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原文传递隧道工程聚能爆破围岩裂纹演化机理研究

论文题名：	隧道工程聚能爆破围岩裂纹演化机理研究
关键词：	岩质隧道;钻爆法施工;聚能爆破;裂纹演化
摘要：	岩质隧道钻爆法施工仍是我国隧道工程建设的主流施工方法，传统的钻爆法施工控制不当，容易引发振动危害、环境污染、围岩失稳、超欠挖严重、职业病等工程和社会问题，严重制约了隧道工程建设进程。隧道聚能爆破具有减少围岩扰动、防止超欠挖、缩短工期和改善作业环境等优点，应用前景广阔。研究聚能爆破破岩机理，解决理论研究滞后于工程实践现状，对指导工程实际应用具有重要现实意义。本文围绕隧道工程聚能爆破围岩裂纹演化机理及工程应用，采用理论分析、模型试验、数值模拟和现场原位试验相结合的研究方法，系统研究了隧道单孔、双孔、多孔及周边孔聚能爆破应力波传播和爆生裂纹动态演化规律，揭示了隧道聚能爆破围岩致裂机制。本文主要研究内容及结论如下：　　（1）聚能装药作用原理及聚能爆破围岩致裂分区研究。运用爆炸力学、爆轰理论和冲击动力学理论分析椭圆双向线型聚能装药结构药型罩的压垮形成聚能射流的机制、爆轰能量的分布特征、爆炸应力波的传播规律、聚能射流对岩体的侵彻效应以及聚能爆破载荷下围岩裂纹的分布范围。结果表明：聚能爆破作用下岩体受到聚能射流侵彻、冲击波粉碎、应力波拉伸和爆生气体准静态压力的综合作用，沿爆破孔径向由近及远在岩体内依次形成粉碎区、裂隙区、震动区。将聚能爆破作用过程分为聚能射流侵彻作用、爆炸冲击波作用、应力波作用、爆生气体作用四个阶段，冲击波作用下炮孔周围形成粉碎区，应力波作用产生径向裂纹，爆生气体准静态压力作用促进裂纹持续扩展。　　（2）基于机器学习的聚能装药结构参数优化研究。采用SPH数值方法分析聚能射流的形成过程，设计正交试验，采用灰色关联度理论获得聚能药包结构参数与射流头部速度及射流长度的关联度，应用支持向量机网络回归模型，同时结合遗传算法开展参数寻优。结果表明：椭圆双向线型聚能药包结构各参数对射流头部速度的影响程度基本相同，对射流长度的影响有一定的差异，聚能药包结构参数的选取对聚能射流的性能影响至关重要；运用支持向量机网络回归模型，与遗传算法相结合对椭圆双向线型聚能药包进行参数寻优，能够正确的建立椭圆线型聚能装药结构参数与射流性能之间的关系，针对不同的聚能药包结构参数可以精准的预测聚能射流的性能优劣，较好地辅助聚能装药结构设计工作。　　（3）隧道单孔聚能爆破爆生裂纹动态演化规律研究。建立了二维单孔聚能爆破和三维聚能水压爆破计算模型，分析了单孔聚能爆破应力波传播过程、爆生裂纹动态扩展规律、孔壁压力及围岩应力分布。结果表明，椭圆双向线型聚能装药爆破下，聚能方向对岩石的侵彻破坏能力远大于非聚能方向，聚能方向孔壁处压力峰值为垂直聚能方向压力峰值的2.3倍。不同炮孔直径聚能爆破在岩石聚能方向可以形成左、右两条主裂纹，同时在其他方向会形成随机次裂纹，主裂纹长度与炮孔直径有一定关系，通过曲线拟合得到炮孔直径为85 mm时，即最佳径向不耦合系数为3.45时主裂纹最长；聚能水压爆破提高了爆炸能量利用率，增强了爆源近区破坏作用，降低了远区应力波扰动，与聚能空气耦合装药爆破相比，定向爆破效果得到了提升；不同装药结构对聚能水压爆破的效果影响较大，聚能装置两端水间隔装药结构爆破效果较好，并存在最优轴向不耦合系数为1.36。　　（4）隧道双孔聚能爆破裂纹动态演化规律研究。建立了双孔聚能爆破数值分析模型，研究了双孔同时起爆、微差起爆时应力波的传播过程、岩体的应力分布特征、不同炮孔间距围岩裂纹贯通规律以及应力波叠加效应对裂纹扩展的影响。结果表明，聚能爆破孔间裂纹贯通以拉伸断裂模式为主，在合适的炮孔间距下才能形成孔间贯通裂纹；由于孔间应力波的叠加作用，可适当增大炮孔间距，炮孔间距较小时，有利于爆生裂纹的扩展贯通，随着炮孔间距逐渐变大，炮孔连线中心单元的应力峰值呈现逐渐减小的趋势，应力波的叠加作用也随之减弱，炮孔间距在100 cm内可形成定向裂纹的贯通。双孔聚能微差爆破，随着微差时间的增加，先爆破孔裂纹开展在孔间贯通裂纹中所占的比例逐渐增大，裂纹贯通位置向后爆破孔逐渐接近。　　（5）隧道周边多孔聚能爆破裂纹动态演化规律及应用研究。通过建立多孔聚能爆破数值分析模型，研究了多孔同时起爆时应力波的传播规律、岩体的应力分布特征、围岩裂纹扩展贯通规律以及隧道聚能爆破在周边孔中的应用，并与多孔传统爆破进行了对比分析，提出了周边孔聚能爆破优化方案。结果表明，多孔聚能爆破孔间裂纹贯通是在初始裂纹形成后爆炸应力波和爆生气体准静态应力场共同叠加作用的结果，初始裂纹形成后较小的荷载可实现对初始裂纹的起裂及扩展，实际应用中可减少炮孔中的装药量，扩大炮孔间距；基于工程实际结合数值模拟对比分析周边孔传统爆破和周边孔聚能爆破裂纹贯通过程及围岩损伤衰减规律，周边孔聚能爆破技术不仅形成了光滑的轮廓断面，孔壁附近次生裂纹少，大大减小了对保留岩体的损伤和扰动，通过周边孔聚能爆破方案优化，有效减少了炮孔数量，经济效益和社会效益显著。
作者：	徐世祥
专业：	土木工程
导师：	吴波
授予学位：	博士
授予学位单位：	广西大学
学位年度：	2022