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原文传递隧道异形光爆孔水包爆破参数优化及现场应用研究

论文题名：	隧道异形光爆孔水包爆破参数优化及现场应用研究
关键词：	隧道开挖;异形光爆孔;爆破参数;定向断裂;尖端聚能
摘要：	如今隧道的开挖方式有很多种，其中主要的开挖方式之一是通过爆破开挖，光面爆破为爆破开挖的最主要手段，但在隧道掘进中常规光面爆破方式存在隧道超欠挖、开挖轮廓线不光滑、爆破效率低等问题，为解决这类问题，本文结合异形光爆孔定向断裂及尖端聚能作用和水包爆破利用水的均匀介质性、不可压缩性及可蒸发性来提高爆破效能，提出异形光爆孔水包爆破新方式。本文采用理论分析、数值计算、现场光爆试验相结合的方法，利用ANSYS/LS-DYNA软件，以岩石损伤、径轴向的爆破效率、径向孔壁压力、裂纹延伸长度为依据，对异形光爆孔水包爆破的破岩机理研究及径向不耦合装药、间隔装药、不同炮孔间距、不同光面层的参数研究；以数值计算得出的最优参数为参照，以爆破后隧道开挖轮廓线、炮痕为依据，对比分析异形光爆孔水包爆破的爆破效果。为此爆破方式合理选取各项参数提供了参考依据。　　主要研究工作及创新成果如下：　　（1）根据现有爆破理论，对比分析了四种爆破方式（圆孔空气爆破、异形光爆孔空气爆破、圆孔水压爆破、异形光爆孔水包爆破）的冲击波大小、爆轰压力及裂纹延伸，论证了异形光爆孔爆破、水压爆破的破岩及能效提升机理，根据两者经验公式以水介质体积为变量拟合出异形光爆孔水包爆破孔壁压力表达式Pw=3028.4K?1.021d，拟合精度R2=0.996，验证了异形光爆孔水包爆破的合理性及定向高能性。理论得出：水压爆破的孔壁压力是空气介质的1.436K2.08d倍；异形光爆孔尖端处造成裂纹长度为圆孔的2.6倍；与圆孔（空气介质）、异形光爆孔（空气介质）相比，异形光爆孔水包爆破尖端处的裂纹扩展分别提升了251.2%、11.6%，体现了更好的裂纹定向延伸性。　　（2）建立了无反射边界条件下单孔爆破数值计算模型，基于流固耦合计算理论，从应力波的传播及围岩应力等方面，对比分析了三种爆破方式（常规爆破、水包爆破、异形光爆孔水包爆破）在围岩中的差异性传播，同时对三种爆破方式进行了理论值与计算值的残差对比，验证了计算结果的可靠性。研究认为：异形光爆孔水包爆破具有更快的传播速度，且随着应力波的传播，异形光爆孔尖端处与炮孔其他位置相比，出现了压应力不等现象，导致周边岩石出现相对位移，从而产生定向拉伸破坏。　　（3）基于围岩爆破损伤理论反演异形光爆孔水包爆破特性，以爆破效率为依据，获得了异形光爆孔水包爆破的径、轴向最优装药参数，其分别为径向不耦合系数Kr=1.5和间隔装药系数Kd=1.5；并以圆孔水包爆破理论值及计算值为依据，验证了计算结果的可靠性。结果发现：Kr的改变对径、轴向的爆破效能均有显著作用，Kd的改变仅对轴向及孔间爆破效能有显著影响。　　（4）考虑爆破双孔效应及自由面因素，建立了不同炮孔间距及光面层厚度数值计算模型，获得了最优炮孔间距及光面层厚度，其均为60cm，随着炮孔间距越小，双孔效应越显著，最大提升了14.5%；结合岩石损伤及孔壁压力共同分析，光面层厚度越小，造成其开挖轮廓线下方的孔壁压力越小，但临空面处的损伤更为严重，说明临空面处，受自由面反、折射波的影响，造成岩石以受拉破坏为主。　　（5）定制了一套异形光爆孔开槽器，验证了钻孔可行性；依托重庆市黔江区正阳镇隧道工程，进行了现场隧道光面爆破对比试验，验证了异形光爆孔水包爆破参数选定的合理性及其定向爆破高能性。现场结果表明：即使围岩中存在复杂的节理、裂隙，异形光爆孔水包爆破也能使其产生光滑的开挖轮廓线，则常规爆破在该地质条件下，出现了凹凸的开挖轮廓线和超欠挖情况。
作者：	李宁杰
专业：	建筑与土木工程
导师：	张学富
授予学位：	硕士
授予学位单位：	重庆交通大学
学位年度：	2022