爆炸冲击荷载下相邻巷道裂隙扩展机理模拟试验

郭东明， 刘　康， 杨仁树， 李　元

(1.中国矿业大学 力学与建筑工程学院，北京　100083； 2.深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，北京　100083)



爆炸冲击荷载下相邻巷道裂隙扩展机理模拟试验

郭东明1,2， 刘康1， 杨仁树1,2， 李元1

(1.中国矿业大学 力学与建筑工程学院，北京100083； 2.深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，北京100083)

摘要：为探究邻近巷道裂纹缺陷受爆炸荷载作用的扩展机理，采用透射式动态焦散线实验系统进行模拟实验。结果表明，对迎爆侧隐性裂纹，当裂纹与巷道左壁相对距离10 mm时，裂纹右尖端扩展因巷道的存在使预制裂纹导向作用更显著，引导爆生主裂纹与预制裂纹左尖端贯穿，衍射后作用于右尖端反射拉伸引起；对背爆侧隐性裂纹，当裂纹与巷道右壁相对距离4 mm时，裂纹扩展源于薄弱的巷道临空面将绕射的应力波能传递并导向裂纹缺陷，裂纹受拉扩展贯穿。巷道存在会增加其围岩裂纹缺陷处动应力集中，在爆炸应力波作用下会诱发裂纹扩展。

关键词：爆炸荷载；邻近巷道；裂纹扩展；动态焦散线

隧道开挖过程中常遇各种问题，尤其隧道围岩损伤成为当前面临的主要问题之一[1]。既有隧道围岩中存在大量缺陷，如节理、孔洞、裂隙等，当小间距邻近隧道爆破开挖时，爆炸应力波易诱发既有隧道围岩裂隙扩展，与周边缺陷贯穿，降低围岩强度，导致隧道坍塌等破坏[2]。

对此，杨仁树等[3]采用HHT方法对爆炸应变波进行时频分析，为研究爆炸应力波在岩石等固体介质中的传播机理提供可靠依据。田志敏等[4]采用三维有限元方法模拟研究隧道内爆炸冲击波传播规律及爆炸荷载分布规律。孔德森等[5]结合南京地铁区间隧道工程，对爆炸荷载作用的地铁隧道冲击反应进行研究。谭忠盛等[6]通过有限元分析，并结合现场实例，认为有限元方法能较全面反映邻近爆破施工对既有隧道影响全过程。吴亮等[7-8]研究不同布置条件的隧道爆破施工对邻近隧道影响，认为冲击荷载作用的拱形结构抵抗能力大于平面结构。李宁等[9-10]用动力有限元数值分析获得邻近隧道允许最小间距及单响药量控制；彭道富等[11]通过现场实测及动态有限元分析，认为近距离爆破作用的邻近巷道最大振动速度在迎爆侧，背爆侧较轻。

以上研究主要针对巷道围岩无缺陷的巷道周边应力场及速度场等分布规律所得巷道迎爆侧为邻近爆破的主要扰动区，但针对爆炸荷载对邻近巷道围岩裂纹缺陷扰动研究较少[12-14]，且主要单纯研究爆炸应力波作用的裂纹缺陷扩展规律[15-18]，未考虑巷道存在对裂纹缺陷扩展产生的影响。本文基于此进行实验研究，探讨巷道存在与爆炸应力波诱发邻近巷道裂纹缺陷扩展关联，以深入了解爆炸荷载作用的邻近巷道裂纹扩展机理。

1实验原理及实验模型建立

1.1实验原理

实验采用透射式动态焦散线系统[19]，该系统由激光发射器、扩束镜、透镜、起爆器及高速摄影机等组成，见图1。

图1　透射式焦散线试验系统光路Fig.1 Schematic diagram of transmission caustics experimental system

实验可记录爆炸压缩波作用的裂纹扩展全过程及其每时刻尖端产生的焦散斑-裂纹尖端应力集中区复杂变形状态通过光学几何映射关系转换的阴影光学图形。测量焦散斑直径可确定每时刻裂纹尖端动态应力强度因子。该因子与裂纹尖端应力场大小呈正相关，反映裂纹尖端应力集中程度大小。复合型扩展裂纹尖端KⅠ及KΠ表达式为

(1)

式中：z0为参考平面到试件距离；C为有机玻璃板应力光学常数；d为玻璃板厚度；K1，KΠ为复合型扩展裂纹尖端Ⅰ、Ⅱ型动态应力强度因子；μ为两动态应力强度因子比例系数，由(Dmax-Dmin)/Dmax确定；g为应力强度数值因子，由μ确定。

分析中动态应力强度因子随时间变化曲线用K表示，如KA表示A裂纹动态应力强度因子变化曲线。由高速摄影照片可精确测量瞬时裂纹尖端位置，并据图片与实物比例换算获得裂纹尖端位移。位移曲线用D表示，如DA表示A裂纹位移曲线。

1.2实验模型建立

由于裂纹扩展与巷道存在与否关联较大，设是否存在巷道为变量，其它条件一致，见图2。为简化及减小实验离散度，需选均质、各向同性材料，避免材料非均质性及各向异性引起误差；采用透射式动态焦散线系统，需实验材料高透光率。为便于观察，要求材料具有一定塑性，因此选有机玻璃作为模型材料。

图2　实验模型图(单位：mm)Fig.2 The model diagram of experiment

实验模型尺寸300 mm×300 mm×5 mm；炮孔直径6 mm，炮孔内填充145 mg叠氮化铅，采用电火花引爆炸药模拟爆源；邻近巷道采用直墙拱形截面，上部半圆拱，直径40 mm，下部半矩形，尺寸40 mm×20 mm；对围岩缺陷，据文献[20]，背爆侧不同倾角的裂纹缺陷在爆炸荷载作用下扩展轨迹基本沿水平方向，只在扩展后期因卸载波作用出现向下或向上翘曲；迎爆侧水平裂纹受应力波产生的拉应力最大，裂纹最不利倾向为水平方向。为使实验现象更明显，预制5 mm水平裂纹模拟巷道围岩缺陷，实验分别研究爆炸荷载诱发邻近巷道迎爆侧、背爆侧裂纹缺陷扩展机理，预制裂纹缺陷分别置于巷道的迎、背爆侧(图2)；模型其它尺寸见图2。图中炮孔与预制裂纹间距及裂纹与巷道间距确定均据实验[21]，保证效果明显。

2巷道迎爆侧裂纹扩展机理实验研究及分析

2.1实验结果分析

图3(a)为巷道迎爆侧裂纹缺陷扩展结果，可见，巷道存在时炮孔处诱发的爆生主裂纹基本沿直线扩展并与预制裂纹贯穿，最终预制裂纹C端扩展与巷道贯穿；图3(b)为相同条件的裂纹扩展结果，爆生主裂纹A的扩展轨迹虽偏离炮孔与预制裂纹连线方向，但A裂纹扩展到预制裂纹上方时翘曲向预制裂纹C端并与预制裂纹C端接近贯穿，诱发预制裂纹C端扩展。可见其它条件不变、存在及不存在巷道时，爆生主裂纹A的扩展轨迹有较大差异。存在巷道时巷道使预制裂纹对爆生主裂纹A的扩展方向导向作用更明显，应力较无巷道时更集中，将A裂纹的扩展方向导向预制裂纹；无巷道时预制裂纹处应力集中程度不足以较大程度影响A裂纹的扩展方向，仅当A裂纹接近预制裂纹处时，由于裂纹自由面存在使A裂纹扩展方向发生翘曲。

图3　相同条件下有无巷道的迎爆侧预制裂纹扩展结果Fig.3 The final extension result of prefabricated crack in the meeting-blast side under the same condition when existing roadway or not

由图3中无法直观看到预制裂纹C端起裂过程及分析预制裂纹扩展机理，为更清楚了解爆炸荷载作用的整个过程，通过高速摄影仪采集的系列图片具体说明，见图4。由图4看出，爆生主裂纹A沿与预制裂纹连线方向扩展，t=153.33 μs时与预制裂纹B端贯穿，t=160 μs时预制裂纹C端开始起裂扩展，即巷道存在时主裂纹先与预制裂纹B端贯穿后，预制裂纹C端开始扩展。说明预制裂纹扩展并非由于应力波在巷道临空面反射产生的拉伸应力所致，而因主裂纹与预制裂纹B端贯穿后应力波衍射过预制裂纹，并作用于C端，从而诱发裂纹扩展。

图4　图2(a)对应的裂纹扩展过程系列图Fig.4 A series of crack extension pictures corresponding to figure 2(a)

图5为裂纹扩展过程。由图5可知，t=140μs时裂纹C端起裂。预制裂纹C端扩展发生在A裂纹翘曲向预制裂纹C端之后，说明预制裂纹对A裂纹扩展方向也有导向作用，且将A端携带的应力波导向预制裂纹，诱发C端扩展。在A裂纹到达预制裂纹B端到翘曲向C端过程中预制裂纹B、C端焦散斑增大。

通过以上实验描述知，不存在巷道时爆生主裂纹在偏离炮孔与预制裂纹连线方向扩展到预制裂纹附近时，因缺陷处的应力集中，导致主裂纹向预制裂纹翘曲，引导应力波能传递到预制裂纹，在预制裂纹C端应力波能叠加，诱发C端扩展。存在巷道时巷道迎爆侧围岩中裂纹扩展主要原因并非巷道侧壁反射的应力波拉伸所致，而是巷道存在导致裂纹缺陷处扰动加剧，应力较无巷道时更集中，引导主裂纹扩展沿预制裂纹方向并与巷道贯穿。

图5　2(b)对应的裂纹扩展过程系列图Fig.5 A series of crack extension pictures corresponding to figure 2(b)

2.2裂纹尖端动态应力强度因子分析

在爆炸荷载作用下，爆炸冲击能破碎孔壁，沿切槽方向诱发裂纹，并快速扩展。不存在巷道时(图6(b))炮孔处诱发的裂纹A快速扩展，并伴随动态应力强度因子振荡性减小。t=133 μs时裂纹A绕过预制裂纹B端向C端翘曲；t=180 μs时裂纹A停止扩展。在裂纹A向预制裂纹C端翘曲过程中引导应力波能传递到C端，并能量叠加；t=147 μs时预制裂纹C端开始快速扩展，并伴随C端动态应力强度因子快速增加。由图6(b)看出，尽管B端动态应力强度因子有所增加，但明显小于C端，由此可解释预制裂纹B端扩展位移增加明显小于C端，能量传递到预制裂纹处时实现能量传递，主要导向与主裂纹传播方向一致的C端。存在巷道时(图6(a))，由于炮孔诱发主裂纹A的扩展方向在炮孔与预制裂纹连线方向，t=140 μs时主裂纹A与预制裂纹B端贯穿，应力波能衍射过裂纹并与C端应力波能叠加，使C端动态应力强度因子在t=160 μs时快速增加，并伴随C端裂纹快速扩展；t=187 μs时与巷道贯穿。

由分析可知，引起预制裂纹扩展的主要原因并非应力波在巷道临空面反射后产生的拉伸应力，而是从炮孔处传递的应力波能在裂纹尖端叠加，导致动态应力强度因子快速增加，从而诱发C端扩展。

图6　有无巷道时迎爆侧预制裂纹、炮孔处诱发裂纹扩展位移及尖端动态应力强度因子时间变化曲线Fig.6 The variation of dynamic stress intensity factorand extension displacement of crack tip in the meeting-blast side following the time when existing roadway or not

3巷道背爆侧裂纹扩展机理实验研究及分析

3.1实验结果图分析

有无巷道时背爆侧预制裂纹扩展最终结果见图7。由图7(a)看出，巷道迎爆侧破坏较大，背爆侧预制裂纹B端与巷道贯穿，C端有较大扩展；由图7(b)看出，预制裂纹并未扩展，而炮孔处诱发的主裂纹扩展方向发生较大偏移。此现象说明巷道存在对应力波能有一定传递、引导作用，使传递到巷道迎爆侧部分能量通过绕射到达背爆侧较薄弱部位即预制裂纹处，并伴随裂纹受拉扩展而释放，导致距离爆炸源较远的巷道背爆侧裂纹缺陷处成为主要扰动区；而巷道不存在时由于预制裂纹距离爆炸源较远，预制裂纹导向作用几乎可忽略，但主裂纹A出现随机扩展。

图7　相同条件有无巷道时背爆侧预制裂纹扩展最终结果Fig.7 The final extension result of prefabricated crack in the meeting-blast side under the same conditionwhen existing roadway or not

3.2裂纹尖端动态应力强度因子分析

有无巷道时背爆侧预制裂纹及炮孔处诱发裂纹尖端动态应力强度因子随时间变化曲线见图8。由图8(b)看出，不存在巷道时炮孔处诱发主裂纹A尖端动态应力强度因子随时间出现振荡性减小规律。t=140 μs时强压缩波追上裂纹A，裂纹A的动态应力强度因子达到谷值1.173 MN/m3/2后，强压缩波接近预制裂纹B端，对预制裂纹产生较大拉伸应力，预制裂纹B、C端出现较大焦散斑，动态应力强度因子分别达到峰值0.987 MN/m3/2及0.768 MN/m3/2，超过动态断裂韧度，诱发两尖端短暂扩展。由于强压缩波越过预制裂纹B端，裂纹A端动态应力强度因子略微增加后振荡性减小到零，预制裂纹B、C端动态应力强度因子趋于零。由图8(a)看出，存在巷道时炮孔处诱发的裂纹很快与巷道贯穿。t=60 μs时应力波绕射到巷道背爆侧预制裂纹处，预制裂纹两尖端现应力集中，初始阶段裂纹B、C端动态应力强度因子变化规律相似，均逐渐增大，在t=90～110 μs阶段动态应力强度因子基本无变化，而t=150 μs时强度因子开始快速增加，裂纹起裂，B端很快与巷道贯穿，而C端出现较快扩展。t=200 μs时动态应力强度因子达到峰值1.683 MN/m3/2，上下振荡变化持续一段时间后振荡性减小到零，裂纹最终扩展位移为4.12 cm。

图8　有无巷道时背爆侧预制裂纹及炮孔处诱发裂纹尖端动态应力强度因子随时间变化曲线Fig.8 The variation of dynamic stress intensity factor of crack tip in the meeting-blast side following the time when existing roadway or not

由动态应力强度因子分析知，因巷道存在，应力波绕射过巷道作用于预制裂纹C端并诱发其扩展过程中，裂纹尖端动态应力强度因子明显大于无巷道，说明巷道存在会致预制裂纹处较薄弱，应力波作用时应力更集中，即应力波绕射过程中应力集中区会发生迁移，应力波绕射到预制裂纹处时，由于预制裂纹自由面对应力波反射产生拉伸应力，尖端出现应力集中。在背爆侧壁应力集中处与裂纹尖端间形成垂直方向拉应力场，诱发裂纹尖端扩展；左尖端与巷道贯穿后更多应力波能在右尖端释放。

4综合分析

爆炸荷载对邻近巷道裂纹缺陷影响问题为爆炸应力波作用于裂纹缺陷问题，爆炸荷载产生的应力波传播或绕射传播到预制裂纹左尖端时，在左尖端发生反射，产生反射拉伸应力，由于裂纹自由面存在，应力波将衍射传播到裂纹右尖端，再次发生反射产生拉伸应力及越过裂纹尖端的剪应力[22]，尖端产生应力集中，并不断积聚、释放能量，即动态应力强度因子曲线呈震荡性变化(图6、图8)，动态应力强度因子超过动态断裂韧度时裂纹起裂[23]。

巷道不存在、裂纹距爆源60 mm时(图3(b))，由于预制裂纹对主裂纹扩展方向有一定导向作用，尽管主裂纹扩展出现一定偏移，主裂纹扩展到预制裂纹上方时翘曲向预制裂纹右尖端，将应力波能导向预制裂纹，动态应力强度因子超过动态断裂韧度，诱发预制裂纹扩展；裂纹距爆源69 mm时(图7(b))，预制裂纹导向作用变弱，几乎可忽略，主裂纹扩展方向发生较大偏移。

应力波能总趋向于相对薄弱位置释放，对迎爆侧预制裂纹，巷道存在使其导向作用更显著，应力更集中，炮孔处诱发的主裂纹沿水平向直接与预制裂纹左尖端贯穿后，应力波在预制裂纹处发生衍射，作用于预制裂纹右尖端形成反射拉伸波，诱发右尖端扩展。对巷道背爆侧裂纹，传播中应力波沿巷道临空面绕射，产生动应力集中[24]，且波的传播逐渐迁移，并伴随能量传递，应力波绕射传播到预制裂纹处将反射产生拉伸应力，裂纹尖端出现应力集中，最终在背爆侧壁应力集中处与裂纹尖端连线垂直方向产生拉应力，诱发裂纹扩展，释放能量。

5结论

(1) 爆炸荷载作用下邻近巷道裂纹扩展的直接作用机理为应力波传播或绕射传播到预制裂纹处，在裂纹自由面发生反射产生拉伸应力，预制裂纹尖端应力集中诱发裂纹扩展贯穿。巷道存在会增加其周边裂纹缺陷的动应力集中。

(2) 对迎爆侧隐性裂纹，巷道存在使预制裂纹对爆生主裂纹扩展方向具有更强的导向作用，爆生主裂纹沿炮孔与预制裂纹连线方向扩展，并与预制裂纹贯通，通过衍射将爆炸应力波能导向预制裂纹右尖端，诱发右尖端扩展。

(3) 对背爆侧隐性裂纹，巷道临空面的绕射作用将应力波能传递并导向巷道周边最薄弱部位即预制裂纹处诱发裂纹扩展，即应力波传播到预制裂纹处时在裂纹与巷道背爆侧壁间产生拉应力场作用。

(4) 爆炸荷载作用下邻近巷道围岩裂纹扩展机理研究对爆破振动危害防护具有指导意义，可为岩石材料相关实验奠定基础。

参 考 文 献

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基金项目：国家自然科学基金项目(51274204;51134025)；教育部新世纪优秀人才支持计划(NCET-12-0965)

收稿日期：2014-12-18修改稿收到日期：2015-07-10

中图分类号:O383+.2;U455.41

文献标志码：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2016.02.030

Simulation experiments on the mechanism of adjacent tunnel crack extension induced by explosion load

GUO Dong-ming1,2, LIU Kang1, YANG Ren-shu1,2, LI Yuan1

(1. School of Mechanic & Civil Engineering China University of Mining & Technology, Beijing 100083, China; 2. State Key Laboratory of Deep Rock and Soil Mechanics and Underground Engineering, Beijing 100083, China)

Abstract:In order to explore the mechanism of extension of crack defects in nearby roadway under explosion load, a transmission type dynamic caustics experimental system was adopted to carry out the simulated experimental study. The experimental results show that the propagation of a prefabricated recessive crack located at meeting-blast side results from that the existing tunnel makes the leading effect of the prefabricated crack more notable, which guides the crack propagation from the explosive source to the left cutting-edge of prefabricated crack and by diffraction to the right cutting-edge, then the right cutting-edge starts to extend under the stretching influence of diffraction stress wave, when the distance between the prefabricated crack and the left panel of tunnel is 10 mm. For a prefabricated recessive crack at back-blast side, when the spacing between the prefabricated crack and the right panel of tunnel is 4 mm, the expansion of crack results from that the weak free surface of roadway guides the diffraction stress wave to crack defects, and then the crack extends under tensile stress. The existense of adjacent roadway increases the dynamic stress concentration at crack defects, inducing the crack extension under the effect of explosive stress wave.

Key words:explosion load; adjacent tunnel; crack propagation; dynamic caustics

第一作者 郭东明 男，博士，副教授，1974年