移动，原部位的应力水平显著降低，其

衰减速度以中央炮孔方向衰减最慢，而两侧炮孔的衰减最快。

 图4速度矢量图

    (2)当应力波到达自由面时，在自由面附近出现了强烈的反射区，这个反射区以中央炮孔轴线方向上的应力水平最高，而两侧炮孔轴线方向上相对较弱。随着时间推移，反射应力波下移，到达装药上部后，由于中央炮孔的中下部仍然保持了较高的压应力水平且持续时间相对较长，因而反射应力波与入射压应力波叠加形成的拉应力区在中央炮孔区域的下降速度比在边孔区要小得多。

    (3)根据岩石的动态抗拉强度和动态抗压强度及爆后应力场分布状况，可以判定炮孔区岩石已形成破坏，且上部岩石以反射拉伸破坏为主而下部岩石以压应力破坏为主。由于围岩的夹制作用，破坏后的岩石是否能最终抛出，则另需判断。

图5    位移等值线图

    (4)炮孔之间的质点振速经历了一个先增(起爆伊始)后减，再增(反射拉应力波到达)又减(此时全场应力水平已显著衰减)的过程，且二次增加的过程是与速度场(图3、图4)和位移场(图5、图6)的变化相调和的，即当反射拉应力波过后，速度矢量由向下或侧下方变为朝向上方或侧上方，位移矢量经历了相同的变化过程，但比速度矢量的方向变化稍迟一些，且反射拉应力越强的区域对应的振速和位移量也越大。由此可见，反射拉应力的影响深度及强度对爆后炮孔上部岩石的变形、破坏及抛掷有着直接的影响，可以预见随着，L／B的增大，炮孔利用率会有所降低。

图6位移矢量图

    (5)在起爆初期及爆破过程中，炮孔腔体有明显的扩胀发生。传爆过程中，腔体的扩胀现象沿传爆方向由下向上发展，但这种扩胀在达到炮孔直径的2～3倍后，下部孔腔体积再无明显变化；而炮孔上部在反射应力波到达后又有新的明显的扩胀，且扩胀朝强反射拉应力区中心方向发展；在图中可以看到中间3炮孔的上端扩胀速度较大，两侧边孔的扩胀速度相对较小，这说明在爆破过程中，炮孔底部大于装药顶部，两侧的夹制作用大于中央炮孔；在反射拉应力波传播过程中，到达装药底部腔体的应力波波前在腔体的扩胀过程中有明显的畸变发生，衰减速度明显高于其他方向，这说明正是由于反射拉应力波做功使邻近自由面的岩石破碎，为炮孔上部的腔体扩胀及最终的岩石抛掷创造了条件。在底部炮孔的扩胀过程中，炮孔中下部的岩石质点振速及位移量迅速增大，说明炮孔上部岩石的拉动作用与底部孔腔扩胀产生的挤压推动作用，最终促成了炮孔中下部岩石的破碎抛掷。

    (6)炮孔不同部位的振动场及位移场在装药的中上部衰减速度，中心孔明显大于边孔；在装药中下部，在此部位的压应力得到一定释放后的衰减速度，中心孔又小于边孔。这可以解释在现场实验中，边孔炮孔利用率相对较低的现象。

    (7)通过对炮孔区应力场、位移场及振速场的分析可以初步断定，最终未能抛出的岩石深度为50 cm左右，炮孔利用率在87.5％。

发表刊物：铁道工程爆破文集----第六届全路工程爆破学术会议。北京：中国铁道出版社，2000年8月。