本發(fā)明涉及土木工程技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種層狀巖體隧道中光面聚能爆破參數(shù)的確定方法。

背景技術(shù)：

光面爆破是通過正確選擇爆破參數(shù)和合理施工方法，分區(qū)分段微差爆破，使爆破后輪廓線符合設(shè)計(jì)要求的一種控制爆破技術(shù)。光面爆破技術(shù)因其能取得較理想的爆破面，不產(chǎn)生超挖，也不欠挖用等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于隧道的爆破。聚能光面爆破是在光面爆破基礎(chǔ)上，采用聚能裝置使炸藥的能量集中往預(yù)定爆破方向傳遞，從而達(dá)到更好的控制炸藥能量釋放，對(duì)隧道預(yù)定輪廓線的巖石進(jìn)行切割，取得更為平整、理想的爆破面，正確確定周邊眼爆破參數(shù)是爆出預(yù)設(shè)輪廓面的保證。但目前關(guān)于橫觀各向同性巖體中的爆破參數(shù)的確定以及結(jié)構(gòu)面、節(jié)理裂隙發(fā)展方向?qū)χ苓呇坶g距影響的理論研究成果還相對(duì)較少。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種科學(xué)、精確的層狀巖體隧道中光面聚能爆破參數(shù)的確定方法，解決在層狀巖體中，由于結(jié)構(gòu)面的存在導(dǎo)致光面爆破超挖嚴(yán)重，輪廓面不平整等問題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

一種層狀巖體隧道中光面聚能爆破參數(shù)的確定方法，包括以下步驟：

(1)炸藥能量是沿四周均勻傳遞的，由于聚能縫的存在，爆炸時(shí)釋放的能量分為兩部分，一部分是向孔壁四周均勻傳遞的能量v1，其向四周產(chǎn)生四周內(nèi)壓p1，其中四周內(nèi)壓p1所積蓄的應(yīng)變能為υε1，一部分是沿著切縫出匯集的能量v2，產(chǎn)生集中內(nèi)壓p2，所積蓄的應(yīng)變能為υε2；爆轟產(chǎn)物對(duì)巖壁作用所積蓄的應(yīng)變能υε由下式表示：

式中：ν——巖體的泊松比；

σ1、σ2、σ3——分別表示薄壁上任意點(diǎn)的環(huán)向應(yīng)力、軸向應(yīng)力以及徑向應(yīng)力；

e——巖體的彈性模量；

(2)假設(shè)影響因素λ，其中0≤λ≤1，影響因素λ與聚能管的材質(zhì)、聚能縫寬度與長(zhǎng)度有關(guān)，假設(shè)能量分配應(yīng)按下式分配：

υε1＝(1-λ)υε

υε2＝λυε

(3)由四周內(nèi)壓p1產(chǎn)生的四周荷載f1按下式計(jì)算：

式中：α——其沿半徑方向變化的一個(gè)微小角度，rad；

db——炮孔直徑，m；

lc——裝藥長(zhǎng)度，m；

將四周荷載f1分為兩個(gè)方向的力，在x軸產(chǎn)生作用力和y軸產(chǎn)生作用力；在x軸產(chǎn)生作用力是作用在圍巖側(cè)對(duì)巖石的壓應(yīng)力；在y軸正方向產(chǎn)生作用力是作用于巖石臨空面?zhèn)鹊睦瓚?yīng)力；對(duì)四周荷載f1沿y軸方向進(jìn)行積分，由四周荷載f1作用巖石產(chǎn)生的拉應(yīng)力為：

式中：ee——周邊眼間距，cm；

對(duì)四周荷載f1沿x方向進(jìn)行積分，求四周荷載f1作用巖石產(chǎn)生的壓應(yīng)力為：

(4)由集中內(nèi)壓p2產(chǎn)生的集中荷載f2按下式計(jì)算：

由集中內(nèi)壓p2在巖壁上的產(chǎn)生的集中荷載f2的大小為：

式中：ρ0——炸藥密度，g/cm³；

d——炸藥爆速，m/s；

lb——炮孔長(zhǎng)度，m；

dc——炸藥直徑，m；

θ——聚能縫縫寬所對(duì)應(yīng)的圓心角，rad；

δ——薄壁圓筒的厚度；

n——爆破后產(chǎn)生氣體碰撞巖壁時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力增大倍數(shù)；

其拉應(yīng)力用下式表示：

壓應(yīng)力表示：

在聚能管的作用下，四周荷載f1、集中荷載f2共同作用下對(duì)巖石產(chǎn)生的拉應(yīng)力σy為：

由上面整理，得：

在x軸方向，四周荷載f1、集中荷載f2共同作用下對(duì)巖石的壓應(yīng)力σx為：

(5)假設(shè)結(jié)構(gòu)面與兩炮孔間的輪廓線夾角為βi，結(jié)構(gòu)面上的正應(yīng)力σγ與x軸夾角為：

γi＝|βi-90°|

其單元體在壓應(yīng)力σx與拉應(yīng)力σy作用下，切應(yīng)力τx為零，因此單元體在γ方向上正應(yīng)力σγ與切應(yīng)力τγ用下式表示：

當(dāng)炸藥爆炸作用于巖石產(chǎn)生的拉應(yīng)力大于巖石的極限抗拉強(qiáng)度σp時(shí)，巖石將沿輪廓線發(fā)生y方向的拉破壞，且結(jié)構(gòu)面方向上切應(yīng)力小于巖石自身的抗剪強(qiáng)度；即破壞準(zhǔn)則方程為：

σy≥σp

得出：

其中，——結(jié)構(gòu)面的內(nèi)摩擦角，c——結(jié)構(gòu)面上的粘聚力。

作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案：影響因素λ的邊界條件是：

①當(dāng)λ＝0時(shí)，聚能管的剛度為零，該情況下的爆轟產(chǎn)物對(duì)巖壁的作用等同于一般爆破所對(duì)巖壁的作用，聚能管對(duì)爆破產(chǎn)生的影響不大；即p2＝0，p1＝p；

②當(dāng)λ＝1時(shí)，聚能管材為剛性材質(zhì)，能量集中于兩側(cè)聚能縫中擴(kuò)散，即p1＝0。

作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案：γ、影響因素λ與周邊眼間距ee的表達(dá)式為：

作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案：根據(jù)周邊眼間距得出光面層厚度w為：w＝1.25ee。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明根據(jù)結(jié)構(gòu)面與周邊眼間距所成角度計(jì)算不同角度，引入庫倫與最大拉應(yīng)力破壞準(zhǔn)則，對(duì)不同影響因素下周邊眼間距變化進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，將傳統(tǒng)周邊眼的參數(shù)確定根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)類比提升至準(zhǔn)確的計(jì)算得出聚能光面爆破周邊眼的間距以及光面層厚度，該算法可以精確算出層狀巖體中結(jié)構(gòu)面與周邊眼間距角度不同時(shí)，在不同的聚能管剛度λ影響下，其周邊眼間距相應(yīng)變化的合適取值。從而解決在層狀巖體中超爆嚴(yán)重，開挖輪廓線不整齊，更簡(jiǎn)單準(zhǔn)確的控制光面爆破開挖輪廓線。

附圖說明

圖1是聚能管結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是圖1的截面圖；

圖3是聚能爆破作用后的內(nèi)壓分布圖；

圖4是單元體受單向集中內(nèi)壓作用下的單元體應(yīng)力狀態(tài)圖；

圖5是單元體受均布內(nèi)壓作用下的單元體應(yīng)力狀態(tài)圖；

圖6兩個(gè)炮孔間的周邊眼間距示意圖；

圖7巖壁在受均布?jí)毫ψ饔檬疽鈭D；

圖8巖壁受單向集中壓力作用時(shí)產(chǎn)生橫向拉應(yīng)力的應(yīng)力分布圖；

圖9兩炮孔間距與層狀巖體結(jié)構(gòu)面所成角度示意圖；

圖10兩炮孔間單元巖體所受應(yīng)力示意圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

實(shí)施例1

本發(fā)明對(duì)隧道聚能光面爆破參數(shù)確定的一種方法，下面結(jié)合附圖和具體的算法進(jìn)行詳細(xì)說明。聚能光面爆破輪廓線上的炮眼(周邊眼)是在其它炮眼爆破后最后起爆，周邊眼采用聚能管裝藥，是炸藥爆炸能量集中，使巖體沿開挖輪廓線爆出。本發(fā)明以長(zhǎng)3.5m，直徑36mm的pvc管為聚能管進(jìn)行聚能縫切割(圖1-2)，聚能切縫爆破是指將炸藥爆炸時(shí)釋放的能量沿著切縫槽穴匯集成聚能流，在切縫槽穴處產(chǎn)生高壓、高速的高溫射流，使之具有超強(qiáng)的穿透能力，從而對(duì)巖石進(jìn)行切割，以獲得較為平整的輪廓面。

一般光面爆破采用不耦合裝藥，不耦合裝藥時(shí)，爆轟波首先壓縮聚能管與巖壁之間間隙內(nèi)的空氣，引起空氣沖擊波，而后再由空氣沖擊波作用于巖壁。因此，在對(duì)求作用于巖壁載荷時(shí)，假定：

(1)爆炸產(chǎn)物在間隙內(nèi)的膨脹為絕熱膨脹，其膨脹規(guī)律為pv³等于常數(shù)，遇巖壁激起沖擊壓力，并在巖石中引起爆炸應(yīng)力波；

(2)忽略間隙內(nèi)空氣的存在(間隙較小)；

(3)爆轟產(chǎn)物開始膨脹時(shí)的壓力按平均爆轟壓力pm計(jì)算。

式中：ρ0——炸藥密度(g/cm³)；d——炸藥爆速(m/s)；

由式(1)得到，爆轟產(chǎn)物撞擊巖壁前的炮孔內(nèi)壓的關(guān)系式為：

式中：

vc——炸藥體積(m³)；vb——炮孔體積(m³)；

根據(jù)相關(guān)研究，爆轟產(chǎn)物撞擊炮孔巖壁時(shí)，壓力將明顯增大，增大倍數(shù)n＝8～11。n——爆破后產(chǎn)生氣體碰撞巖壁時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力增大倍數(shù)。因此，炮孔巖壁受到爆轟壓力為：

對(duì)隧洞掘進(jìn)中鉆孔柱裝藥：

式中：db——炮孔直徑(m)；dc——炸藥直徑(m)；

lb——炮孔長(zhǎng)度(m)；lc——裝藥長(zhǎng)度(m)；

由式(3)和式(4)可得炮孔巖壁受到的爆轟壓力為：

為分析問題方便起見，設(shè)炸藥爆炸時(shí)對(duì)巖壁的壓力是作用在一個(gè)兩端封閉的薄壁圓柱形圓筒內(nèi)，爆轟產(chǎn)物的傳播是在圓筒內(nèi)均勻傳播，容器承受的內(nèi)壓壓強(qiáng)為p，將巖壁看作一個(gè)理想彈塑體、可變形。相同得，薄壁容器視作理想彈塑性體。通過計(jì)算圓筒上任意點(diǎn)的應(yīng)力分布狀態(tài)，得出巖壁所積蓄的應(yīng)變能υε。爆轟產(chǎn)物對(duì)巖壁作用所積蓄的應(yīng)變能可由下式表示：

式中：ν——巖體的泊松比；

σ1、σ2、σ3——分別表示薄壁上任意點(diǎn)的環(huán)向、軸向以及徑向應(yīng)力；

e——巖體的彈性模量；

假設(shè)δ＜＜dc，δ為薄壁圓筒的厚度，縱截面上各點(diǎn)處的正應(yīng)力σ1，該段圓筒表面y軸上的合力fy＝p·dc，由y軸的平衡方程關(guān)系得：

∑fy＝0，p·dc-2σ1×δ×1＝0(7)

按軸向拉伸計(jì)算其正應(yīng)力σ2為；

徑向的正應(yīng)力σ3為：

σ3＝-p(9)

將(7)、(8)、(9)式代入(6)，可得爆轟產(chǎn)物對(duì)巖壁作用所積蓄的應(yīng)變能νε值：

炸藥能量是沿四周均勻傳遞的。但由于聚能縫的存在，爆炸時(shí)釋放的能量分為兩部分，一部分是向孔壁四周均勻傳遞的能量v1，其向四周產(chǎn)生四周內(nèi)壓p1，其中四周內(nèi)壓p1所積蓄的應(yīng)變能為υε1，一部分是沿著切縫出匯集的能量v2，產(chǎn)生集中內(nèi)壓p2，所積蓄的應(yīng)變能為υε2，其作用效果(圖3)：

引入影響因素λ，λ的影響因素與聚能管的材質(zhì)、聚能縫寬度與長(zhǎng)度等因素有關(guān)即不妨假設(shè)能量分配應(yīng)按下式分配：

υε1＝(1-λ)υε(11)

υε2＝λυε(12)

λ的邊界條件是：

①當(dāng)λ＝0時(shí)，聚能管的剛度為零，該情況下的爆轟產(chǎn)物對(duì)巖壁的作用等同于一般爆破所對(duì)巖壁的作用，聚能管對(duì)爆破產(chǎn)生的影響不大。即p2＝0，p1＝p。

②λ＝1時(shí)，即聚能管材為剛性材質(zhì)，能量只往兩側(cè)聚能縫里擴(kuò)散。即p1＝0。通過兩種情況下的應(yīng)變能相等來推導(dǎo)出p1，p2與p的關(guān)系。

因力與能量的可加性，可先對(duì)集中內(nèi)壓p2部分的所產(chǎn)生的應(yīng)變能分析，圓筒兩側(cè)只受集中內(nèi)壓作用為p2，如圖4(a)所示列x軸的平衡方程關(guān)系得：

圓筒橫截面上各點(diǎn)處的正應(yīng)力σ2相等，按軸向拉伸計(jì)算其正應(yīng)力σ2′，由圖4(b)得；

式中：a表示聚能縫寬度(mm)；

徑向的正應(yīng)力σ′3為：

σ3′＝-p2(15)

σ3′的絕對(duì)值遠(yuǎn)小于σ1′，所以近似的σ3′＝0。

由(13)、(14)、(15)可知，僅集中內(nèi)壓p2部分作用下圓筒的任意點(diǎn)處于單軸受拉狀態(tài)，其應(yīng)變能表達(dá)式應(yīng)為：

由(10)、(12)、(16)可得集中內(nèi)壓p2的表達(dá)式：

在對(duì)四周內(nèi)壓p1部分的所產(chǎn)生的應(yīng)變能分析，類比于一般爆破產(chǎn)生的應(yīng)變能，如圖5(a)所示列x軸的平衡方程關(guān)系得：

∑fy＝0，p1·dc-2σ1″×δ×1＝0(18)

按軸向拉伸計(jì)算，如圖5(b)所示其正應(yīng)力σ2″為；

徑向的正應(yīng)力σ3″為：

σ3″＝-p1(20)

將(18)、(19)、(20)式代入(6)，可得爆轟產(chǎn)物對(duì)巖壁作用所積蓄的應(yīng)變能νε1值：

由(10)、(11)、(22)整理可得，四周內(nèi)壓p1的表達(dá)式：

將邊界條件代入(17)、(23)，驗(yàn)證可得λ＝0時(shí)，p1＝p，p2＝0。λ＝1時(shí)，p1＝0，滿足邊界條件。

周邊眼是沿輪廓線進(jìn)行鉆孔，因此，相鄰兩炮孔間的巖石受到炸藥爆炸的作用對(duì)巖體進(jìn)行切割，如圖6所示。沿孔壁四周均勻分布作用于巖壁的四周內(nèi)壓p1，因此作用在四周的四周荷載f1向四周360°均勻擴(kuò)散，因此可表示為：

根據(jù)(5)、(23)可以將(24)寫成：

其中：α——其沿半徑方向變化的一個(gè)微小角度(rad)；

建立直角坐標(biāo)系(如圖7)，將四周荷載f1分為兩個(gè)方向的力，在x軸產(chǎn)生作用力和y軸產(chǎn)生作用力。在x軸產(chǎn)生作用力是作用在圍巖側(cè)對(duì)巖石的壓應(yīng)力，y軸產(chǎn)生作用力是作用于臨空面?zhèn)葘?duì)巖石的拉應(yīng)力。由于巖石的抗拉強(qiáng)度為抗壓強(qiáng)度的1/10～1/20，因而巖石大多都是受拉破壞。沿兩炮孔間方向?yàn)閤軸，垂直于x軸且指向巖石臨空面?zhèn)葹閥軸，對(duì)四周荷載f1沿y方向進(jìn)行積分，求四周荷載f1作用巖石產(chǎn)生的拉應(yīng)力σy為：

式中：ee——周邊眼間距(cm)；

由(26)、(25)整理可得：

對(duì)四周荷載f1沿x方向進(jìn)行積分，求四周荷載f1作用巖石產(chǎn)生的壓應(yīng)力σx為：

將(25)代入(28)式可得：

由集中內(nèi)壓p2在巖壁上的產(chǎn)生的集中荷載f2簡(jiǎn)圖(如圖8(a))所示，在集中荷載f2的作用下，兩炮孔間的巖石先是被擠壓，而后由于集中荷載f2的作用，產(chǎn)生x軸方向的拉應(yīng)力(圖8(b))，巖石受拉破壞(根據(jù)文獻(xiàn)巖石力學(xué))，其集中荷載f2的大小可表示為：

式中：

θ——聚能縫縫寬所對(duì)應(yīng)的圓心角(rad)

由(5)、(17)可將(30)寫成：

其拉應(yīng)力可用下式表示：

由(31)、(32)整理可得：

壓應(yīng)力可用(34)式表示：

將(31)代入(34)整理可得：

在聚能管的作用下，四周荷載f1、集中荷載f2共同作用下對(duì)巖石產(chǎn)生的拉應(yīng)力為：

由式(27)、(33)、(36)整理，可得：

在x軸方向，四周荷載f1、集中荷載f2共同作用下對(duì)巖石的壓應(yīng)力為：

將(29)(35)代入(38)整理可得：

在橫觀各向同性的巖體中，巖石的破壞狀態(tài)很大部分與結(jié)構(gòu)面的發(fā)育有關(guān)，即結(jié)構(gòu)面與兩炮孔連線的之間的夾角不同，影響兩炮孔的貫通裂縫產(chǎn)生。正是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)面的存在，巖體的破壞形式有三種情況：(1)沿兩炮孔間的輪廓線發(fā)生y向拉斷裂；(2)沿結(jié)構(gòu)面發(fā)生剪切破壞；(3)同時(shí)發(fā)生沿兩炮孔間輪廓線的拉斷裂與沿層狀巖體結(jié)構(gòu)面的剪切破壞。

本發(fā)明假設(shè)結(jié)構(gòu)面與兩炮孔間的輪廓線夾角為βi，炮孔位置與層狀巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)育不一致，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)面與兩炮孔間的輪廓線夾角也不斷變化如圖9，取結(jié)構(gòu)面與輪廓線之間的巖體分析，其單元體應(yīng)力狀態(tài)如圖10所示。結(jié)構(gòu)面上的正應(yīng)力σγ與x軸夾角為：

γi＝|βi-90°|(40)

該單元體在主應(yīng)力σx與σy作用下，切應(yīng)力τx為零，因此單元體在γ方向上正應(yīng)力σγ與切應(yīng)力τγ可用下式表示：

由上述關(guān)系可知，顯然在光面爆破中第二種與第三種爆破形式都對(duì)光爆效果有不同程度影響。若在層狀巖體中要達(dá)到良好的光爆效果即發(fā)生第一種破壞形式，當(dāng)炸藥爆炸作用于巖石產(chǎn)生的拉應(yīng)力大于巖石的極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，巖石將沿輪廓線發(fā)生y方向的拉破壞，且結(jié)構(gòu)面方向上剪切應(yīng)力小于巖石自身的抗剪強(qiáng)度。因此，可以通過破壞關(guān)系有：

σy≥σp(43)

式中：——結(jié)構(gòu)面的內(nèi)摩擦角，c——結(jié)構(gòu)面上的粘聚力

將(37)代入(43)可得：

將(37)、(39)、(40)、(41)、(42)代入破壞準(zhǔn)則方程(44)中整理可得：

將(46)換一種表達(dá)可得γ、λ與周邊眼間距ee的表達(dá)式：

周邊眼間距ee與光面層厚度的關(guān)系通常以密集系數(shù)k來表示，其大小對(duì)光面爆破效果有較大影響，其關(guān)系為：

理論和實(shí)踐均證明光面爆破炮眼間距與光面層厚度之比取0.8較為適宜，因此，光面層厚度為：

w＝1.25ee(49)

式中：w——光面層厚度(cm)；

考慮到需要同時(shí)滿足破壞準(zhǔn)則(45)、(47)即能使破裂面沿兩炮孔輪廓線，因此可得周邊眼間距ee、光面層厚度w與λ、γi的關(guān)系可查附表1。

表1

對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，顯然本發(fā)明不限于上述示范性實(shí)施例的細(xì)節(jié)，而且在不背離本發(fā)明的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。因此，無論從哪一點(diǎn)來看，均應(yīng)將實(shí)施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權(quán)利要求的等同要件的含義和范圍內(nèi)的所有變化囊括在本發(fā)明內(nèi)。

此外，應(yīng)當(dāng)理解，雖然本說明書按照實(shí)施方式加以描述，但并非每個(gè)實(shí)施方式僅包含一個(gè)獨(dú)立的技術(shù)方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)將說明書作為一個(gè)整體，各實(shí)施例中的技術(shù)方案也可以經(jīng)適當(dāng)組合，形成本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的其他實(shí)施方式。