不同爆炸力作用下端部消波和加密锚杆支护洞室动态响应研究

王光勇， 陈安敏， 徐景茂

(1. 河南理工大学 土木工程学院，河南 焦作 454000；2. 总参工程兵科研三所，河南 洛阳 471023)

由于地下爆炸对地下坚固工程的冲击破坏比相同当量触地爆炸要大几倍至几十倍，因此各国都在致力于常规的钻地武器发展，为了增大对地下工事的打击力度，常规钻地武器的精度越来越高，钻地越来越深，因此防护工程将面临着严重的挑战。从近年来的几次局部战争看，尽管常规钻地武器对防护工程构成了严重威胁，但深埋于地下的坚固工事和具有足够防护层厚度的坑道工程仍然是抵抗精确制导武器打击的最有力手段。目前提高防护工程防护能力的技术措施有多种，其中最重要的措施之一就是采用各种加固措施大力提高坑道围岩的抗力。在众多的加固措施当中，锚杆支护是应用最广泛的一种加固措施，由于防护工程所受打击的常规钻地武器的炸药当量和钻地深度会有所不同，从而导致防护工程受的爆炸力不同，因此研究不同爆炸力作用下新型锚杆支护洞室的动态响应是非常有意义的。

关于锚固洞室在动载作用下的动态响应研究已经进行了许多的研究，并取得了丰富的成果。国内外学者们[1-17]从锚固洞室的位移、速度、加速度、破坏形式、锚杆轴力、振动频率、锚杆的支护形式等方面进行研究，并且研究了锚固洞室支护参数和洞室自由面数对地下洞室动态响应的影响，以上的成果主要是研究在某一确定爆力作用下锚固洞室的动态响应，然而实际锚固洞室所受到的动载是不一样的。本文主要通过调整比例距离来确定不同的爆炸力，研究不同爆炸力作用下端部消波和加密锚杆支护洞室的动态响应，从而为动载下端部消波和加密锚杆支护设计提供参考。

1 试验概况

1.1 试验模型及测点位置

试验装置是采用总参工程兵科研三所岩土与结构工程重点实验室自行研制的抗爆模型试验装置，该模型试验装置的尺寸为长×宽×高=2.4 m×1.5 m×2.3 m，每个试验段总长800 mm。沿洞室轴线划分成3个试验段，如图1所示，每个试验段800 mm，左边、中间和右边分别是端部加密锚杆支护洞室、普通长密锚杆支护洞室、端部消波锚杆支护洞室，分别简称为M4，M3和M5，3个洞室加固长度均为400 mm，为了减小加固段边界的影响，便于加固效果的比较，在每个试验段两边分别留长200mm的毛洞。洞室M3，M4和M5的跨度都为60 cm，用直径Φ1.84 mm的铝棒模拟加固围岩的锚杆，其中长锚杆、短锚杆长度分别为18 cm，6 cm，长短锚杆间、排距均为4 cm。M5中锚杆内端部空孔长度为6 cm，间距为4 cm。整个模型共布置了9个压力传感器，6个加速度传感器，3个位移传感器，15个洞壁应变测点，具体的符号及位置见图1。

(a)(b)(c)(d)

图1 模型测点布置图(单位：mm)

Fig.1 Arrangement of measuring points in the models(unit：mm)

1.2 相似要求

试验中的相似条件主要是考虑了应力相似条件、几何相似条件和爆炸力相似条件，相应比例系数的选取是按弗鲁德(Froude)比尺和药量的立方根比尺进行综合考虑确定的。本次模型试验主要是考虑Ⅲ类围岩，具体Ⅲ类围岩参数及模型材料的物理力学参数见表1。由表1可以大致得到密度比例系数Kρ、应力比例系数Kσ和几何比例系数KL。具体3个相似比例系数确定如下：首先根据表1中模型试验材料最大密度和原型最大密度比例得到密度比例系数为0.67，其次通过材料试验，确定应力比例系数为0.06，最后由Froude比例法知几何比例系数等于应力比例系数除以密度比例系数，即可确定为0.09。由上述密度、应力和几何比例系数可得模型试验各重要变量比例系数，如表2所示。

表1 III类围岩和模型材料物理力学参数

表2 模型试验主要变量及其数值

本试验参考Ⅲ、Ⅳ类围岩锚杆参数，根据相似比尺来确定模型上锚杆长度和间距；试验中的锚杆是考虑与实际工程上使用的Φ18螺纹钢筋相似，从几何比尺、应力比尺及操作方便考虑，最终确定用Φ1.84 mm的铝棒来模拟Φ18的螺纹钢筋。

1.3 试验步骤

试验准备分五级爆炸荷载进行，最后进行了四级。第 1 次爆炸为正常试验，后 3 次爆炸为超载试验，挖除模型内破坏材料，回填相同材料待凝结硬化后再重新爆炸。由于装药的比例埋深不同会导致炸药传递给地下能量不同，为了确保每次爆炸条件对岩体的影响可以忽略[18-19]，所以保证每次比例埋深(h/W1/3)都为17.1 cm/g1/3，具体每次装药量分别如表3所示，试验药量由低向高依次进行。

2 试验结果分析

2.1 拱顶垂直压力峰值衰减规律

为了确保工程结构的安全性与稳定性，在研究爆炸荷载对地下工程的影响时，大家最关心是离地下结构最近点的动载强度，它的大小直接影响到地下工程稳定性和安全。离3个锚固洞室最近测点P3，P6 和P9的垂直压应力峰值与比例距离的关系曲线见图2，从图中拟合曲线中分析得出：在相同爆炸条件作用下，离加固范围最近的点所得垂直压应力峰值衰减规律比较相似，随着比例距离的增大，符合幂函数衰减规律。通过拟合可以得到P3，P6和P9衰减指数分别为1.462，1.483和0.657，M3和M4衰减指数相差比较小，仅1.4%，并且相同比例距离的垂直压应力峰值也比较相近。随着比例距离的减小，M5的垂直压应力峰值从比M3和M4大向比M3和M4小转变，大约在比例距离0.6 m·kg-1/3处，3个洞室的垂直压应力峰值相等。

表3 模型试验药量及埋深

图2 P3，P6，P9拱顶垂直压应力峰值与比例距离关系曲线

Fig.2 Relation curves between the peak vertical compression stresses on vault ofP3,P6 andP9 and scaled stance

2.2 洞室顶底板相对位移峰值衰减规律

洞室顶底板相对位移是衡量洞室稳定性的一个重要指标，表4是四炮的洞室顶底板相对位移峰值，根据表4的数据得到洞室顶底板相对位移峰值与比例距离关系曲线，如图3所示(图中D是洞室的跨度)。由于第一炮的药量较小，洞室顶底板相对位移受到其它波的干扰较大，另外第一炮有密实作用，所以取后三炮的数据拟合出比例距离与顶底板相对位移峰值关系曲线和公式。从图3中分析可以知道：随着比例距离的增大，3个洞室顶底板相对位移峰值以幂函数规律进行衰减；在相同的比例距离时，M3的位移峰值最大，M4的位移峰值最小，并且随着比例距离逐渐减小，位移峰值增大的速度越来越大，3个洞室的位移峰值差值从小变大再变小，在比例距离为1.4 m·kg-1/3附近位移峰值差值最大。从拟合曲线公式可以得到M3，M4，M5的衰减指数分别为2.921，5.043，3.791，M4和M5的衰减指数比M3要大，所以随着比例距离的减小，M4，M5的顶底板相对位移峰值逐渐向M3靠近，甚至可能超过M3。当比例距离小于0.8 m·kg-1/3，M4和M5的顶底板相对位移峰值就开始超过M3。这说明虽然端部加密锚杆加固围岩的强度比普通长密锚杆加固围岩的强度有所提高，但其作用在加固区的动载强度也因波阻抗增加而提高，当比例距离比较大时，提高的动载强度对洞室稳定性的影响效果可能比提高围岩强度的效果要小，此时M4的顶底板相对位移峰值比M3小；当比例距离比足够小时，提高的动载强度对洞室稳定性的影响效果可能比提高围岩强度的效果要大，此时M4的顶底板相对位移峰值比M3大。端部消波锚杆支护洞室虽然消波孔能吸收一定的能量，但其也使锚区附近围岩强度有所降低，当比例距离比较大时，消波孔能吸收的能量对洞室稳定性的影响效果比锚区附近围岩强度降低的效果大，此时M5的顶底板相对位移峰值比M3小；当比例距离比较小时，消波孔能吸收的能量对洞室稳定性的影响效果可能比锚区附近围岩强度降低的效果小，此时M5的顶底板相对位移峰值比M3大。

表4 洞室拱顶底板相对位移峰值

图3 洞室顶底板相对位移峰值与比例距离关系曲线

2.3 洞壁最大压应变峰值衰减规律

洞壁应变是考虑洞室环向受力情况，从试验的结果可以知道，洞壁环向受力较严重主要在拱顶和拱脚，前者是受拉，后者是受压。由于M3拱顶洞壁应变大部分数据没有测到，所以主要分析拱脚受压洞壁应变峰值与比例距离关系，另外第一炮有密实的作用，与实际不太相符，故根据后三炮的数据进行分析，其相关的数据和拟合曲线及公式见表5和图4。从图中分析可以得到：随着比例距离的增大，最大洞壁应变峰值呈一定规律性的衰减，利用幂函数进行拟合，得到M3，M4，M5的衰减指数分别为1.839，1.926，2.965；M3和M4的衰减指数和公式系数都比较相近，因此，两个洞室的曲线比较靠近，随着比例距离的减小它们最大压应变峰值相差越小，当比例距离为1.0 m·kg-1/3时，M4小于M3不到1%；随着比例距离减小，M5的最大压应变峰值从比M3和M4小逐渐向比M3和M4大转变，当比例距离为1.0 m·kg-1/3时，M5的最大压应变峰值比M3和M4大60%左右，由于M5的衰减指数明显比其它两个洞室大，所以随着比例距离减小，这种差距会越来越大。

图4 洞室最大应变峰值与比例距离关系曲线

洞室第一炮第二炮第三炮第四炮最大压应变峰值/με比例距离(R/W1/3)/(m·kg-1/3)最大压应变峰值/με比例距离(R/W1/3)/(m·kg-1/3)最大压应变峰值/με比例距离(R/W1/3)/(m·kg-1/3)最大压应变峰值/με比例距离(R/W1/3)/(m·kg-1/3)M3276.4632.84357.0612.2624.2851.61 495.541.0M4375.4022.84298.6702.2625.3911.61 481.801.0M5402.7162.84232.2732.2596.0941.62 402.081.0

2.4 拱顶加速度峰值衰减规律

由于拱顶是直接受到爆炸荷载的作用，而底板受到的爆炸荷载已经经历了洞室的绕射和反射作用，所以拱顶的振动加速度明显大于底板的振动加速度，另外由于M3的底板加速度没有测到，所以下面主要分析3个洞室的拱顶加速度峰值规律。表6是3个洞室的四炮拱顶加速度数据，通过拱加速度峰值与比例距离的关系可得到拟合曲线和公式，如图5所示。随着比例距离的减小，3个洞室的拱顶加速度峰值呈一定的规律减小，利用幂函数进行拟合，得到相应的拟合公式。从拟合曲线可以发现，当比例距离小于1.55 m·kg-1/3时，M4的拱顶加速度峰值比M3大，并且随着比例距离的增大，两者的差距逐渐减小；当比例距离大于1.55 m·kg-1/3时，M4的拱顶加速度峰值比M3小，并且随着比例距离的增大，两者的差距越来越大，当比例距离为1.0 m·kg-1/3时，M4的拱顶加速度峰值是M3的1.21倍；M5的拱顶加速度峰值在所进行的四炮中普遍比M3小，当比例距离为1.0 m·kg-1/3时，M5的拱顶加速度比M3的小14.6%，由于M5的衰减指数比M3大，所以随着比例距离的减小，M5的拱顶加速度逐渐向M3接近，并且有可能超过M3。

表6 洞室拱顶加速度峰值

图5 洞室拱顶加速度峰值与比例距离关系曲线

3 结 论

通过对普通长密锚杆支护洞室、端部加密锚杆支护洞室、端部消波锚杆支护洞室在不同的爆炸力作用下的动态响应进行分析，得到以下结论：

(1) 离3个锚固洞室最近测点P3，P6和P9的垂直压应力峰值与比例距离的关系曲线符合幂函数衰减规律；M3和M4衰减指数相差比较小，并且相同比例距离的垂直压应力峰值也比较相近。随着比例距离的减小，M5的垂直压应力峰值从先比M3和M4大，然后逐渐向它们靠近，最后比M3和M4小，大约在比例距离0.6 m·kg-1/3处，3个洞室的垂直压应力峰值相等。

(2) 随着比例距离的减小，M4，M5的顶底板相对位移峰值逐渐向M3靠近，当比例距离小于0.8 m·kg-1/3，M4和M5的顶底板相对位移峰值就开始超过M3。

(3)M3和M4最大洞壁应变峰值的衰减指数和公式系数都比较相近，因此，两个洞室的曲线比较靠近，随着比例距离减小，M5的最大压应变峰值从比M3和M4小逐渐向比M3和M4大转变，由于M5的衰减指数明显比其它两个洞室大，所以随着比例距离减小，这种差距会越来越大。

(4) 随着比例距离的减小，M4的拱顶加速度峰值从比M3小到比M3大，比例距离为1.55 m·kg-1/3是两种状态的转折点。M5的拱顶加速度峰值在所进行的四炮中普遍比M3小，由于M5的衰减指数比M3大，所以随着比例距离的减小，M5的拱顶加速度逐渐向M3接近，并且有可能超过M3。