郭東明，劉　康，胡久羨，楊仁樹，袁保森，趙曉娜

( 1．中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京　100083；2．深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京　100083)

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爆生氣體對鄰近硐室背爆側(cè)預(yù)制裂紋影響機(jī)理

郭東明1,2，劉康1，胡久羨1，楊仁樹1,2，袁保森1，趙曉娜1

( 1．中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京100083；2．深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083)

摘要:采用動態(tài)焦散線實(shí)驗(yàn)方法，研究爆炸荷載作用下鄰近硐室背爆側(cè)裂紋擴(kuò)展規(guī)律時(shí)發(fā)現(xiàn)，伴隨爆生氣體釋放出現(xiàn)的弧線型應(yīng)力集中區(qū)是爆生氣體引起的主應(yīng)力差峰值位置，與背爆側(cè)裂紋的擴(kuò)展有較大的關(guān)聯(lián)。實(shí)驗(yàn)研究表明：炸藥爆炸后，產(chǎn)生的應(yīng)力波首先作用于硐室背爆側(cè)裂紋，隨后爆生氣體產(chǎn)生的準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力作用于裂紋，對裂紋的擴(kuò)展起主要作用，而卸載波主要作用于裂紋擴(kuò)展后期，使裂紋出現(xiàn)翹曲現(xiàn)象。當(dāng)弧線型應(yīng)力集中區(qū)接近擴(kuò)展中的裂紋時(shí)，裂紋擴(kuò)展速度達(dá)到峰值，約等于弧線型應(yīng)力集中區(qū)的移動速度，之后，裂紋尖端與弧線型應(yīng)力集中區(qū)的相對距離基本不變，當(dāng)該應(yīng)力集中區(qū)越過裂紋尖端，裂紋擴(kuò)展速度逐漸減小，最終止裂。裂紋尖端動態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子與裂紋擴(kuò)展速度具有相似的變化規(guī)律，峰值動態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子出現(xiàn)在弧線型應(yīng)力集中區(qū)越過裂紋尖端之前。基于該發(fā)現(xiàn)進(jìn)行的研究證實(shí)了爆生氣體對鄰近巷道裂紋擴(kuò)展的主導(dǎo)作用，深化了爆炸荷載對鄰近巷道影響機(jī)理的研究。

關(guān)鍵詞:爆生氣體；鄰近硐室；背爆側(cè)裂紋；擴(kuò)展機(jī)理

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，地鐵隧道工程進(jìn)入蓬勃發(fā)展期。在隧洞開挖中，盡管機(jī)械開挖已取得較大進(jìn)展[1]，但鉆爆法以其成熟技術(shù)及簡便施工仍被廣泛應(yīng)用，而隧道普遍的雙線平行布置使鄰近隧道爆破開挖引起既有隧道擾動損傷[2]。尤其巷道圍巖中存在各種缺陷時(shí)，損傷更加嚴(yán)重，如裂紋相互貫穿，產(chǎn)生局部的剝落，本來擾動較小的鄰近巷道背爆側(cè)裂紋缺陷處出現(xiàn)較大的裂紋擴(kuò)展等，甚至誘發(fā)巖爆[3-5]。

鄰近硐室爆破開挖對既有硐室的影響與爆破破壞參數(shù)關(guān)聯(lián)較大，但由于巖石爆破破壞的瞬時(shí)性，無論采用理論計(jì)算還是試驗(yàn)方法，都難以得到相關(guān)參數(shù)；當(dāng)前，針對巖石爆破破碎機(jī)理提出的3種假說仍有待進(jìn)一步深化[6]。因此，在爆破荷載對鄰近硐室擾動影響的研究中，采用的爆破荷載大多根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測值進(jìn)行了簡化處理。如劉慧[7-8]、吳亮[9-10]、畢繼紅等[11]采用ANSYS軟件，結(jié)合實(shí)測值，將爆破荷載曲線簡化為三角形曲線，并將爆炸荷載以壓力形式均勻分布于孔壁上，模擬鄰近硐室爆破開挖對鄰近隧道的影響，分析硐室質(zhì)點(diǎn)振動速度、加速度和硐室周邊應(yīng)力場。另外，為了便于理論分析，劉殿魁[12]、蓋秉政[13]等基于波動力學(xué)理論，將鄰近硐室爆破對既有硐室的影響假設(shè)為半無限介質(zhì)中爆炸應(yīng)力波在孔洞周邊繞射引起的動應(yīng)力集中，分析了彈性波在孔洞處的繞射問題。

上述的分析將爆炸荷載對鄰近硐室的影響簡化為爆炸應(yīng)力波作用于鄰近硐室，重點(diǎn)分析了鄰近硐室的動態(tài)響應(yīng)。而一些學(xué)者基于爆生氣體和應(yīng)力波綜合作用理論，對爆破破巖機(jī)理進(jìn)行了深入探討。趙新濤[14]采用BCM模型分析了爆生氣體對巖體裂隙擴(kuò)展的影響，并得出炸藥爆炸產(chǎn)生的沖擊波作用形成了孔壁附近的粉碎圈，爆生氣體產(chǎn)生的準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力作用使原有裂隙擴(kuò)展和新裂隙形成。李寧[15]采用動態(tài)接觸界面模型分析了爆生氣體對裂紋擴(kuò)展的驅(qū)動作用，得出爆生氣體主要作用與壓裂過程。褚懷保等[16]通過模擬試驗(yàn)認(rèn)為煤體中的爆破損傷是爆炸沖擊波或應(yīng)力波、爆生氣體和瓦斯氣體綜合作用的結(jié)果。爆炸沖擊波主要作用于近區(qū)，爆生氣體和瓦斯氣體準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力場作用于中遠(yuǎn)區(qū)。

筆者采用新型數(shù)字激光動態(tài)焦散線試驗(yàn)方法[17]，探究爆炸荷載對鄰近硐室影響問題時(shí)發(fā)現(xiàn)，伴隨著炸藥爆炸產(chǎn)生的爆生氣體釋放，出現(xiàn)弧線型的應(yīng)力集中區(qū)，并向鄰近巷道一側(cè)移動，該弧線型集中區(qū)與背爆側(cè)裂紋的擴(kuò)展有較大關(guān)聯(lián)。本文結(jié)合上述現(xiàn)象，基于爆生氣體和應(yīng)力波綜合作用理論，對爆生氣體作用下鄰近硐室背爆側(cè)裂紋缺陷的擴(kuò)展機(jī)理進(jìn)行了分析，進(jìn)一步深化了鄰近硐室爆破開挖對既有硐室影響機(jī)理的研究。

1實(shí)驗(yàn)原理及模型設(shè)計(jì)

1.1實(shí)驗(yàn)原理

新型數(shù)字激光動態(tài)焦散線實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[18]基于動態(tài)焦散線方法，可記錄下爆炸荷載作用下裂紋擴(kuò)展的整個(gè)過程以及擴(kuò)展過程中每一時(shí)刻裂紋尖端產(chǎn)生的焦散斑——裂紋尖端應(yīng)力集中區(qū)域的復(fù)雜變形狀態(tài)通過光學(xué)的幾何映射關(guān)系轉(zhuǎn)換成的陰影光學(xué)圖形，通過焦散斑的直徑測量，可確定每一時(shí)刻裂紋尖端的動態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子。動態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子與裂紋尖端應(yīng)力場大小呈正相關(guān)，反映了裂紋尖端應(yīng)力集中程度的大小，動態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子公式[19]為

(1)

1.2實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)

為了簡化實(shí)驗(yàn)，減小實(shí)驗(yàn)離散度，需要選用均質(zhì)、各向同性材料，以避免材料的非均質(zhì)性和各向異性引起誤差；實(shí)驗(yàn)采用透射式動態(tài)焦散線系統(tǒng)，要求實(shí)驗(yàn)材料高透光率；為了便于觀察實(shí)驗(yàn)，要求材料具有一定塑性，綜上選用有機(jī)玻璃作為模型材料。試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵?guī)格為300 mm×300 mm×5 mm，板中部加工貫穿的直墻拱形孔洞，孔洞下部斷面形狀為40 mm×20 mm的半矩形，上部斷面形狀為半徑20 mm的半圓拱，以此模擬鄰近硐室。在孔洞左邊加工炮孔，炮孔直徑為6 mm，炮孔內(nèi)裝入160 mg疊氮化鉛單質(zhì)炸藥，以此模擬鄰近硐室鉆爆法施工。

通過初步試驗(yàn)探究，確定裂紋相關(guān)參數(shù)，具體如下。裂紋傾角：當(dāng)裂紋傾角為30°時(shí)，裂紋擴(kuò)展位移最大，隨傾角增大或減小，裂紋擴(kuò)展位移均逐漸減小[3]，為了簡化分析，選擇裂紋傾角為水平方向。裂紋的長度：隨預(yù)制裂紋長度增大，裂紋擴(kuò)展位移逐漸增大，當(dāng)裂紋長度大于5 mm后，裂紋擴(kuò)展位移逐漸減小[4]，為了保證實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，便于實(shí)驗(yàn)分析，最終選擇預(yù)制裂紋長度m為5 mm。裂紋顯隱性：隨裂紋與硐室間距增大，裂紋擴(kuò)展逐漸減小，當(dāng)裂紋與硐室間距為5 mm時(shí)，裂紋基本未擴(kuò)展。最終選定裂紋與硐室間距n為4 mm。隨爆源與硐室間距增大，爆炸荷載對鄰近硐室背爆側(cè)裂紋缺陷影響先增大后減小，其中，當(dāng)爆源與硐室間距為45 mm時(shí)，背爆側(cè)裂紋缺陷擴(kuò)展最為明顯。在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，為了防止爆生氣體釋放，在脫脂棉和膠帶密封炮孔的基礎(chǔ)上，用鐵制薄圓柱體夾具夾住炮孔兩側(cè)，并在夾具上加工環(huán)形凹槽，用O型橡皮圈填塞，可盡量保證爆生氣體絕大部分作用于孔壁。圖1為模型示意圖。

圖1　模型加工示意Fig.1　Schematic diagram of model processing

2背爆側(cè)裂紋擴(kuò)展機(jī)理過程分析

圖2是相同條件下模擬爆炸荷載作用下鄰近硐室背爆側(cè)裂紋動態(tài)擴(kuò)展行為的實(shí)驗(yàn)圖片，從圖中可看出，爆炸荷載作用下，鄰近孔洞的破壞形態(tài)基本相同，分為炮孔處的粉碎區(qū)、孔洞迎爆側(cè)的裂紋擴(kuò)展區(qū)、孔洞背爆側(cè)預(yù)制裂紋處的裂紋擴(kuò)展和背爆側(cè)底角位置的裂紋擴(kuò)展。由于圖2(a)和2(b)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有一定的相似性，因此，后續(xù)的分析以圖2(b)對應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行。

圖2　爆炸荷載對鄰近硐室影響實(shí)驗(yàn)最終結(jié)果Fig.2　Final test result of blast load effect on neighboring tunnel

圖3為高速攝影儀采集的爆炸荷載作用下背爆側(cè)裂紋的擴(kuò)展過程圖片，通過系列圖片分析，可清楚地了解裂紋的擴(kuò)展機(jī)理。

當(dāng)炸藥起爆后，沖擊波壓力遠(yuǎn)大于孔壁動抗壓強(qiáng)度，在炮孔周邊形成粉碎區(qū)，衰減后形成的應(yīng)力波向周圍快速傳播，通過30～50 μs的圖片可清晰地看到隨應(yīng)力波傳播出現(xiàn)的環(huán)狀應(yīng)力集中區(qū)，且可看到巷道自由面處應(yīng)力集中區(qū)向背爆側(cè)轉(zhuǎn)移，當(dāng)t=70 μs時(shí)，應(yīng)力波繞射傳播到預(yù)制裂紋處，并作用于裂紋尖端，越過尖端的應(yīng)力波引起沿水平方向的切應(yīng)力，尖端反射的應(yīng)力波引起反射拉伸應(yīng)力[20]，尖端出現(xiàn)應(yīng)力集中，形成奇異區(qū)—焦散斑，但由于未超過動態(tài)斷裂韌度，預(yù)制裂紋未起裂。當(dāng)t=90 μs時(shí)，充滿炮孔的爆生氣體通過粉碎圈釋放，當(dāng)t=130 μs時(shí)，可看到圍繞爆生氣體出現(xiàn)明顯的弧線型的應(yīng)力集中區(qū)，這主要是部分爆生氣體以脈沖荷載形式[15]作用于孔壁，炮孔周邊主應(yīng)力差增大達(dá)到峰值引起。該應(yīng)力集中區(qū)由于脈沖荷載的波動性而逐漸移動，如圖3所示。t=110～150 μs時(shí)，主應(yīng)力差峰值位置接近預(yù)制裂紋，預(yù)制裂紋尖端的焦散斑逐漸變大，當(dāng)t=170 μs時(shí)，裂紋起裂，之后，伴隨著弧線型應(yīng)力集中區(qū)的靠近，裂紋快速擴(kuò)展。當(dāng)t=310 μs時(shí)，弧線型應(yīng)力集中區(qū)追趕上擴(kuò)展中的裂紋，且由于卸載波產(chǎn)生的徑向拉應(yīng)力作用越來越明顯，裂紋向下翹曲。之后，隨著弧線型應(yīng)力集中區(qū)的遠(yuǎn)離，裂紋止裂。上述現(xiàn)象與宗琦[21]、趙新濤等[14]通過理論和數(shù)值分析得到的結(jié)論相同，即炸藥爆炸后，首先作用于巖石的是沖擊波和應(yīng)力波，形成炮孔周圍的粉碎區(qū)和微裂隙區(qū)，隨后,爆生氣體迅速膨脹充滿炮孔并以脈沖荷載形式作用于孔壁。從上述的分析可看出，背爆側(cè)裂紋的擴(kuò)展是爆炸產(chǎn)生的沖擊波、爆生氣體形成的準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力場和卸載波綜合作用的結(jié)果。爆炸應(yīng)力波主要作用于背爆側(cè)裂紋擴(kuò)展前，爆生氣體作用于裂紋擴(kuò)展的全過程，對背爆側(cè)裂紋的擴(kuò)展起主要作用，而卸載波主要作用于裂紋擴(kuò)展后期，使裂紋擴(kuò)展方向發(fā)生偏離，出現(xiàn)翹曲現(xiàn)象[22]。

3爆生氣體作用下背爆側(cè)裂紋擴(kuò)展機(jī)理分析

3.1裂紋擴(kuò)展機(jī)理運(yùn)動學(xué)分析

圖3　爆炸荷載作用于鄰近巷道Fig.3　Explosion loads acting on the adjacent tunnels

圖4　裂紋尖端與弧線型應(yīng)力集中區(qū)相對距離及其速度隨時(shí)間變化曲線Fig.4　Relative distance between crack tip and arc type stress concentration region and velocity changing curve with time

圖4中縱坐標(biāo)D表示擴(kuò)展中裂紋尖端與弧線型應(yīng)力集中區(qū)的相對距離，當(dāng)弧線型應(yīng)力集中區(qū)位于裂紋左端時(shí)，相對距離為負(fù)，反之，為正。裂紋擴(kuò)展速度和弧線型應(yīng)力集中區(qū)傳播速度均通過測量高速攝影機(jī)拍攝間隔圖片的位置差除以間隔時(shí)間獲得。從圖4可看出，爆生氣體形成的弧線型應(yīng)力集中區(qū)的移動速度在300 m/s上下振蕩性的變化，準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力作用以相對穩(wěn)定的波動形態(tài)向周邊傳播，并在應(yīng)力波之后作用于裂紋尖端，在150 μs左右時(shí)，裂紋起裂，弧線型應(yīng)力集中區(qū)移動速度出現(xiàn)短暫減小后又恢復(fù)原波動狀態(tài)，而裂紋擴(kuò)展速度逐漸增大，裂紋尖端與弧線型應(yīng)力集中區(qū)的相對距離逐漸減小，在200～250 μs之間時(shí)，相對距離穩(wěn)定，約為1 cm，裂紋擴(kuò)展速度與弧線型應(yīng)力集中區(qū)移動速度基本相同。在該階段，弧線型應(yīng)力集中區(qū)整體移動速度相對其它時(shí)間段明顯降低，在250 μs后，裂紋擴(kuò)展速度振蕩性的減小，在裂紋快速擴(kuò)展過程中，裂紋的擴(kuò)展速度約等于弧線型應(yīng)力集中區(qū)移動速度。

綜上，裂紋的最大擴(kuò)展速度發(fā)生在弧線型應(yīng)力集中區(qū)越過擴(kuò)展中的裂紋尖端之前，且伴隨著弧線型應(yīng)力集中區(qū)移動速度的略微減弱，當(dāng)弧線型應(yīng)力集中區(qū)接近擴(kuò)展中的裂紋尖端時(shí)，達(dá)到峰值的裂紋擴(kuò)展速度約等于弧線型應(yīng)力集中區(qū)的傳播速度，弧線型應(yīng)力集中區(qū)與裂紋尖端相對距離基本不變，在該時(shí)間段內(nèi)，裂紋擴(kuò)展速度表現(xiàn)為在峰值上下振蕩性變化。

3.2裂紋擴(kuò)展機(jī)理力學(xué)分析

從圖5可看出，當(dāng)t=50 μs左右時(shí)，預(yù)制裂紋右尖端動態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子從零開始快速增加，說明此時(shí)，應(yīng)力波開始作用于預(yù)制裂紋，當(dāng)t=100 μs左右時(shí)，動態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子達(dá)到第1個(gè)峰值，超過動態(tài)斷裂韌度，裂紋有略微的擴(kuò)展，之后，動態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子開始減小，說明此時(shí)應(yīng)力波的作用逐漸減小。但當(dāng)t=130 μs左右時(shí)，由于爆生氣體產(chǎn)生的弧線型應(yīng)力集中區(qū)逐漸接近預(yù)制裂紋，弧線型應(yīng)力集中區(qū)對硐室產(chǎn)生的強(qiáng)拉伸應(yīng)力在硐室背爆側(cè)產(chǎn)生強(qiáng)拉應(yīng)力場，作用于預(yù)制裂紋，并伴隨著弧線型應(yīng)力集中區(qū)的接近，強(qiáng)拉應(yīng)力場逐漸增加，最終導(dǎo)致裂紋尖端動態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子快速增加，當(dāng)t=170 μs左右時(shí)，動態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子出現(xiàn)短暫的平穩(wěn)后快速增加，裂紋起裂，當(dāng)t=200 μs時(shí)，動態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子達(dá)到峰值1.68 MN/m3/2，之后，裂紋尖端與弧線型應(yīng)力集中區(qū)的相對距離維持不變，此時(shí)，裂紋擴(kuò)展速度與弧線型應(yīng)力集中區(qū)擴(kuò)展速度相同，當(dāng)t=250 μs左右時(shí)，峰值上下振蕩變化的動態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子開始減小，此時(shí)，裂紋尖端與弧線型應(yīng)力集中區(qū)的相對距離開始減小，說明此時(shí)裂紋擴(kuò)展速度相對弧線型應(yīng)力集中區(qū)傳播速度較小，當(dāng)t=300 μs左右時(shí)，弧線型應(yīng)力集中區(qū)追趕上擴(kuò)展中的裂紋，此時(shí)，動態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子開始振蕩性的變化，維持一段時(shí)間后，開始快速減小，裂紋止裂。

圖5　相對距離D和裂紋尖端動態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子隨時(shí)間變化曲線Fig.5　Relative distance D and the dynamics stress intensity factor of the crack tip changing curve with time

圖6　相對距離D與裂紋尖端動態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子關(guān)系曲線Fig.6　Relationship curve between the relative distance D and dynamic stress intensity factor of crack tip

為了更加清晰地分析弧線型應(yīng)力集中區(qū)與擴(kuò)展中裂紋的相對距離和動態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子的關(guān)系，繪制了裂紋尖端動態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子隨相對距離變化的曲線，如圖6所示。從曲線中可看到，當(dāng)D=-1.7 cm左右時(shí)，裂紋尖端的動態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子開始增加，相對距離在-1.15 cm時(shí)，動態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子達(dá)到最大值1.68 MN/m3/2，說明此時(shí)應(yīng)力最為集中，裂紋受拉應(yīng)力最大，之后由于慣性效應(yīng)，裂紋快速擴(kuò)展，而導(dǎo)致動態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子逐漸減小，當(dāng)D=0左右時(shí)，裂紋接近止裂，動態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子開始振蕩性的減小。

從上述分析可看出，導(dǎo)致預(yù)制裂紋起裂的主要原因是爆生氣體產(chǎn)生的準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力場的作用，且裂紋的最大擴(kuò)展速度發(fā)生在弧線型應(yīng)力集中區(qū)接近擴(kuò)展中的裂紋尖端，此時(shí)裂紋的擴(kuò)展速度約等于弧線型應(yīng)力集中區(qū)的傳播速度，動態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子始終維持在峰值左右振蕩性的變化，持續(xù)一段時(shí)間后，裂紋擴(kuò)展速度減弱，當(dāng)弧線型應(yīng)力集中區(qū)越過擴(kuò)展中的裂紋后，裂紋逐漸止裂。

4結(jié)論

(1)爆炸荷載作用下鄰近硐室背爆側(cè)裂紋的擴(kuò)展是爆炸應(yīng)力波、爆生氣體產(chǎn)生的準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力場和卸載波綜合作用的結(jié)果，其中爆生氣體產(chǎn)生的準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力場對裂紋的擴(kuò)展起主要作用。

(2)當(dāng)弧線型應(yīng)力集中區(qū)接近擴(kuò)展中的裂紋尖端時(shí)，達(dá)到峰值的裂紋擴(kuò)展速度約等于弧線型應(yīng)力集中區(qū)的傳播速度，弧線型應(yīng)力集中區(qū)與裂紋尖端相對距離基本不變，在該時(shí)間段內(nèi)，裂紋擴(kuò)展速度表現(xiàn)為在峰值上下振蕩性變化。

(3)爆生氣體產(chǎn)生的準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力主要作用在其產(chǎn)生的弧線型應(yīng)力集中區(qū)追趕上擴(kuò)展裂紋之前，表現(xiàn)為動態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子達(dá)到峰值，并在峰值上下振蕩性變化，當(dāng)弧線型應(yīng)力集中區(qū)越過裂紋尖端時(shí)，動態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子逐漸減小，裂紋止裂。

參考文獻(xiàn):

[1]Wang Jinhua.Development and prospect on fully mechanized mining in Chinese coal mines[J].Int.J.Coal Sci.Technol.,2014,1(3):253-260.

[2]李寧,顧強(qiáng)康,張承客.相鄰洞室爆破施工對已有洞室的影響[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2009,28(1):31-38.

Li Ning,Gu Qiangkang,Zhang Chengke.Influence of blasting on excavation of a new tunnel adjacent to existing tunnel[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2009,28(1):31-38.

[3]郭東明,劉康,楊仁樹,等.爆破對鄰近巷道背爆側(cè)傾斜裂紋影響實(shí)驗(yàn)研究[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào),2015,32(1):99-104.

Guo Dongming,Liu Kang,Yan Renshu,et al.Experimental research on the influence of blasting on the inclined crack in the back-blasting side of nearby roadway[J].Journal of Mining & Safety Engineering,2015,32(1):99-104.

[4]郭東明,劉康,楊仁樹,等.爆炸荷載對鄰近巷道背爆側(cè)裂紋的影響規(guī)律[J].煤炭學(xué)報(bào),2014,39(12):2355-2361.

Guo Dongming,Liu Kang,Yan Renshu,et al.Effects of blast load on crack in back-blast side of adjacent tunnel[J].Journal of China Coal Society,2014,39(12):2355-2361.

[5]Dou Linming,Mu Zonglong,Li Zhenlei,et al.Research progress of monitoring,forecasting,and prevention of rockburst in underground coal mining in China[J].Int.J.Coal Sci.Technol.,2014,1(3):278-288.

[6]高爾新,楊仁樹.爆破工程[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,1999:120-125.

[7]劉慧.鄰近爆破對隧道影響的研究進(jìn)展[J].爆破,1999,16(1):57-63.

Liu Hui.The research progress of adjacent blasting effect on tunnel[J].Journal of Blasting,1999,16(1):57-63.

[8]劉慧.近距側(cè)爆情況下馬蹄形隧道動態(tài)響應(yīng)特點(diǎn)的研究[J].爆炸與沖擊,2000,20(2):175-181.

[9]吳亮,鐘冬望.不同布置條件下鄰近隧道掘進(jìn)爆破對既有隧道的影響[J].煤炭學(xué)報(bào),2009,34(10):1339-1343.

Wu Liang,Zhong Dongwang.Effect of tunneling blasting on the existing adjacent tunnel under different conditions[J].Journal of China Coal Socity,2009,34(10):1339-1343.

[10]鐘冬望,吳亮,余剛.鄰近隧道掘進(jìn)爆破對既有隧道的影響[J].爆炸與沖擊,2010,30(5):456-462.

[11]畢繼紅,鐘建輝.鄰近隧道爆破震動對既有隧道影響的研究[J].工程爆破,2004,10(4):69-73.

Bi Jihong,Zhong Jianhui.The research about the effect of the adjacent tunnel blasting shaking on the tunnel[J].Journal of Engineering Blasting,2004,10(4):69-73.

[12]蓋秉政.論彈性波繞射與動應(yīng)力集中問題[J].力學(xué)進(jìn)展,1987,17(4):447-465.

Gai Bingzheng.The discuss of elastic wave diffraction and dynamic stress concentration problem[J].Journal of Mechanics,1987,17(4):447-465.

[13]劉殿魁,蓋秉政,陶貴源.論孔附近的動應(yīng)力集中[J].地震工程與工程振動,1980,試刊(1):97-109.

Liu Diankui,Gai Bingzheng,Tao Guiyuan.The dynamic stress concentrations thoery near the hole[J].Earthquake Engineering and Engineering Vibration,1980,test issue(1):97-109.

[14]趙新濤,劉東燕,程貴海.爆生氣體作用機(jī)理及巖體裂紋擴(kuò)展分析[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào),2011,34(6):75-80.

Zhao Xintao,Liu Dongyan,Cheng Guihai.Analysis of blasting gas mechanism and rock crack growth[J].Journal of Chongqing University,2011,34(6):75-80.

[15]李寧,陳莉靜,張平.爆生氣體驅(qū)動巖石裂縫動態(tài)擴(kuò)展分析[J].巖土工程學(xué)報(bào),2006,28(4):460-463.

Li Ning,Chen Lijing,Chen Ping.Dynamic analysis for fracturing progress by detonation gas[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2006,28(4):460-463.

[16]褚懷保,楊小林,梁為民.煤體爆破作用機(jī)理模擬試驗(yàn)研究[J].煤炭學(xué)報(bào),2011,36(9)：1451-1456.

Chu Huaibao,Yang Xiaolin,Liang Weimin.Simulation experimental study on the coal blast mechanism[J].Journal of China Coal Socity,2011,36(9)：1451-1456.

[17]楊仁樹,桂來保.焦散線方法及應(yīng)用[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,1997.

[18]楊仁樹,楊立云,岳中文,等.數(shù)字激光動態(tài)焦散線實(shí)驗(yàn)方法和系統(tǒng)[P].中國專利,201110366309.92012-07-04.

Yang Renshu,Yang Liyun,Yue Zhongwen,et al.Digital laser dynamic caustics method and system[P].China Patent,201110366309.9.2012-07-04.

[19]楊仁樹,王雁冰.切縫藥包不耦合裝藥爆破爆生裂紋動態(tài)斷裂效應(yīng)的試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2013,32(7)：1337-1343.

Yang Renshu，Wang Yanbing.Experimental study on dynamic fracture effect of blasting crack in slotted cartridge decoupling charge blasting[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2013,32(7)：1337-1343.

[20]胡榮,朱哲明,胡哲源,等.爆炸動載荷下裂紋擴(kuò)展規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2013,32(7):1477-1481.

Hu Rong,Zhu Zheming,Hu Zheyuan,et al.Experimental study of regularity of crack propagation under blasting dynamic loads[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2013,32(7):1477-1481.

[21]宗琦.爆生氣體的準(zhǔn)靜態(tài)破巖特性[J].巖土力學(xué),1997,18(2):73-78.

Zong Qi.Investigation on features of rock quasi-static fragmentation by gaseous explosion product[J].Rock and Soil Mechanics,1997,18(2):73-78.

[22]穆朝民,齊娟.含瓦斯煤在爆炸荷載作用下的力學(xué)特性[J].煤炭學(xué)報(bào),2012,37(2):268-273.

Mu Chaomin,Qi Juan.Mechanical characteristics of gas-filled coal under blasting load[J].Journal of China Coal Society,2012,37(2):268-273.

Experimental study on the effect mechanism of the explosion gas on the precrack in the back-blasting of adjacent tunnel

GUO Dong-ming1,2,LIU Kang1,HU Jiu-xian1,YANG Ren-shu1,2,YUAN Bao-sen1,ZHAO Xiao-na1

(1.SchoolofMechanic&CivilEngineering,ChinaUniversityofMining&Technology(Beijing),Beijing100083,China;2.StateKeyLaboratoryofGeomechanicsandDeepUndergroundEngineering,Beijing100083,China)

Abstract:During the research about crack extension rule at the back-side of adjacent tunnel under the action of blasting load adopting the dynamic caustics experimental method,a relationship exists between the crack extension in back-side of tunnel to blasting and arc type stress concentration region which appears with the release of detonation gas.Study shows that after the explosion,the explosion stress wave acts on the crack in the back-side of tunnel firstly,then the quasi-static stress field produced by detonation gas acts on the crack,which plays a main role on the propagation of the crack.Finally,unloading wave acts on crack,and the crack warps.When the arc type stress concentration region moves near the tip of propagation crack,the crack extension velocity reaches to maximum,which equals to the velocity of wave front.Later the relative distance between the crack tip and arc type stress concentration region doesn’t change basically.When the arc type stress concentration region extends cross the crack tip,the extension velocity gradually decreases,finally,the crack arrest.Similar changing rule happens on the dynamic stress intensity factor.Dynamic stress intensity factor reaches peak before the arc type stress concentration region runs across the crack tip.Research based on the findings confirms that the detonation gas plays a dominant role to the crack propagation in adjacent tunnel.The researches enable a better understanding on the impact mechanism of explosion load on neighboring tunnel.

Key words:detonation gas;adjacent tunnel;crack in back-side blasting;extension mechanism

中圖分類號:TD235

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號:0253-9993(2016)01-0265-06

作者簡介:郭東明(1974—)，男，江西新余人，副教授，博士生導(dǎo)師。E-mail：dmguocumtb@126.com

基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51274204，51134025)；教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃資助項(xiàng)目(NCET-12-0965)

收稿日期:2015-08-26修回日期:2015-11-23責(zé)任編輯:常琛

郭東明，劉康，胡久羨，等.爆生氣體對鄰近硐室背爆側(cè)預(yù)制裂紋影響機(jī)理[J].煤炭學(xué)報(bào),2016,41(1):265-270.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2015.1249

Guo Dongming,Liu Kang,Hu Jiuxian,et al.Experimental study on the effect mechanism of the explosion gas on the precrack in the back-blasting of adjacent tunnel[J].Journal of China Coal Society,2016,41(1):265-270.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2015.1249