趙程鵬，商武鋒，許小泉，洪志先

(1.中國鐵建港航局集團(tuán)有限公司，廣東 珠海 519070；2.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，長沙 410083)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，為滿足城市居民的主要生活需求，兼具美化城市與節(jié)約空間等功能的城市地下綜合管廊工程正在大力興建。而炸藥爆破法作為一種高效低成本的方式被廣泛運(yùn)用于巖體開挖中[1]，但同時(shí)傳統(tǒng)炸藥爆破會(huì)產(chǎn)生一定量的有毒有害氣體，引起強(qiáng)烈爆破振動(dòng)和爆破飛石，在城市復(fù)雜工況條件下適用性較差。屬于物理爆破的新型液態(tài)CO2相變致裂技術(shù)在巖石破碎過程不僅能杜絕有毒有害氣體產(chǎn)生，最大程度地減少爆破粉塵污染，還能有效降低對(duì)相鄰建(構(gòu))筑物的振動(dòng)影響[2]。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)炸藥爆破孔間距參數(shù)優(yōu)化進(jìn)行了大量研究[3-7]，但是對(duì)研究液態(tài)CO2相變致裂技術(shù)在臺(tái)階開挖中的孔間距的相關(guān)文獻(xiàn)較少，而合理孔間距對(duì)巖體的破碎效果具有重要影響，因此有必要對(duì)液態(tài)CO2相變開挖巖體孔間距參數(shù)進(jìn)行研究。

近年來，相關(guān)學(xué)者對(duì)液態(tài)CO2爆破技術(shù)進(jìn)行了大量研究[8-9]，并成功將其運(yùn)用在煤層致裂增透、工業(yè)清堵和巖石臺(tái)階開挖等工程中。張東明等[10]建立了液態(tài)CO2相變氣體射流壓力模型，并理論分析了液態(tài)CO2相變致裂巖體力學(xué)機(jī)理，現(xiàn)場(chǎng)使用結(jié)果表明該技術(shù)可有效提高低滲煤層瓦斯抽采效率。柯波等[11]對(duì)液態(tài)CO2爆破系統(tǒng)地震波時(shí)頻特性進(jìn)行了研究，并指出液態(tài)CO2爆破地震波衰減速度快，振動(dòng)速度幅值低?；谛〔ò儞Q分析振動(dòng)信號(hào)能量分布規(guī)律后，陳冠等[12]發(fā)現(xiàn)液態(tài)CO2相變破巖振動(dòng)信號(hào)的主振頻帶與振動(dòng)信號(hào)方向及傳播距離相關(guān)性較小。

目前炮孔間距的確定主要以經(jīng)驗(yàn)公式為主，缺乏一定的理論支撐。Zhao J等[13]研究了距離炮孔不同位置、不同方向的節(jié)理面對(duì)爆生裂紋擴(kuò)展方向的影響。李洪偉等[6]基于LS-DYNA數(shù)值模擬方法研究了不同炮孔間距對(duì)巖石爆炸裂紋擴(kuò)展的影響。為提高液態(tài)CO2相變致裂技術(shù)在低透氣煤層當(dāng)中的增效果，張柏林等[14]基于COMSOL對(duì)布孔參數(shù)進(jìn)行了數(shù)值模擬優(yōu)化，并確定了孔間距為6 m時(shí)能取得最強(qiáng)煤層增透效果。朱必勇等[15]同樣基于數(shù)值模擬技術(shù)優(yōu)化了預(yù)裂爆破孔間距以及不耦合系數(shù)參數(shù)。劉志剛等[16]運(yùn)用數(shù)值模擬方法進(jìn)行巷道側(cè)幫深孔爆破正交試驗(yàn)研究，確定了煤巷幫部卸壓最優(yōu)爆破孔間距、爆破孔直徑和爆破孔深度等爆破參數(shù)。從以上研究成果中可以發(fā)現(xiàn)，有關(guān)液態(tài)CO2相變致裂技術(shù)的研究都主要是針對(duì)它對(duì)在煤層增透、瓦斯抽采及其振動(dòng)信號(hào)分析而展開的，鮮有文獻(xiàn)對(duì)液態(tài)CO2相變致裂管在基坑臺(tái)階開挖中的合理孔間距進(jìn)行研究。

液態(tài)CO2相變致裂巖土體基本原理為致裂管中的液態(tài)CO2在快速加熱條件下迅速氣化膨脹，致裂管內(nèi)壓力急驟升高，當(dāng)壓力到達(dá)閾值時(shí)容器內(nèi)高壓氣體突然釋放，對(duì)炮孔周圍巖石產(chǎn)生瞬態(tài)強(qiáng)沖擊作用，并在巖體中產(chǎn)生應(yīng)力波作用。在應(yīng)力波作用下，巖石中產(chǎn)生徑向與環(huán)向裂隙。自由面反射拉伸應(yīng)力會(huì)使徑向裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展。與此同時(shí)，膨脹氣體產(chǎn)生膨脹、擠壓和“氣楔”作用，使裂隙擴(kuò)展、貫通形成巖塊，并使巖石脫離母巖石，產(chǎn)生拋擲，液態(tài)CO2致裂管結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 液態(tài)CO2致裂管結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of liquid CO2 fracturing tube

基于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值模擬技術(shù)，首先對(duì)液態(tài)CO2致裂器單孔致裂巖體的性能進(jìn)行研究分析，然后基于試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)一步對(duì)不同孔間距的雙孔爆破進(jìn)行數(shù)值分析，以確定雙孔爆破最優(yōu)孔間距。為保證73型液態(tài)CO2致裂器的巖體開挖爆破效果以及取得良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)環(huán)境效益提供理論支撐。

1 工程背景

開挖工程為隨州市城南新區(qū)繞城南路的城市綜合管廊基坑，管廊周圍環(huán)境如圖2a所示。線性布置的管廊基坑全長4.15 km，基坑內(nèi)納入了給水、電力、通信、燃?xì)?種管線，管廊基坑平面如圖2b所示。綜合管廊周邊有一巖體較為破碎的巖質(zhì)邊坡，巖性主要為強(qiáng)～中風(fēng)化云母片巖為主，巖體內(nèi)發(fā)育有多組構(gòu)造裂隙，穩(wěn)定性較差(見圖2c)。開挖基坑所處地層以黏土、強(qiáng)風(fēng)化云母片巖、中風(fēng)化云母片巖和花崗巖為主。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查，繞城南路K0+000～K0+240和K3+000～K3+380段與在建西氣東輸管線交叉，工程施工時(shí)存在一定相互干擾。

圖2 管廊基坑基本情況Fig.2 Basic situations of pipe gallery foundation pit

因此為確保天然氣線路和基坑內(nèi)人員設(shè)備的安全，保證石方開挖無根底，無開挖引起的工程地質(zhì)災(zāi)害隱患，同時(shí)滿足巖石塊度小且均勻、石堆集中，便于裝運(yùn)的要求，施工方?jīng)Q定采用新型液態(tài)CO2相變致裂技術(shù)進(jìn)行管廊基坑巖石的開挖。

2 致裂管性能測(cè)試

基于液態(tài)CO2相變致裂技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，在隨州市綜合管廊的開挖過程中擬采用73型CO2致裂器進(jìn)行基坑巖石開挖，該套液態(tài)CO2相變致裂系統(tǒng)主要組件有液態(tài)CO2儲(chǔ)氣罐、充裝機(jī)、膨脹管、充氣平臺(tái)、裝管器以及旋緊器。73型CO2致裂器主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 73型CO2致裂管參數(shù)Table 1 Parameters of type 73 CO2 fracturing tube

在實(shí)際施工過程中將管廊基坑全斷面設(shè)計(jì)為一個(gè)臺(tái)階面，采用單排布孔樣式。為滿足爆破施工3大要求：安全、巖石破碎效果好、成本低。在進(jìn)行施工之前選取理想地點(diǎn)進(jìn)行73型CO2致裂器破碎巖石的性能測(cè)試。采用潛孔鉆機(jī)鉆鑿一個(gè)直徑90 mm，孔深1.3 m的鉆孔，然后將直徑73 mm的致裂管裝入炮孔內(nèi)，炮孔上部使用粒徑約為5 mm的碎石和沙土進(jìn)行填塞并用沙袋覆蓋在孔口處，起爆電線用石塊綁住以防填塞過程中掉入炮孔內(nèi)。由于現(xiàn)場(chǎng)不確定因素較多，為盡量減小試驗(yàn)誤差，在試驗(yàn)過程中對(duì)充滿CO2的致裂管電阻進(jìn)行嚴(yán)格測(cè)量，保證電阻值正常能順利起爆。為防止致裂管沖孔，致裂器與炮孔之間的間隙進(jìn)行嚴(yán)密填塞并用振動(dòng)搗實(shí)機(jī)搗實(shí)。

由73型CO2致裂器致裂效果(見圖3)可知試驗(yàn)后巖體內(nèi)未出現(xiàn)明顯的壓碎區(qū)，大部分的能量用于巖石的破裂，炮孔周邊被爆巖體從母巖中分離開來，由于試驗(yàn)炮孔只存在一個(gè)自由面，巖體在液態(tài)CO2相變作用下的破裂塊度相對(duì)較大。炮孔周邊產(chǎn)生了大量裂紋，最大裂紋長0.92 m，最小裂紋長0.27 m?，F(xiàn)場(chǎng)采用NUBOX-8016智能爆破測(cè)振儀進(jìn)行爆破振動(dòng)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明巖體質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度較小，且振動(dòng)持續(xù)時(shí)間短，應(yīng)力波衰減較快。同時(shí)由現(xiàn)場(chǎng)圖片可以發(fā)現(xiàn)，爆破現(xiàn)場(chǎng)只有少量的揚(yáng)塵，且無有毒有害氣體產(chǎn)生，相對(duì)傳統(tǒng)炸藥爆破的作業(yè)環(huán)境有明顯的改善。

圖3 液態(tài)CO2相變致裂巖體效果Fig.3 Effect of liquid CO2 phase change fracturing rock mass

3 單孔爆破數(shù)值模擬

為了更直觀地了解CO2致裂巖體的過程，將73型液態(tài)CO2致裂管爆炸能量等效為傳統(tǒng)巖石乳化炸藥，并采用ANSYS/LS-DYNA有限元軟件對(duì)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬，該方法被廣泛運(yùn)用于模擬巖石材料在爆破作用下的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為。陶明等[2]研究結(jié)果表明，單個(gè)73型液態(tài)CO2致裂管的爆炸能約為0.37 kg巖石乳化炸藥的爆炸能量，根據(jù)等效炸藥裝藥量、炮孔直徑和炮孔深度，可以計(jì)算得到當(dāng)采用2D平面模型時(shí)的裝藥量直徑為25 mm。

3.1 模型建立

為進(jìn)一步增加數(shù)值模擬的真實(shí)性以接近現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的結(jié)果，模型采用不耦合裝藥結(jié)構(gòu)，空氣層厚度為8 mm，73型液態(tài)CO2致裂數(shù)值模型如圖4所示，模型邊界設(shè)置無反射邊界條件以減小應(yīng)力波在自由面的反射拉伸影響，模型單元數(shù)量566 344，節(jié)點(diǎn)數(shù)量1 135 955。

圖4 73型液態(tài)CO2爆破數(shù)值模型Fig.4 Numerical model of type 73 liquid CO2 blasting

3.2 材料物理力學(xué)參數(shù)

巖石具有抗壓不抗拉的特性，因此巖石在炸藥和液態(tài)CO2爆破作用下不僅發(fā)生壓縮破壞，同時(shí)發(fā)生拉伸和剪切破壞。筆者通過采用運(yùn)用廣泛的Riedel-Hiermaier-Thoma (RHT)本構(gòu)模型來模擬巖石在爆破作用下的動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)，該本構(gòu)模型能很好地表征脆性材料的損傷與塑性變形特性。RHT本構(gòu)模型引入了3個(gè)極限破壞面，即彈性極限面、失效面和殘余強(qiáng)度面，它們分別描述巖石材料的初始屈服強(qiáng)度，失效強(qiáng)度及殘余強(qiáng)度的變化規(guī)律。巖石材料的損傷破壞通過損傷系數(shù)D表示[17]:

(1)

式中：Δεp為累計(jì)損傷應(yīng)變；εf為破壞應(yīng)變；εf的計(jì)算表達(dá)式如下[18]:

(2)

式中：D1、D2為材料常數(shù)，巖石在爆破作用下發(fā)生損傷后將引起強(qiáng)度的下降。

損傷系數(shù)D=1時(shí)表明巖石材料未受到任何損傷，D=0時(shí)表明材料完全破壞，不再具備任何承載能力。大量研究結(jié)果表示，D=0.3時(shí)能較為準(zhǔn)確的表征巖石的損傷破壞?；谥心洗髮W(xué)材料力學(xué)性能測(cè)試平臺(tái)，鉆取基坑內(nèi)花崗巖體加工后進(jìn)行巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)，得到巖石RHT本構(gòu)模型基本參數(shù)如表2所示。

表2 花崗巖RHT本構(gòu)模型參數(shù)Table 2 RHT constitutive model parameters of Granite

炸藥爆炸是一個(gè)由化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能的過程，因此在爆破模擬中采用標(biāo)準(zhǔn)JWL狀態(tài)方程模擬炸藥在巖體內(nèi)發(fā)生爆炸反應(yīng)的爆轟壓力與比容的關(guān)系[19]：

(3)

式中：A、B、R1、R2、ω為材料常數(shù)；p為爆轟壓力；V為爆轟產(chǎn)物的相對(duì)體積；E0為爆轟產(chǎn)物的初始比內(nèi)能。

現(xiàn)場(chǎng)巖體爆破采用2號(hào)巖石乳化炸藥，其密度為1 150 kg/m3，爆速為4 500 m/s。炸藥參數(shù)如表3所示。

表3 2號(hào)巖石乳化炸藥及JWL狀態(tài)方程參數(shù)Table 3 Parameters of No.2 rock emulsion explosive and state equation of JWL

炸藥與巖石之間的耦合介質(zhì)為空氣，以數(shù)值模擬中常采用的空材料模型(*MAT_NULL)定義空氣材料，多線性狀態(tài)方程的表達(dá)式為[20]

P=C0+C1v2+C2v2+C3v2+(C4+C5v2+C6v2)E0

(4)

式中：C0～C6為材料常數(shù)；v為空氣狀態(tài)方程中的參數(shù)。

空氣材料參數(shù)如表4所示。

表4 空氣材料參數(shù)Table 4 Parameters of air

3.3 結(jié)果及分析

采用ALE算法模擬爆炸。炸藥、空氣采用Euler算法，巖石采用Lagrange算法，從而消除由于巖石大變形產(chǎn)生單元負(fù)體積而導(dǎo)致的計(jì)算終止問題。巖體應(yīng)力波傳播速度為4 000～5 000 m/s，因此模型求解時(shí)間設(shè)置為1 ms時(shí)可以滿足應(yīng)力波傳播到模型邊界的要求,單孔液態(tài)CO2爆破數(shù)值模擬結(jié)果如圖5所示。

圖5 單孔液態(tài)CO2爆破數(shù)值模擬結(jié)果Fig.5 Numerical simulation result of single hole liquid CO2 blasting

由圖5可知，隨著時(shí)間的增加，巖體損傷范圍逐漸增大，t=48 μs時(shí)，巖體損傷半徑R=0.1 m，該區(qū)域內(nèi)的巖體受到初始沖擊波的強(qiáng)烈壓縮作用而破壞，損傷嚴(yán)重。沖擊波在巖體中繼續(xù)向前傳播，消耗了大量能量，沖擊波壓力迅速下降，小于巖石的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度后轉(zhuǎn)變?yōu)閴嚎s波；當(dāng)t=100 μs時(shí)，炮孔周邊巖體在壓縮波派生的切(環(huán))向應(yīng)力下開始出現(xiàn)徑向裂紋，此時(shí)巖體損傷半徑為0.233 m。壓縮波繼續(xù)向前傳播，徑向裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，t=208 μs時(shí)，巖體損傷范圍約為t=100 μs時(shí)的2.25倍；壓縮波向前傳播衰減為應(yīng)力波，強(qiáng)度持續(xù)降低，但是在爆生氣體和應(yīng)力波的疊加作用下，巖體內(nèi)的裂紋繼續(xù)向外擴(kuò)展；t=448 μs時(shí)，巖體損傷范圍達(dá)到最大，損傷半徑為0.883 m，巖體損傷區(qū)包括巖石粉碎區(qū)和裂隙區(qū)，粉碎區(qū)的半徑遠(yuǎn)小于裂隙區(qū)的半徑。當(dāng)應(yīng)力波繼續(xù)向外傳播時(shí)，應(yīng)力波強(qiáng)度已不足以引起巖石的破壞，且爆生氣體壓力在傳播過程中幾乎被消耗殆盡，因此未觀察到巖體損傷范圍繼續(xù)增大。在該數(shù)值模擬結(jié)果中未看到明顯的環(huán)向裂紋，分析產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因是RHT本構(gòu)模型硬度較低，環(huán)向裂紋只有在堅(jiān)硬巖石材料中才會(huì)由卸載波拉伸應(yīng)力所產(chǎn)生。對(duì)比單孔數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的巖體損傷范圍時(shí)發(fā)現(xiàn)，兩者所產(chǎn)生的巖體損傷范圍非常接近。由此表明，裝藥量為1.6 kg的單個(gè)73型液態(tài)CO2致裂管在隨州市繞城南路綜合管廊基坑巖體中的巖體致裂范圍約為0.9 m。

4 孔間距參數(shù)數(shù)值模擬

管廊基坑斷面為倒梯形臺(tái)階面，根據(jù)施工要求，為了使巖體爆破充分，有效利用爆破能量，有必要在采用73型液態(tài)CO2致裂管進(jìn)行基坑巖體開挖之前應(yīng)對(duì)炮孔間距進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)?？组g距過大，雖然爆破的能量被充分利用，但應(yīng)力疊加的強(qiáng)度難以使巖體發(fā)生破壞，此時(shí)在炮孔連線之間將形成非貫通爆破區(qū)域，孔間巖體將不能得到充分破碎。若孔間距過小，兩孔之間產(chǎn)生較大的應(yīng)力疊加區(qū)，爆破能量浪費(fèi)嚴(yán)重，不僅增大了鉆孔工程量，同時(shí)造成人力、物力的浪費(fèi)[5]。在露天臺(tái)階開挖設(shè)計(jì)中一般根據(jù)最小抵抗線參數(shù)Wd和炮孔密集系數(shù)m進(jìn)行炮孔間距的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算，該方法由于經(jīng)驗(yàn)系數(shù)m取值不定，導(dǎo)致孔間距結(jié)果存在不確定性。為此，基于73型液態(tài)CO2致裂管現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與單孔數(shù)值模擬的巖體損傷范圍對(duì)比結(jié)果，在進(jìn)行基坑臺(tái)階爆破施工之前采用等效巖石炸藥的數(shù)值模擬方法確定該型號(hào)致裂管的最優(yōu)孔間距是科學(xué)合理的。

4.1 模型建立

在雙孔爆破數(shù)值模擬中，為了確定73型液態(tài)CO2致裂管在臺(tái)階爆破中的最優(yōu)孔間距，基于單孔爆破數(shù)值模擬結(jié)果，建立4.8 m×3.0 m的2D平面模型，在模型中間對(duì)稱布置2個(gè)孔間距De分別為1.2、1.6、1.8、2.0、2.2 m的圓形鉆孔，鉆孔直徑33 mm，裝藥直徑25 mm。巖體、炸藥和空氣采用與單孔R(shí)HT中相同的本構(gòu)模型及參數(shù)，在模型的邊界上設(shè)置無反射邊界條件，防止應(yīng)力波傳播到自由面后產(chǎn)生反射拉伸波造成數(shù)值計(jì)算的誤差。巖體采用Lagrange算法，炸藥和空氣采用Euler算法，模型單元數(shù)量577 040，節(jié)點(diǎn)數(shù)量1 157 202。雙孔爆破模型如圖6所示。

圖6 雙孔爆破數(shù)值模型Fig.6 Numerical model of double-hole blasting

4.2 結(jié)果及分析

不同孔間距下爆破裂紋擴(kuò)展演化過程如圖7所示。當(dāng)De=1.2 m、t=40 μs時(shí)，炮孔周邊巖體在沖擊波強(qiáng)烈壓縮作用下產(chǎn)生壓縮損傷區(qū)，未觀察到有明顯裂紋。當(dāng)t=100 μs時(shí)，巖體壓縮損傷區(qū)進(jìn)一步增大，且開始出現(xiàn)大量爆生裂紋。t=220 μs時(shí)，左右炮孔的爆生裂紋朝向中間連線方向擴(kuò)展演化。t=460 μs時(shí)可以發(fā)現(xiàn)左右孔間裂紋完全貫通。由于兩孔間距較小，相鄰炮孔之間的巖體在應(yīng)力波疊加和爆生氣體的組合作用下，出現(xiàn)了大量爆生裂紋，巖體破壞較為嚴(yán)重。同時(shí)由于爆破能量過多用于孔間裂紋區(qū)的貫通，出現(xiàn)了巖體裂紋分布不均的情況(見圖7a)。炮孔間距De分別為1.6、1.8、2.0、2.2 m時(shí)的裂紋擴(kuò)展演化規(guī)律和孔間距De=1.2 m時(shí)的裂紋演變規(guī)律基本一致，首先出現(xiàn)巖體壓碎區(qū)，隨后裂紋開始衍生，并在壓縮波(應(yīng)力波)和爆生氣體作用下逐漸擴(kuò)展，直到應(yīng)力波強(qiáng)度下降到只能引起巖體振動(dòng)，損傷區(qū)范圍不再增大。

圖7 不同孔間距爆破數(shù)值模擬結(jié)果Fig.7 Numerical simulation results of blasting with different borehole spacing

由圖7可以看出，隨著相鄰孔間距逐漸增大，相鄰炮孔之間巖體中的裂紋貫通區(qū)發(fā)生明顯變化，貫通區(qū)經(jīng)歷了從裂紋完全貫通到非連續(xù)貫通的過程，巖體經(jīng)歷了從De=1.2 m時(shí)的充分破碎到De=2.0 m時(shí)的臨界破碎，到最后De=2.2 m時(shí)炮孔連線中間巖體破碎不充分，產(chǎn)生明顯大塊。因此，73型液態(tài)CO2致裂管臺(tái)階爆破相鄰最優(yōu)孔間距為2.0 m。單孔爆破數(shù)值模擬結(jié)果顯示73型致裂管的巖體最大損傷范圍為1.766 m，雙孔爆破相鄰炮孔之間巖體最大損傷范圍相比單孔爆破巖體損傷范圍增加13.25%。由孔距De=1.6 m時(shí)的有效應(yīng)力云圖(見圖8)可知，應(yīng)力波的傳播速度比徑向裂紋傳播快，在t=180 μs時(shí)應(yīng)力波首次疊加。

圖8 孔距1.6 m的有效應(yīng)力Fig.8 Effective stress of 1.6 m borehole spacing

雙孔爆破時(shí)壓縮波在巖體內(nèi)相遇出現(xiàn)了應(yīng)力波疊加現(xiàn)象(見圖9)，在炮孔連心線上的Ⅱ點(diǎn)，A、B炮孔爆破產(chǎn)生的徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力方向相同，連線方向的應(yīng)力尤其是切向應(yīng)力得到顯著加強(qiáng)，有利于裂紋的擴(kuò)展。在炮孔連線中心線上Ⅰ點(diǎn)位置，A、B炮孔爆破產(chǎn)生的壓縮波在水平應(yīng)力方向相反，有相互抵消作用，豎直應(yīng)力方向相同，具有加強(qiáng)作用，更容易產(chǎn)生平行于炮孔連線方向的水平裂紋，圖7數(shù)值模擬結(jié)果中的裂紋擴(kuò)展方向充分解釋了以上原理。但是隨著應(yīng)力波不斷向外傳播，距離兩炮孔中心點(diǎn)位置越來越遠(yuǎn)，峰值壓力衰減迅速，應(yīng)力波豎直方向合力已不再具備使巖石產(chǎn)生拉伸裂紋的能力，以上表明相鄰炮孔裂紋貫通區(qū)只存在一定范圍內(nèi)。

圖9 應(yīng)力波疊加過程Fig.9 Superposed process of stress waves

5 結(jié)論

1)試驗(yàn)表明，73型液態(tài)CO2致裂管的單孔最大裂紋長度為0.92 m，液態(tài)CO2相變爆破過程中只產(chǎn)生少量的揚(yáng)塵和輕微的爆破振動(dòng)響應(yīng)。

2)基于數(shù)值模擬軟件和爆炸能量等效替換，73型液態(tài)CO2致裂器獲得的巖石最大損傷范圍為1.766 m，表明該數(shù)值模擬方法在進(jìn)行73型液態(tài)CO2致裂管爆破性能模擬上具有較高的可靠性。

3)雙孔爆破數(shù)值模擬結(jié)果表明73型液態(tài)CO2致裂管雙孔爆破最優(yōu)孔間距為2.0 m，貫通裂紋區(qū)只出現(xiàn)在相鄰炮孔部分巖體當(dāng)中，在應(yīng)力波疊加作用下雙孔爆破相鄰炮孔之間巖體最大損傷范圍相比單孔爆破巖體損傷范圍增加13.25%。

4)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法確定了73型液態(tài)CO2致裂管的臺(tái)階爆破最優(yōu)孔間距，有效保證了隨州市綜合管廊工程項(xiàng)目基坑開挖爆破效果，同時(shí)取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)環(huán)境效益。