静态胀裂破岩ANSYS数值模拟分析

翟新新

【摘要】本文以北京地铁16号线08标肖西段L1竖井至L2竖井硬岩段隧道为工程案例，提出适宜于城市复杂硬岩条件下地铁隧道施工的新工艺——静态胀裂成巷掘进新技术;建立隧道掘进实体模型，ANSYS模拟反演静态胀裂裂缝的产生、扩展、贯通过程，分析其成缝规律，为静态胀裂成巷技术的应用提供科学依据。

【关键词】静态胀裂;ANSYS模拟;成缝规律

1、引言

静态胀裂技术作为一种新的破碎或切割成缝技术，与传统的钻孔爆破技术相比，具有无震动、无噪音、无飞石及无爆破污染等技术优点，最早应用于石材荒料开采领域，并在环保要求较高的混凝土拆除工程中应用。

国内外学者对静态胀裂成缝机理和技术主要有：何开明[1]在石材开采中应用了静态劈裂技术的楔裂技术，提出了应力孔加复合楔为最佳的楔裂方法;贾海军[3]针对传统矿山事故现场所遇到的煤块爆破所存在的安全问题，提出了一种携带方便的手动液压裂石器设计思路;田立忠教授[4]以开采石材中主要运用的劈裂法为研究对象，把岩石的断裂成缝过程分为4个阶段，建立了各阶段的楔裂受力模型并给出了劈裂过程中的受力表达式。本文以北京地铁16号楼08标肖西段L1竖井至L2竖井硬岩地质地段隧道为工程背景，提出坚硬岩质条件下静态胀裂巷道掘进技术，建立力学和数值模拟模型分析静态液压裂石器成缝机理。

2、液压裂石器静态胀裂机理理论分析

2.1 液压裂石器介绍

液压裂石器由油压泵（又称动力泵站）、柱式膨胀管、分压阀和连接附件构成，其核心部件是柱式膨胀管（分离器），由传载结构和膨胀管外壳组成。传载结构与传动油压泵站相连，膨胀管与钻孔周边孔无角度地接触，膨胀管为两瓣，向相反方向运动。

2.2 静态胀裂技术机理

岩石系硬脆材料，具有抗压怕拉的特性，其抗拉強度为抗压强度的1/8～1/10，裂石器正是利用了岩石的这种特性。裂石器工作时，传载结构将膨胀管向两边胀开，膨胀管外壳与孔壁充分无角度接触，膨胀管的全部压力都通过炮孔内壁的二个相反相方向作用于岩石，在膨胀管不断膨胀对孔壁施压的过程中，钻孔内壁切向方向产生拉应力并伴随随机微小裂纹，并积聚巨大的能量，考虑均质岩体，则裂缝会向应力聚集区扩展，而能量也会向薄弱部位释放，随着钻孔围岩受拉区域增加，相邻钻孔产生拉应力叠加现象，钻孔轴心线上产生拉应力集中。而两瓣膨胀管向相反方向运动又进一步集中于垂直于膨胀管壳体运动方向的孔壁二侧，相邻钻孔间的集中拉应力最先达到岩石的抗拉强度而轴心向裂纹不断扩展，待能量聚集到极限程度，相邻钻孔瞬间形成贯通裂缝，能量释放，实现岩体完整分割。

3、静态胀裂数值模拟分析

3.1模型建立

上台阶的高度和宽度按实际尺寸3.2m×6.3m。对实体模型采用Sweep体扫掠网格划分方法，尺寸控制为7cm，以避免由于单元尺寸过小带来的应力集中问题。

3.2加载与求解

对实体模型XOZ面和外围弧形边界面均施加xyz三个方向的位移约束。施加荷载过程中，孔壁压力从零值开始增加，当到达时间t1=2.5s时，压力保持为恒定值50MPa，直至时间t2=3s时卸载。

3.3模拟结果分析

施加分布荷载后，对实体模型进行计算，得到模型的位移矢量和云图，选取代表性的时间点，记录其裂缝扩展情况，分析静态胀裂成缝规律。

ANSYS模拟结果表明：在t1=0.42s之前，岩石处于弹性和塑性变形阶段，岩石内部产生的拉应力不足产生裂缝。在t1=0.42s时孔周边开始出现裂纹，裂纹方向在相邻孔的连线上;在t1=0.42s～t2=0.42375s之间，裂缝在胀裂孔的连线上迅速贯通，并在最初产生裂缝的节点上出现第二条和第三条裂纹;t2=0.42375s时，右侧胀裂孔上开始产生裂缝，裂缝方向在胀裂孔的连线上，并有向掏槽孔的右自由面发展的趋势;在t2=0.42375s～t3=0.66s之间，掏槽孔上方节点位移逐渐增大，裂缝贯通至掏槽孔的上自由面;在t3=0.66s～t4=1.0013s时间段内，随着施加荷载的逐渐增大，胀裂孔连线上的裂缝数量显著增多，左右两端的胀裂孔周边的裂缝均有继续向外延伸的趋势，与此同时上侧与右侧的裂缝连接贯通;在t4=1.0013s～t6=2.0025s内，右侧产生大量裂缝，向掏槽孔的右自由面发展，部分裂缝延伸至右自由面。此时由于实体模型上形成的裂缝过多，节点应力大部分被释放;到时间点t7=2.5013s时，在掏槽孔左右两边的自由面与上自由面的交界处，裂缝密集，形成较大面积的破碎，最开始产生的裂缝上出现多条分叉裂缝，即“第二条”、“第三条”裂缝。在t7=2.5013s～t8=3.0s内，对胀裂孔施加的压力保持不变，在这一时间段内岩石内部第一主应力和节点位移处于稳定状态，几乎不发生变化，同时裂缝停止延伸。

综上，岩石在胀裂压力不断增大的作用下，形成拉应力场叠加区和位移场叠加区，经过短暂的弹塑性阶段，在胀裂孔的连线上开始发生裂缝。随着荷载的增加，裂缝大量增多，直到在接近两自由面交界处的应力场叠加区域产生大面积的破碎。

4、工程应用

北京地铁16号线08标肖西段全长2424.1 m，其中L1竖井至L2竖井之间为硬岩段，单线长118.2 m，硬岩段隧道断面尺寸为：高6.4m，宽6.3m，长83m。本工程的硬岩段以中风化砂岩为主，岩石坚硬，完整性良好，饱和极限抗压强度为100.70 Mpa，不适宜盾构法施工，原计划的掘进方案是钻爆法施工，但周边环境复杂：坚硬岩层段隧道周围地下管线交错复杂，有排污管、给排水管、及地下天然气管线，最近距离约14m;隧道地表周围建筑主要有中央党校研究生楼（距离65m）、和顺达汽修店（28m）、西苑北桥（13m）;隧道地表交通复杂，穿过圆明园西路，并与颐和园路交叉，交通问题严峻。采用静态胀裂成巷技术进行掘进施工，结合爆破掏槽形成自由面，对静态胀裂新技术进行安全评估分析，分析结论如下：

（1）参考已有爆破震动安全评判标准，利用萨氏公式，通过计算隧道周边建筑中央党校研究生楼质点振动速度来评估震源对质点的震动效应影响，分析结果表明，与传统钻爆全断面掘进施工相比，胀裂成巷技术掏槽爆破产生的震动效应，中央党校研究生楼震动速度由0.11cm/s降至0.054cm/s，震动效应显著降低。

（2）采用经验公式对隧道距爆源14m位置处质点空气冲击效应进行计算对比，计算结果表明，胀裂技术掏槽爆破产生的空气超压值由2771.9Mpa降低至1462.2Mpa。

（3）利用Lundborg统计公式，综合考虑炸药单耗量，计算结果表明，静态胀裂掏槽爆破飞石距离由53.2m降低至26.6m。

结论：

本文基于岩石抗压怕拉的特性，建立了静态胀裂破岩受力模型，数值模拟反演静态胀裂成缝机理，岩石在胀裂压力不断增大的作用下，形成拉应力场叠加区和位移场叠加区，经过短暂的弹塑性阶段，在胀裂孔的连线上开始发生裂缝，随着荷载的增加，裂缝大量增多，直到在接近两自由面交界处的应力场叠加区域产生大面积的破碎。工程应用表明，静态胀裂新技术仅需要少量炸药进行掏槽爆破，震动效应、冲击危害、爆破噪音、飞石等危害显著降低，更适宜于城市复杂硬岩地下环境隧道掘进施工。

参考文献：

[1]何开明.石材楔裂机理的探讨[J].福建建材，2001（1）：28-31.

[2]贾海军，海莹，唐述明，等.气动便携式矿山救援裂石机的设计[J].矿山安全和环保，2012，39（6）：40-43.

[3]田立忠，刘永富.人工劈裂法石材开采的断裂机理探讨[J].金属矿山，2007，8：74-78.