平面裝藥條件下洞室受力特征試驗(yàn)研究

陳安敏，顧金才，徐景茂，孔福利，明治清

（總參工程兵科研三所，河南 洛陽 471023）

1 引 言

地下防護(hù)工程是抵御外敵入侵、保障國家安全的有效盾牌，是國防實(shí)力的重要組成部分。構(gòu)建適應(yīng)未來高技術(shù)戰(zhàn)爭需求的防護(hù)工程體系，對于保障國家安全和發(fā)展，增強(qiáng)國防實(shí)力具有十分重要的戰(zhàn)略意義。開展地下工程加固技術(shù)研究，進(jìn)一步提高防護(hù)工程抗力等級是應(yīng)對高技術(shù)武器打擊的根本途徑。Charles、Joachim等[1]通過幾何比尺為1:25的模型試驗(yàn)，對地下炸藥庫偶然爆炸產(chǎn)生的爆炸荷載密度和巖體防護(hù)層厚度及強(qiáng)度對洞室外部破壞程度的影響、爆炸引起的空氣沖擊波和碎片的危害程度進(jìn)行了研究。Rajmeny等[2]通過爆破試驗(yàn)研究了臨近采場高應(yīng)力區(qū)洞室圍巖破壞的預(yù)測方法，并得到爆破導(dǎo)致洞室圍巖產(chǎn)生剝離和崩塌的現(xiàn)象。Singh[3]對地下煤礦洞室破壞問題進(jìn)行了研究，指出決定洞室圍巖產(chǎn)生裂縫和剝離程度的主要因素是爆炸造成圍巖振動幅值增加。曾憲明等[4]對黃土洞室噴錨支護(hù)的抗爆性能和土釘抗動載性能進(jìn)行研究，取得黃土洞室噴錨支護(hù)的受力特性及圍壓分布形態(tài)以及土釘支護(hù)的臨界抗力。王承樹[5]在諸多試驗(yàn)基礎(chǔ)上，根據(jù)洞室錨噴支護(hù)受力破壞特點(diǎn)，將其從受力機(jī)制上劃分為5種類型，即“結(jié)構(gòu)力學(xué)型”破壞、受壓破壞、剪切破壞、拉伸剝離破壞和橫向斷裂破壞，并指出準(zhǔn)靜態(tài)效應(yīng)下，洞室支護(hù)破壞形態(tài)與靜態(tài)下的相仿，而拉伸剝離破壞和橫向斷裂破壞是動態(tài)效應(yīng)特有破壞型式。一些學(xué)者[6－8]還通過模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究了爆炸荷載作用下洞室錨索的受力和變形特征、錨桿對洞室圍巖的加固效果等。從上述研究情況看，多數(shù)學(xué)者較為關(guān)注爆破震動對洞室的宏觀破壞特征的影響，但對爆炸荷載下洞室的受力和變形特征研究較少。受工程設(shè)計(jì)部門委托，筆者開展了平面裝藥爆炸條件下洞室圍巖穩(wěn)定性模型試驗(yàn)研究工作。課題組經(jīng)過一年多的努力，解決了一系列模擬試驗(yàn)技術(shù)難題，包括介質(zhì)和支護(hù)相似模擬技術(shù)、平面波加載技術(shù)、模型邊界的消波技術(shù)、錨噴與襯砌支護(hù)模擬技術(shù)等，分別對毛洞與襯砌洞室進(jìn)行了抗爆結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)，測得了模擬平面裝藥爆炸條件下巖體自由場應(yīng)力、加速度，毛洞及襯砌（噴錨襯砌）洞室的相對位移、洞壁應(yīng)變、加速度、圍巖應(yīng)力等大量波形數(shù)據(jù)；給出了模型自由場中峰值應(yīng)力波衰減規(guī)律、設(shè)計(jì)荷載和超載條件下毛洞與襯砌洞室的抗爆性能對比試驗(yàn)成果。在此基礎(chǔ)上，給出了洞室的設(shè)計(jì)安全系數(shù)，為實(shí)際工程設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。限于篇幅，本文主要介紹洞室在模擬平面波荷載作用下的圍巖受力變形特點(diǎn)。

2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)?zāi)康?、?nèi)容

采用模型試驗(yàn)研究方法，對平面裝藥爆炸條件下的洞室圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行對比研究，給出洞室圍巖受力變形狀態(tài)，為工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)。共完成 3個(gè)模型試驗(yàn)，詳見表1。

表1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ透艣rTable 1 Summary of test models

2.2 巖類及洞室?guī)缀纬叽?/h3>

（1）巖體特征：巖體條件按Ⅲ類均質(zhì)圍巖考慮；

（2）洞室型式及幾何尺寸：原型洞室為直墻拱頂型，毛洞凈跨度D =5.5 m，C30鋼筋混凝土襯砌，覆蓋層厚度H =100 m。

2.3 相似原理

本試驗(yàn)要求在模型洞室頂部產(chǎn)生平面應(yīng)力波荷載作用。做法是：首先按現(xiàn)有的規(guī)范[9]計(jì)算出實(shí)際工程受到爆炸荷載時(shí)在洞室部位產(chǎn)生的應(yīng)力波參數(shù)，其中包括應(yīng)力峰值、上升時(shí)間、作用時(shí)間等；然后按Froude相似理論確定的應(yīng)力比尺、時(shí)間比尺換算出模型洞室部位的應(yīng)力波峰值、上升時(shí)間、作用時(shí)間等；最后，選擇合適的爆炸方式和炸藥量在模型介質(zhì)內(nèi)爆炸，使其在洞室部位產(chǎn)生所需要的應(yīng)力波參數(shù)。

由Froude相似理論可知，在同一個(gè)試驗(yàn)中要同時(shí)滿足沖量和應(yīng)力比尺的要求是不可能的。一般地，如果系統(tǒng)的最大反應(yīng)發(fā)生較早，則峰值應(yīng)力應(yīng)完全滿足相似比尺關(guān)系；如果系統(tǒng)的最大反應(yīng)在超壓已經(jīng)充分衰減之后出現(xiàn)，則沖量應(yīng)完全滿足相似比尺關(guān)系[10]。本次試驗(yàn)以洞室拱頂-底板相對位移最大值作為系統(tǒng)最大反應(yīng)的判斷指標(biāo)，實(shí)測結(jié)果表明，拱頂-底板相對位移最大值發(fā)生在壓應(yīng)力充分衰減之前，即系統(tǒng)的最大反應(yīng)發(fā)生較早。因此，本試驗(yàn)是按峰值應(yīng)力滿足相似要求來考慮的。在Froude比例法中，進(jìn)行模型試驗(yàn)需要滿足的重要比尺因數(shù)關(guān)系是由于σ ，ρ 都是材料本身的性質(zhì)，因而幾何比尺Kl不能任意選取，應(yīng)由模型材料和原型介質(zhì)性質(zhì)來決定。最后確定各變量及比例系數(shù)值見表2。

表2 各變量的比例因數(shù)Table 2 Scale factors of each variable

2.4 模型材料選擇

（1）介質(zhì)材料

本試驗(yàn)是在我部研制的“巖土工程抗爆結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)裝置”上進(jìn)行的[11]，模型尺寸為 2 400 cm×1 500 cm×2 300 cm。由于模型幾何尺寸較大，所需模擬材料較多，故模型材料的選擇應(yīng)在滿足相似比尺的前提下，盡量選擇造價(jià)較低、制作工藝簡單、且能重復(fù)使用的材料為宜。本課題模擬的工程巖體類型為Ⅲ類巖體，經(jīng)過多種材料的比較，最終確定模擬材料為型砂摻入30%的河沙及其他材料的混合料。模型介質(zhì)與原型介質(zhì)的物理力學(xué)參數(shù)見表 3，由該表可見，模型材料基本滿足相似比尺要求。

表3 原型和模型介質(zhì)物理力學(xué)參數(shù)Table 3 Physico-mechanical parameters of prototype and model medium

（2）鋼筋混凝土襯砌模擬材料

原型洞室中C30鋼筋混凝土襯砌采用石膏配銅絲網(wǎng)模擬，原型和模型物理力學(xué)參數(shù)見表 4。這里噴層網(wǎng)的模擬是按變形相似考慮的，即原型中鋼筋的應(yīng)變等于模型中銅絲的應(yīng)變(Kε= 1)，可根據(jù)相似比尺與原型中的配筋率算出模型中銅絲的面積，從而確定銅絲網(wǎng)的布置。這樣處理，可基本保證模型洞室的受力及變形特征與原型相似，模擬精度符合工程要求。

表4 洞室襯砌原型材料和模擬材料物理力學(xué)參數(shù)Table 4 Physico-mechanical parameters of the prototype and model material of the tunnel lining

2.5 量測內(nèi)容

（1）自由場中地沖擊應(yīng)力場測量，測點(diǎn)為P1～P16，其中P1～P12為垂直應(yīng)力測點(diǎn)、P13～P16為水平應(yīng)力測點(diǎn)，測點(diǎn)布置見圖1；

（2）加速度測量，包括自由場加速度測量（測點(diǎn)為 a1～a4，見圖 1）和洞壁加速度測量(測點(diǎn)為a5～a8，見圖 2)；

（3）洞壁應(yīng)變測量：毛洞和襯砌洞室洞壁應(yīng)變測點(diǎn)為 ε1～ε7，見圖 2；

（4）洞壁位移測量：測量拱頂與底板間相對位移，測點(diǎn)為U1～U4，見圖2；

（5）對毛洞和襯砌洞室破壞形態(tài)進(jìn)行宏觀描述。

3 毛洞與襯砌洞室的受力特點(diǎn)

3.1 設(shè)計(jì)荷載下毛洞與襯砌洞室的受力特點(diǎn)

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪出在設(shè)計(jì)荷載下(裝藥量 Wm=184.8 g/m2TNT，拱頂至爆心距離R=138 cm，下同)毛洞與襯砌洞室洞周的應(yīng)力峰值分布情況，見圖 3（圖中r表示測點(diǎn)至洞壁表面的距離，D為毛洞跨度）。由該圖可見，兩種洞室洞周應(yīng)力分布形態(tài)無論是拱頂垂向應(yīng)力、側(cè)墻垂向應(yīng)力，還是側(cè)墻水平應(yīng)力都基本一致，但數(shù)值大小不同。從拱頂 P4點(diǎn)應(yīng)力看，毛洞為0.10 MPa，襯砌洞室為0.13 MPa，略大些。從側(cè)墻垂向應(yīng)力P12看，毛洞受到垂向應(yīng)力較襯砌洞室大17%左右。從側(cè)墻水平應(yīng)力P15看，襯砌洞室受到的水平應(yīng)力比毛洞大21%左右。原因在于拱頂爆炸產(chǎn)生的壓應(yīng)力波由爆心向四周傳播，并引起周圍介質(zhì)的變形，由于毛洞圍巖向洞內(nèi)的變形不受任何約束，無論是拱頂，還是側(cè)墻均可以向洞內(nèi)產(chǎn)生較大變形，但襯砌洞室的圍巖變形卻受到了來自襯砌的限制作用，導(dǎo)致其圍巖內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力較毛洞的大。

圖1 模型介質(zhì)自由場參數(shù)測量測點(diǎn)布置（單位: mm）Fig.1 Survey points for the free field parameters measurement in the model medium (unit: mm)

圖2 洞室拱頂加速度、位移、洞壁應(yīng)變測點(diǎn)布置（單位: mm）Fig.2 Measured points for accelerates，displacements and strains of the tunnel wall (unit: mm)

圖3 設(shè)計(jì)荷載下毛洞與襯砌洞室洞周應(yīng)力峰值分布比較Fig.3 Comparison of the stress peak values around the tunnel between unlined and lined tunnel under design load condition

3.2 超載條件下毛洞與襯砌洞室圍巖的受力特點(diǎn)

圖4給出了超載條件下（Wm=368.3 g/m2TNT，R=88 cm），毛洞與襯砌洞室洞周應(yīng)力峰值分布情況。這里，“超載”是相對于設(shè)計(jì)工況而言。由該圖可見，拱頂垂直應(yīng)力和側(cè)墻垂直應(yīng)力二者分布形態(tài)相似，但數(shù)值不同，后者數(shù)值略小。從側(cè)墻水平應(yīng)力看，二者分布形態(tài)不同。造成上述差別的原因在于毛洞圍巖向洞內(nèi)的變形不受約束，無論是拱頂，還是側(cè)墻均可以向洞內(nèi)產(chǎn)生較大變形，其變形大小僅受材料自身性質(zhì)影響，沒有來自洞內(nèi)的外力約束作用，故其側(cè)墻靠近洞壁的測點(diǎn)水平變形較大，應(yīng)力相應(yīng)較小（其變形值見下一節(jié)）。但襯砌洞室的圍巖變形卻受到了來自洞內(nèi)的襯砌的限制作用，因洞壁圍巖變形受側(cè)墻襯砌制約，其水平應(yīng)力較毛洞的略大。

另外，對比圖3和圖4可見，超載條件下的洞室圍巖應(yīng)力要比設(shè)計(jì)荷載下大2倍以上，這是由于二者裝藥量和比例距離不同，產(chǎn)生的動荷載也不同所致。

圖4 超載條件下毛洞與襯砌洞室洞周應(yīng)力峰值分布比較Fig.4 Comparison of the stress peak values around the tunnel between unlined and lined tunnel under overload condition

4 毛洞與襯砌洞室的變形特征

4.1 拱頂－底板相對位移比較

由表5、6可知，在設(shè)計(jì)荷載條件下，實(shí)測毛洞與襯砌洞室的拱頂－底板相對位移分別為1.07 mm和0.51 mm，可見毛洞的相對位移值是襯砌洞室的2倍多。

表5 設(shè)計(jì)荷載下毛洞拱頂-底板相對位移特征值Table 5 Characteristic values of relative displacement between arch crown and tunnel floor under design load condition in the unlined tunnel

表6 設(shè)計(jì)荷載下襯砌洞室拱頂-底板相對位移特征值Table 6 Characteristic values of the relative displacement between arch crown and tunnel floor under design load condition in the lined tunnel

在超載條件下實(shí)測毛洞和襯砌洞室的拱頂-底板相對位移平均值分別為3.61 mm和2.68 mm，前者是后者的近1.35倍。毛洞殘余變形平均為0.58 mm，而襯砌洞室的殘余變形為0.39 mm，前者是后者的近1.5倍。

4.2 洞壁應(yīng)變比較

（1）設(shè)計(jì)工況條件下

在設(shè)計(jì)工況（Wm=184.8 g/m2TNT，R =138 cm）時(shí)，毛洞與襯砌洞室洞壁各點(diǎn)應(yīng)變峰值變化如圖 5所示。圖中“＋”表示拉應(yīng)變，“－”表示壓應(yīng)變。顯而易見，二者在形態(tài)上迥然不同，且從數(shù)值上看，襯砌洞室洞壁應(yīng)變峰值要比毛洞小得多。毛洞拱腳應(yīng)變達(dá)4 054×10-6，已超出彈性范圍。

圖5 設(shè)計(jì)荷載下毛洞與襯砌洞室洞壁各點(diǎn)應(yīng)變峰值變化比較（單位: mm）Fig.5 Comparison of the peak values of strain on tunnel wall between unlined and lined tunnel under design load condition(unit: mm)

毛洞和襯砌洞室在設(shè)計(jì)工況時(shí)洞壁應(yīng)變隨時(shí)間變化見圖 6。由圖可知，在設(shè)計(jì)工況下，毛洞與襯砌洞室洞壁各點(diǎn)應(yīng)變隨時(shí)間變化情況是不同的。從數(shù)值上看，毛洞洞壁應(yīng)變要比襯砌洞室大得多，在6 ms時(shí)，毛洞拱腳測點(diǎn)ε4的應(yīng)變?yōu)?3 211.4×10-6，而襯砌洞室拱腳測點(diǎn)ε4的應(yīng)變?yōu)?67.0×10-6，前者是后者的48倍。從洞壁環(huán)向變形看，毛洞洞壁應(yīng)變均為負(fù)值，表明洞壁環(huán)向受壓，而襯砌洞室除拱頂、拱腳及邊墻環(huán)向應(yīng)變?yōu)樨?fù)值受壓外，在拱部測點(diǎn)ε3處還出現(xiàn)了應(yīng)變?yōu)檎樾?，表明此處洞壁環(huán)向受拉。

圖6 設(shè)計(jì)荷載下毛洞與襯砌洞室洞壁應(yīng)變隨時(shí)間變化比較（單位: mm）Fig.6 Comparison of the variation of strain on tunnel wall with time between unlined and lined tunnel under design load condition(unit: mm)

（2）超載條件下

在超載條件下（Wm=368.3 g/m2，R =88 cm），毛洞與襯砌洞室洞壁各點(diǎn)應(yīng)變峰值變化情況，見圖7。由圖可以看出，在超載條件下，毛洞洞壁應(yīng)變已相當(dāng)大，拱頂達(dá)到-5 085×10-6，拱腳壓應(yīng)變達(dá)到-13 618×10-6，側(cè)墻頂和側(cè)墻腳處壓應(yīng)變也達(dá)-10 000×10-6以上，均已進(jìn)入材料塑性階段。而襯砌洞室拱頂壓應(yīng)變也有-1 612×10-6，側(cè)墻上壓應(yīng)變也在1 900×10-6左右，已超過彈性應(yīng)變峰值[12（]《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50010－2002給出C30砼峰值應(yīng)變約-1 640×10-6）。由此可知，鋼筋混凝土襯砌對洞室圍巖具有相當(dāng)強(qiáng)的加固作用，可大大提高洞室的承載力，但在超載工況下，襯砌洞室也已接近破壞狀態(tài)。

在超載條件下，毛洞和襯砌洞室的洞壁應(yīng)變隨時(shí)間變化見圖 8。由圖可以看出，在超載條件下，毛洞與襯砌洞室洞壁各點(diǎn)應(yīng)變隨時(shí)間變化情況明顯不同。從數(shù)值上看，毛洞洞壁應(yīng)變要比襯砌洞室大得多，在 3 ms時(shí)，毛洞拱腳測點(diǎn)ε4的應(yīng)變?yōu)?10 908.0×10-6，而襯砌洞室拱腳測點(diǎn)ε4的應(yīng)變?yōu)?47.0×10-6，前者為壓應(yīng)變，后者為拉應(yīng)變，且從絕對數(shù)值看前者是后者的 74倍。從洞壁環(huán)向受力看，毛洞洞壁應(yīng)變均為負(fù)值，表明洞壁環(huán)向均受壓，而襯砌洞室在拱部測點(diǎn)ε3處還出現(xiàn)了應(yīng)變?yōu)檎樾?，表明此處洞壁環(huán)向受拉。另外，比較設(shè)計(jì)工況和超載工況的洞壁應(yīng)變值可知，無論是毛洞，還是襯砌洞室，后者均比前者大得多，這也是由于二者裝藥量不同，導(dǎo)致產(chǎn)生的動荷載不同造成的。

圖7 超載條件下毛洞與襯砌洞室洞壁峰值應(yīng)變比較（單位: mm）Fig.7 Comparison of the variation of strain on tunnel wall with time between unlined and lined tunnel under overload condition(unit: mm)

圖8 超載條件下洞室頭部毛洞和襯砌洞室洞壁應(yīng)變隨時(shí)間變化比較Fig.8 Comparison of the variation of strain on tunnel wall with time between unlined and lined tunnel under overload condition

5 結(jié) 論

（1）在設(shè)計(jì)荷載下，毛洞拱頂受到的垂向應(yīng)力較小，約為襯砌洞室的80%，而毛洞直墻受到的垂向應(yīng)力較襯砌洞室大 44%左右；毛洞的拱頂-底板相對位移是襯砌洞室的2倍多；毛洞的拱腳部位洞壁應(yīng)變已超出了材料的彈性階段，而襯砌洞室的洞壁壓應(yīng)變最大只有-223×10-6，尚在彈性范圍內(nèi)。由此可見，即便在設(shè)計(jì)荷載下，毛洞也會發(fā)生破壞，也就是說原型洞室在設(shè)計(jì)當(dāng)量爆炸荷載作用下，毛洞將發(fā)生破壞，而經(jīng)過鋼筋混凝土襯砌支護(hù)的洞室，則是比較安全的。

（2）在超載條件下，毛洞洞周應(yīng)力、拱頂-底板相對位移、洞壁應(yīng)變數(shù)值均有顯著增加。從宏觀上看，毛洞拱腳有裂紋發(fā)生，且有擠壓帶出現(xiàn)，說明此時(shí)洞室已發(fā)生嚴(yán)重破壞。而襯砌洞室的上述幾個(gè)參數(shù)數(shù)值也有較大增加，雖從宏觀上看不到有裂紋或掉塊等破壞現(xiàn)象發(fā)生，但從襯砌洞室洞壁應(yīng)變值看，已接近或超過了混凝土靜載條件下彈性極限應(yīng)變值，由此可知，在超載條件下毛洞已發(fā)生嚴(yán)重破壞，而襯砌洞室也已處于初始破壞狀態(tài)。因此，可把這一工況視作襯砌洞室的初始破壞荷載工況。

（3）從實(shí)測洞室圍巖應(yīng)力、毛洞和襯砌洞室洞壁位移及應(yīng)變變化分析結(jié)果來看，采取可靠的支護(hù)措施可有效提高洞室的抗爆能力。試驗(yàn)結(jié)果對改進(jìn)工程設(shè)計(jì)，提高工程抗力等級具有一定的參考價(jià)值。

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