基于数值模拟的隧道光面爆破研究现状

杨幸福　曹佃光　郭振东　白亚东

摘  要：爆破是隧道施工中的一种常用手段，但是爆破技术仍然不算成熟，爆破中常出现超欠挖现象，所以爆破技术有很大的提升空間。但是爆破试验危险性大，成本高，不易实施。现在国内外学者通过数值模拟对爆破技术进行研究，并取得不错的进展。该文总结了国内外学者的研究成果，了解国内外爆破技术的研究现状，为隧道施工中的爆破提供一些参考依据。

关键词：隧道;光面爆破;数值模拟

中图分类号：TD235      文献标志码：A

0 引言

在隧道爆破施工时，我国常用的一种施工方法是控制爆破法。但是在目前的隧道施工中，施工单位有时会为了工程进度，盲目加大装药量、开挖进尺等，从而导致隧道开挖时超欠挖的现象特别明显。爆破造成的超欠挖，对于施工速度以及施工成本有不可忽视的影响。超欠挖现象同时还会对工程质量造成影响，使支护厚度不足，从而影响工程质量验收。材料及人员成本也会因超欠挖增加，从而造成工程造价的提高。该文探讨了国内外学者的研究成果，了解国内外爆破技术的研究现状，为工程爆破提供一定的参考。

1 光面爆破研究现状

光面爆破技术在20世纪 50 年代起，便被国外普遍应用，光面爆破技术的构想由伦德鲍尔和兰格费尔斯两位学者最先提出，然后在实验室进行试验，使构想得以验证，随后该技术就被应用在隧道爆破工程实际中，并且取得成功。美国和加拿大紧随其后对光面爆破技术进行了深入研究，进一步应用于更多的岩土工程实际项目中。由于光面爆破技术优势突出，使得爆破后平整度提高，工程成本降低，经济效益良好。从而光面爆破技术被更多国家相继引进，也应用于更多的工程中，如矿山、水电站等。

在岩石中炸药爆炸是高温高压、瞬 时的剧烈膨胀的做功过程，由于对于岩石机理的认识不足以及岩体性质复杂，目前还没有形成完整的岩石爆破作用机理理论。岩石爆破机理包括爆炸产生的应力波与爆生气体分别作用以及两种现象共同作用。分别通过爆破荷载作用原理，理论模型以及岩石在爆破下的破坏准则进行研究，20 世纪 80 年代，美国的 sandia 实验室首先研究了岩石爆破损伤理论，然后损伤力学模型不断在房屋结构、武器装备等各个领域得到大量应用。由于实验室实验步骤复杂，高精度设备研究成本高，数值模拟便成为了一种高效便捷、节约成本的研究手段。自此，国内外学者对岩石爆破机理、岩石损伤理论进行了大量研究，数值模拟也应用广泛，对爆破参数的研究等方面有着重要意义。

2 岩石爆破理论研究现状

Persson 等对岩石进行了爆破现场试验，研究分析爆炸产生的冲击波对脆性材料破碎过程的影响与机理。20世纪70年代，Kutter 和 Fairhurst通过爆破研究认为，爆生气体形成的准静压应力场以及爆炸应力波共同作用对于岩石裂缝扩展起促进作用。QZong对缓冲装药的光面爆破原理进行研究，光面爆破效果得到提高。SK提出了光面爆破的一种数学模型，达到了围岩无损坏的控制爆破效果。Kipp 等人使用 K—G 损伤模型，并用材料的体积分数来定义损伤。基于裂纹扩展和威布尔裂纹分布的概念，确定了裂纹扩展和变化的速度方程。Kuszmau提出了爆炸引起的岩石破坏本构模型，可以计算出爆炸引起的碎石断裂，反映了岩石的脆性断裂。Fakhimi A 及 Lanari M应用数值模拟研究了爆炸产生气体对裂缝扩展的作用，同时研究了应力波的反射拉伸从而使岩石产生裂缝的相关破坏机理。Yang. R 等通过实验，得出应力波产生的叠加、干涉以及反射使孔间裂缝扩展速度发生变化，而且促进裂缝发展。凌伟明等[1]提出一种岩石断裂的力学模型，对预裂爆破以及光面爆破断裂的特征进行了研究，对爆生气体所产生的准静压力在岩石爆破的过程中起到的作用进行了分析，并且对它的断裂机理进行阐述。众多学者对岩石爆破理论进行了深入的研究，并取得了深入的进展，但是岩石爆破理论的研究仍没有到头还需要学者们继续进行研究探讨。

3 隧道爆破数值模拟研究现状

DAI J对光面爆破中使炮孔分离的因素进行了研究，分析了炮眼堵塞质量对炮孔分离产生的影响。Hinzen K G通过爆破振动的测试与分析技术，对小振动的光面爆破技术进行了研究。Pu C通过对岩石分析试验，得出边坡光面爆破中的装药线密度与岩石损伤之间的关系。Yamamoto M采用数值模拟、理论计算与试验的方法， 研究了电子雷管在光面爆破中的使用效果。Wu L应用有限元方法对光面爆破技术进行了研究，使光面爆破技术对复杂的环境更加适应。Liu K Y在实际工程中采用光面爆破技术，进而提出了一种光面爆破参数确定的方法。王辉[2]通过测试分析得到质点振动速度随距离衰减的规律并提出经验公式，应用ANSYS/LS—DYNA 有限元软件建立数值模拟模型，得出路基与开挖平面保持一致时，质点速度衰减缓慢，并且依托安全监测分析，得出装药结构以及炸药单耗等参数的最佳选取方式与取值。张旭[3]研究了存在节理裂隙的隧道施工中，为保证施工安全减少施工灾害的发生，应用 CRD 法施工并对隧道爆破参数进行优化，达到削弱破碎带对于隧道围岩扰动的效果，为今后类似施工情况的安全进行提供参考依据。卢文波[4]对爆炸应力波的衰减、传播以及爆炸生成气体产生的膨胀压力对于裂缝扩展产生的促进作用进行了研究。杨小林、王树仁等人[5]提出采用有效弹性模量的方法建立新的数值模拟模型，研究了填塞与不填塞情况下大理岩的破坏损伤过程。数值模拟对于爆破的研究有着重大的意义，它可以在电脑中模拟出实际的爆破情况，从而对实际爆破提供参考依据。Ma G W 等将Johnson—Holmquis 的材料模型使用到 LS—DYNA 中，研究了岩石爆破过程中节理、加载速率等因素导致的岩石裂缝纹路扩展变化情况。夏祥、李海波等人用 LS—DYNA 软件模拟了岩石爆破过程中裂缝的形成与演化，依据失效准则得出破碎区大小。Zhu Z、Mohanty B 等人应用数值模拟软件建立岩石爆破的数值模拟模型，对炮孔直径、边界条件等隧道爆破参数进行分析，研究其对岩石破坏所产生的影响。Xie L X、Lu W B 等人 在 LS—DYNA 中运用张拉—压剪损伤模型， 建立深埋隧道数值模拟模型研究其损伤演化机理。

魏晨慧、朱万成等设置了不同角度的节理及地应力，研究岩石双孔爆破效果， 得出地应力不利于裂纹的发展，但节理可促进裂纹发展并且存在明显导向作用。陈少辉 对于宽孔距小抵抗线爆破方案分别进行现场实验以及利用有限元软件ANSYS/LS—DYNA 进行数值模拟，验证孔网参数取值的合理性，取得良好的隧道爆破效果。张志呈提出光面爆破炮孔不耦合装药的三种方案，通过对比实验，测量岩石的损伤作用情况，得出护壁光面爆破是对边壁成型最有利的结论。杨仁树对隧道光爆周边孔连续装药以及间隔装药的情况下，发生爆破时压力场的分布情况进行分析，分别找到了这两种装药结构所适用的围岩。满柯根据北山坑探光爆实际工程中研究了合理的光面爆破参数。

徐颖根据爆破成缝机理以及爆破块度的要求，得出最优炮孔密集系数的取值范围，在工程实践中也验证了这一结论。马芹永研究得出光面孔孔距以及光爆层厚度的确定方式和计算方法。彭刚健对理想状态岩石爆破的损伤特征进行了研究，得出光爆计算方法，进而应用到工程实际中。并利用数值模拟分析力学过程以及围岩损伤情况，对爆破的效果进行评价。陈必港研究了空气间隔装药的爆破过程，对最大主应力的云图进行分析，表明孔心线上产生的主应力波是主要引起对围岩损伤的因素。

4 隧道爆破研究意义

由于岩石本身的复杂性，对于超欠挖问题很难进行定量分析，爆破参数仍需根据经验选取。光面爆破技术目前被用来控制隧道开挖质量，光面爆破的特點是周边眼最后起爆，周边眼较少。我国开始应用光面爆破技术以来，在交通建设、隧道、地下工程中进行了大量关于光面爆破的研究工作，积累了丰富经验。但是岩石是非均质各向异性的不连续体，光面爆破机理不成熟，爆破参数还是主要依靠经验公式、工程类比等。施工技术较落后，以至于在现场时常出现超欠挖现象，如果不能得到合理科学的控制， 将会对工程质量以及安全带来不利影响。

隧道爆破质量控制主要针对的问题是隧道开挖断面的超欠挖情况，严格地控制欠挖量，尽量地减少超挖量，保证开挖轮廓平整。与此同时，隧道爆破施工中，炸药爆炸从而产生的应力波以及爆生气体会对原岩的应力平衡造成破坏，改变岩体内部的应力，造成应力重新分布或局部应力集中。如果局部的应力大于原岩应力，则会对岩体内部造成破坏，这种破坏会从岩体内部向周边产生扩展，造成岩体破坏，使周边围岩产生松动，也会对围岩稳定性产生不良影响。那么合理的爆破技术与参数设计就可以有效地减少爆破振动对围岩松动圈产生的影响，可为减少围岩的扰动以及爆破参数的研究提供参考。

5 结语

目前，隧道施工离不开爆破技术，爆破技术的提高对隧道的施工有重要的意义。数值模拟的应用使隧道爆破技术有了突破性的进展，数值模拟不仅提高了爆破的可操作性，同时大大降低了试验成本，使得爆破技术可以飞速发展。未来，人们将广泛应用数值模拟技术，深入解决隧道爆破所造成的的超欠挖问题。

参考文献

[1]凌伟明，杨永琦.爆生气体在光面爆破中得作用[J].煤炭学报，1990，15（1）：74-81.

[2]王辉.轻轨隧道开挖引起的铁路路基与边坡等构筑物爆破地震效应及其控制[D].湘潭：湖南科技大学，2015.

[3]张旭.保康隧道穿越断层破碎带施工控制技术[J].铁道建筑技术，2018（2）：89-92.

[4]卢文波.岩石爆破中应力波的传播及其效应研究[D].武汉：武汉大学，1994.

[5]杨小林，王树仁.岩石爆破损伤数值模拟[J].煤炭学报，2000，25（1）：19-23.

通信作者简介：白亚东（1995-），男，河北张家口人，在读硕士研究生，e-mail：1214361386W@qq.com主要从事隧道洞口方面的研究。