爆炸沖擊荷載下相鄰巷道裂隙擴展機理模擬試驗

郭東明， 劉　康， 楊仁樹， 李　元

(1.中國礦業大學 力學與建筑工程學院，北京　100083； 2.深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，北京　100083)

?

爆炸沖擊荷載下相鄰巷道裂隙擴展機理模擬試驗

郭東明1,2， 劉康1， 楊仁樹1,2， 李元1

(1.中國礦業大學 力學與建筑工程學院，北京100083； 2.深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，北京100083)

摘要：為探究鄰近巷道裂紋缺陷受爆炸荷載作用的擴展機理，采用透射式動態焦散線實驗系統進行模擬實驗。結果表明，對迎爆側隱性裂紋，當裂紋與巷道左壁相對距離10 mm時，裂紋右尖端擴展因巷道的存在使預制裂紋導向作用更顯著，引導爆生主裂紋與預制裂紋左尖端貫穿，衍射后作用于右尖端反射拉伸引起；對背爆側隱性裂紋，當裂紋與巷道右壁相對距離4 mm時，裂紋擴展源于薄弱的巷道臨空面將繞射的應力波能傳遞并導向裂紋缺陷，裂紋受拉擴展貫穿。巷道存在會增加其圍巖裂紋缺陷處動應力集中，在爆炸應力波作用下會誘發裂紋擴展。

關鍵詞：爆炸荷載；鄰近巷道；裂紋擴展；動態焦散線

隧道開挖過程中常遇各種問題，尤其隧道圍巖損傷成為當前面臨的主要問題之一[1]。既有隧道圍巖中存在大量缺陷，如節理、孔洞、裂隙等，當小間距鄰近隧道爆破開挖時，爆炸應力波易誘發既有隧道圍巖裂隙擴展，與周邊缺陷貫穿，降低圍巖強度，導致隧道坍塌等破壞[2]。

對此，楊仁樹等[3]采用HHT方法對爆炸應變波進行時頻分析，為研究爆炸應力波在巖石等固體介質中的傳播機理提供可靠依據。田志敏等[4]采用三維有限元方法模擬研究隧道內爆炸沖擊波傳播規律及爆炸荷載分布規律。孔德森等[5]結合南京地鐵區間隧道工程，對爆炸荷載作用的地鐵隧道沖擊反應進行研究。譚忠盛等[6]通過有限元分析，并結合現場實例，認為有限元方法能較全面反映鄰近爆破施工對既有隧道影響全過程。吳亮等[7-8]研究不同布置條件的隧道爆破施工對鄰近隧道影響，認為沖擊荷載作用的拱形結構抵抗能力大于平面結構。李寧等[9-10]用動力有限元數值分析獲得鄰近隧道允許最小間距及單響藥量控制；彭道富等[11]通過現場實測及動態有限元分析，認為近距離爆破作用的鄰近巷道最大振動速度在迎爆側，背爆側較輕。

以上研究主要針對巷道圍巖無缺陷的巷道周邊應力場及速度場等分布規律所得巷道迎爆側為鄰近爆破的主要擾動區，但針對爆炸荷載對鄰近巷道圍巖裂紋缺陷擾動研究較少[12-14]，且主要單純研究爆炸應力波作用的裂紋缺陷擴展規律[15-18]，未考慮巷道存在對裂紋缺陷擴展產生的影響。本文基于此進行實驗研究，探討巷道存在與爆炸應力波誘發鄰近巷道裂紋缺陷擴展關聯，以深入了解爆炸荷載作用的鄰近巷道裂紋擴展機理。

1實驗原理及實驗模型建立

1.1實驗原理

實驗采用透射式動態焦散線系統[19]，該系統由激光發射器、擴束鏡、透鏡、起爆器及高速攝影機等組成，見圖1。

圖1　透射式焦散線試驗系統光路Fig.1 Schematic diagram of transmission caustics experimental system

實驗可記錄爆炸壓縮波作用的裂紋擴展全過程及其每時刻尖端產生的焦散斑-裂紋尖端應力集中區復雜變形狀態通過光學幾何映射關系轉換的陰影光學圖形。測量焦散斑直徑可確定每時刻裂紋尖端動態應力強度因子。該因子與裂紋尖端應力場大小呈正相關，反映裂紋尖端應力集中程度大小。復合型擴展裂紋尖端KⅠ及KΠ表達式為

(1)

式中：z0為參考平面到試件距離；C為有機玻璃板應力光學常數；d為玻璃板厚度；K1，KΠ為復合型擴展裂紋尖端Ⅰ、Ⅱ型動態應力強度因子；μ為兩動態應力強度因子比例系數，由(Dmax-Dmin)/Dmax確定；g為應力強度數值因子，由μ確定。

分析中動態應力強度因子隨時間變化曲線用K表示，如KA表示A裂紋動態應力強度因子變化曲線。由高速攝影照片可精確測量瞬時裂紋尖端位置，并據圖片與實物比例換算獲得裂紋尖端位移。位移曲線用D表示，如DA表示A裂紋位移曲線。

1.2實驗模型建立

由于裂紋擴展與巷道存在與否關聯較大，設是否存在巷道為變量，其它條件一致，見圖2。為簡化及減小實驗離散度，需選均質、各向同性材料，避免材料非均質性及各向異性引起誤差；采用透射式動態焦散線系統，需實驗材料高透光率。為便于觀察，要求材料具有一定塑性，因此選有機玻璃作為模型材料。

圖2　實驗模型圖(單位：mm)Fig.2 The model diagram of experiment

實驗模型尺寸300 mm×300 mm×5 mm；炮孔直徑6 mm，炮孔內填充145 mg疊氮化鉛，采用電火花引爆炸藥模擬爆源；鄰近巷道采用直墻拱形截面，上部半圓拱，直徑40 mm，下部半矩形，尺寸40 mm×20 mm；對圍巖缺陷，據文獻[20]，背爆側不同傾角的裂紋缺陷在爆炸荷載作用下擴展軌跡基本沿水平方向，只在擴展后期因卸載波作用出現向下或向上翹曲；迎爆側水平裂紋受應力波產生的拉應力最大，裂紋最不利傾向為水平方向。為使實驗現象更明顯，預制5 mm水平裂紋模擬巷道圍巖缺陷，實驗分別研究爆炸荷載誘發鄰近巷道迎爆側、背爆側裂紋缺陷擴展機理，預制裂紋缺陷分別置于巷道的迎、背爆側(圖2)；模型其它尺寸見圖2。圖中炮孔與預制裂紋間距及裂紋與巷道間距確定均據實驗[21]，保證效果明顯。

2巷道迎爆側裂紋擴展機理實驗研究及分析

2.1實驗結果分析

圖3(a)為巷道迎爆側裂紋缺陷擴展結果，可見，巷道存在時炮孔處誘發的爆生主裂紋基本沿直線擴展并與預制裂紋貫穿，最終預制裂紋C端擴展與巷道貫穿；圖3(b)為相同條件的裂紋擴展結果，爆生主裂紋A的擴展軌跡雖偏離炮孔與預制裂紋連線方向，但A裂紋擴展到預制裂紋上方時翹曲向預制裂紋C端并與預制裂紋C端接近貫穿，誘發預制裂紋C端擴展。可見其它條件不變、存在及不存在巷道時，爆生主裂紋A的擴展軌跡有較大差異。存在巷道時巷道使預制裂紋對爆生主裂紋A的擴展方向導向作用更明顯，應力較無巷道時更集中，將A裂紋的擴展方向導向預制裂紋；無巷道時預制裂紋處應力集中程度不足以較大程度影響A裂紋的擴展方向，僅當A裂紋接近預制裂紋處時，由于裂紋自由面存在使A裂紋擴展方向發生翹曲。

圖3　相同條件下有無巷道的迎爆側預制裂紋擴展結果Fig.3 The final extension result of prefabricated crack in the meeting-blast side under the same condition when existing roadway or not

由圖3中無法直觀看到預制裂紋C端起裂過程及分析預制裂紋擴展機理，為更清楚了解爆炸荷載作用的整個過程，通過高速攝影儀采集的系列圖片具體說明，見圖4。由圖4看出，爆生主裂紋A沿與預制裂紋連線方向擴展，t=153.33 μs時與預制裂紋B端貫穿，t=160 μs時預制裂紋C端開始起裂擴展，即巷道存在時主裂紋先與預制裂紋B端貫穿后，預制裂紋C端開始擴展。說明預制裂紋擴展并非由于應力波在巷道臨空面反射產生的拉伸應力所致，而因主裂紋與預制裂紋B端貫穿后應力波衍射過預制裂紋，并作用于C端，從而誘發裂紋擴展。

圖4　圖2(a)對應的裂紋擴展過程系列圖Fig.4 A series of crack extension pictures corresponding to figure 2(a)

圖5為裂紋擴展過程。由圖5可知，t=140μs時裂紋C端起裂。預制裂紋C端擴展發生在A裂紋翹曲向預制裂紋C端之后，說明預制裂紋對A裂紋擴展方向也有導向作用，且將A端攜帶的應力波導向預制裂紋，誘發C端擴展。在A裂紋到達預制裂紋B端到翹曲向C端過程中預制裂紋B、C端焦散斑增大。

通過以上實驗描述知，不存在巷道時爆生主裂紋在偏離炮孔與預制裂紋連線方向擴展到預制裂紋附近時，因缺陷處的應力集中，導致主裂紋向預制裂紋翹曲，引導應力波能傳遞到預制裂紋，在預制裂紋C端應力波能疊加，誘發C端擴展。存在巷道時巷道迎爆側圍巖中裂紋擴展主要原因并非巷道側壁反射的應力波拉伸所致，而是巷道存在導致裂紋缺陷處擾動加劇，應力較無巷道時更集中，引導主裂紋擴展沿預制裂紋方向并與巷道貫穿。

圖5　2(b)對應的裂紋擴展過程系列圖Fig.5 A series of crack extension pictures corresponding to figure 2(b)

2.2裂紋尖端動態應力強度因子分析

在爆炸荷載作用下，爆炸沖擊能破碎孔壁，沿切槽方向誘發裂紋，并快速擴展。不存在巷道時(圖6(b))炮孔處誘發的裂紋A快速擴展，并伴隨動態應力強度因子振蕩性減小。t=133 μs時裂紋A繞過預制裂紋B端向C端翹曲；t=180 μs時裂紋A停止擴展。在裂紋A向預制裂紋C端翹曲過程中引導應力波能傳遞到C端，并能量疊加；t=147 μs時預制裂紋C端開始快速擴展，并伴隨C端動態應力強度因子快速增加。由圖6(b)看出，盡管B端動態應力強度因子有所增加，但明顯小于C端，由此可解釋預制裂紋B端擴展位移增加明顯小于C端，能量傳遞到預制裂紋處時實現能量傳遞，主要導向與主裂紋傳播方向一致的C端。存在巷道時(圖6(a))，由于炮孔誘發主裂紋A的擴展方向在炮孔與預制裂紋連線方向，t=140 μs時主裂紋A與預制裂紋B端貫穿，應力波能衍射過裂紋并與C端應力波能疊加，使C端動態應力強度因子在t=160 μs時快速增加，并伴隨C端裂紋快速擴展；t=187 μs時與巷道貫穿。

由分析可知，引起預制裂紋擴展的主要原因并非應力波在巷道臨空面反射后產生的拉伸應力，而是從炮孔處傳遞的應力波能在裂紋尖端疊加，導致動態應力強度因子快速增加，從而誘發C端擴展。

圖6　有無巷道時迎爆側預制裂紋、炮孔處誘發裂紋擴展位移及尖端動態應力強度因子時間變化曲線Fig.6 The variation of dynamic stress intensity factorand extension displacement of crack tip in the meeting-blast side following the time when existing roadway or not

3巷道背爆側裂紋擴展機理實驗研究及分析

3.1實驗結果圖分析

有無巷道時背爆側預制裂紋擴展最終結果見圖7。由圖7(a)看出，巷道迎爆側破壞較大，背爆側預制裂紋B端與巷道貫穿，C端有較大擴展；由圖7(b)看出，預制裂紋并未擴展，而炮孔處誘發的主裂紋擴展方向發生較大偏移。此現象說明巷道存在對應力波能有一定傳遞、引導作用，使傳遞到巷道迎爆側部分能量通過繞射到達背爆側較薄弱部位即預制裂紋處，并伴隨裂紋受拉擴展而釋放，導致距離爆炸源較遠的巷道背爆側裂紋缺陷處成為主要擾動區；而巷道不存在時由于預制裂紋距離爆炸源較遠，預制裂紋導向作用幾乎可忽略，但主裂紋A出現隨機擴展。

圖7　相同條件有無巷道時背爆側預制裂紋擴展最終結果Fig.7 The final extension result of prefabricated crack in the meeting-blast side under the same conditionwhen existing roadway or not

3.2裂紋尖端動態應力強度因子分析

有無巷道時背爆側預制裂紋及炮孔處誘發裂紋尖端動態應力強度因子隨時間變化曲線見圖8。由圖8(b)看出，不存在巷道時炮孔處誘發主裂紋A尖端動態應力強度因子隨時間出現振蕩性減小規律。t=140 μs時強壓縮波追上裂紋A，裂紋A的動態應力強度因子達到谷值1.173 MN/m3/2后，強壓縮波接近預制裂紋B端，對預制裂紋產生較大拉伸應力，預制裂紋B、C端出現較大焦散斑，動態應力強度因子分別達到峰值0.987 MN/m3/2及0.768 MN/m3/2，超過動態斷裂韌度，誘發兩尖端短暫擴展。由于強壓縮波越過預制裂紋B端，裂紋A端動態應力強度因子略微增加后振蕩性減小到零，預制裂紋B、C端動態應力強度因子趨于零。由圖8(a)看出，存在巷道時炮孔處誘發的裂紋很快與巷道貫穿。t=60 μs時應力波繞射到巷道背爆側預制裂紋處，預制裂紋兩尖端現應力集中，初始階段裂紋B、C端動態應力強度因子變化規律相似，均逐漸增大，在t=90～110 μs階段動態應力強度因子基本無變化，而t=150 μs時強度因子開始快速增加，裂紋起裂，B端很快與巷道貫穿，而C端出現較快擴展。t=200 μs時動態應力強度因子達到峰值1.683 MN/m3/2，上下振蕩變化持續一段時間后振蕩性減小到零，裂紋最終擴展位移為4.12 cm。

圖8　有無巷道時背爆側預制裂紋及炮孔處誘發裂紋尖端動態應力強度因子隨時間變化曲線Fig.8 The variation of dynamic stress intensity factor of crack tip in the meeting-blast side following the time when existing roadway or not

由動態應力強度因子分析知，因巷道存在，應力波繞射過巷道作用于預制裂紋C端并誘發其擴展過程中，裂紋尖端動態應力強度因子明顯大于無巷道，說明巷道存在會致預制裂紋處較薄弱，應力波作用時應力更集中，即應力波繞射過程中應力集中區會發生遷移，應力波繞射到預制裂紋處時，由于預制裂紋自由面對應力波反射產生拉伸應力，尖端出現應力集中。在背爆側壁應力集中處與裂紋尖端間形成垂直方向拉應力場，誘發裂紋尖端擴展；左尖端與巷道貫穿后更多應力波能在右尖端釋放。

4綜合分析

爆炸荷載對鄰近巷道裂紋缺陷影響問題為爆炸應力波作用于裂紋缺陷問題，爆炸荷載產生的應力波傳播或繞射傳播到預制裂紋左尖端時，在左尖端發生反射，產生反射拉伸應力，由于裂紋自由面存在，應力波將衍射傳播到裂紋右尖端，再次發生反射產生拉伸應力及越過裂紋尖端的剪應力[22]，尖端產生應力集中，并不斷積聚、釋放能量，即動態應力強度因子曲線呈震蕩性變化(圖6、圖8)，動態應力強度因子超過動態斷裂韌度時裂紋起裂[23]。

巷道不存在、裂紋距爆源60 mm時(圖3(b))，由于預制裂紋對主裂紋擴展方向有一定導向作用，盡管主裂紋擴展出現一定偏移，主裂紋擴展到預制裂紋上方時翹曲向預制裂紋右尖端，將應力波能導向預制裂紋，動態應力強度因子超過動態斷裂韌度，誘發預制裂紋擴展；裂紋距爆源69 mm時(圖7(b))，預制裂紋導向作用變弱，幾乎可忽略，主裂紋擴展方向發生較大偏移。

應力波能總趨向于相對薄弱位置釋放，對迎爆側預制裂紋，巷道存在使其導向作用更顯著，應力更集中，炮孔處誘發的主裂紋沿水平向直接與預制裂紋左尖端貫穿后，應力波在預制裂紋處發生衍射，作用于預制裂紋右尖端形成反射拉伸波，誘發右尖端擴展。對巷道背爆側裂紋，傳播中應力波沿巷道臨空面繞射，產生動應力集中[24]，且波的傳播逐漸遷移，并伴隨能量傳遞，應力波繞射傳播到預制裂紋處將反射產生拉伸應力，裂紋尖端出現應力集中，最終在背爆側壁應力集中處與裂紋尖端連線垂直方向產生拉應力，誘發裂紋擴展，釋放能量。

5結論

(1) 爆炸荷載作用下鄰近巷道裂紋擴展的直接作用機理為應力波傳播或繞射傳播到預制裂紋處，在裂紋自由面發生反射產生拉伸應力，預制裂紋尖端應力集中誘發裂紋擴展貫穿。巷道存在會增加其周邊裂紋缺陷的動應力集中。

(2) 對迎爆側隱性裂紋，巷道存在使預制裂紋對爆生主裂紋擴展方向具有更強的導向作用，爆生主裂紋沿炮孔與預制裂紋連線方向擴展，并與預制裂紋貫通，通過衍射將爆炸應力波能導向預制裂紋右尖端，誘發右尖端擴展。

(3) 對背爆側隱性裂紋，巷道臨空面的繞射作用將應力波能傳遞并導向巷道周邊最薄弱部位即預制裂紋處誘發裂紋擴展，即應力波傳播到預制裂紋處時在裂紋與巷道背爆側壁間產生拉應力場作用。

(4) 爆炸荷載作用下鄰近巷道圍巖裂紋擴展機理研究對爆破振動危害防護具有指導意義，可為巖石材料相關實驗奠定基礎。

參 考 文 獻

[1] 賀永年,韓立軍,邵鵬,等.深部巷道穩定性的若干巖石力學問題[J].中國礦業大學學報,2006,35(3):288-295.

HE Yong-nian, HAN Li-jun, SHAO Peng, et al. Some problems of rock mechanics for roadways stability in depth[J]. Journal of China University of Mining & Technology, 2006,35(3):288-295.

[2] 陳劍杰,孫鈞,林俊德,等.強爆炸應力波作用下巖石地下洞室的破壞現象學[J].解放軍理工大學學報,2007,8(6): 582-588.

CHEN Jian-jie, SUN Jun, LIN Jun-de, et al. Failure of rock openings under intensive explosion stress wave[J]. Journal of PLA University of Science and Technology, 2007,8(6):582-588.

[3] 楊仁樹,高祥濤,車玉龍,等.基于HHT 方法的爆炸應變波時頻分析[J].振動與沖擊,2014,33(10):17-21.

YANG Ren-shu, GAO Xiang-tao, CHE Yu-long, et al. Joint time-frequency analysis of blast strain wave based on Hilbert-Huang transformation[J].Journal of Vibration and Shock, 2014,33(10):17-21.

[4] 田志敏,鄔玉斌,羅奇峰. 隧道內爆炸沖擊波傳播特性及爆炸荷載分布規律研究[J].振動與沖擊,2011,30(1):21-26.

TIAN Zhi-min, WU Yu-bin, LUO Qi-feng. Characteristics of in-tunnel explosion-induced air shock wave and distribution law of reflected shock wave load[J]. Journal of Vibration and Shock,2011,30(1):21-26.

[5] 孔德森,孟慶輝,張偉偉,等.爆炸荷載作用下地鐵隧道的沖擊反應研究[J].振動與沖擊,2012,31(12):68-72.

KONG De-seng, MENG Qing-hui, ZHANG Wei-wei, et al. Shock responses of a metro tunnel subjected to explosive loads[J]. Journal of Vibration and Shock, 2012,31(12):68-72.

[6] 譚忠盛,楊小林,王夢恕.復線隧道施工爆破對既有隧道的影響分析[J].巖石力學與工程學報,2003,22(2):281-285.

TAN Zhong-sheng, YANG Xiao-lin, WANG Meng-shu. Effect of blast in double line tunnel on existing tunnel[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2003, 22(2): 281-285.

[7] 吳亮,鐘冬望. 不同布置條件下鄰近隧道掘進爆破對既有隧道的影響[J]. 煤炭學報, 2009, 34(10): 1339-1343.

WU Liang, ZHONG Dong-wang. Effect of tunneling blasting on the existing adjacent tunnel under different conditions[J]. Journal of China Coal Society, 2009, 34(10): 1339-1343.

[8] 鐘冬望,吳亮,余剛. 鄰近隧道掘進爆破對既有隧道的影響[J]. 爆炸與沖擊, 2010, 30(5): 456-462.

ZHONG Dong-wang, WU Liang, YU Gang. Effect of tunneling blasting on the existing adjacent tunnel[J]. Explosion and Shock Waves, 2010, 30(5): 456-462.

[9] 李寧,顧強康,張承客. 相鄰洞室爆破施工對已有洞室的影響[J]. 巖石力學與工程學報, 2009, 28(1): 31-38.

LI Ning, GU Qiang-kang, ZHANG Cheng-ke. Influence of blasting on excavation of a new tunnel adjacent to existing tunnel[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2009, 28(1): 30-38.

[10] 李寧,張承客,周鐘. 邊坡爆破開挖對鄰近已有洞室影響研究[J].巖石力學與工程學報, 2012, 31(2): 3471-3477.

LI Ning, ZHANG Cheng-ke, ZHOU Zhong. Influence research of slope blasting excavation on adjacent existed tunnel[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2012, 31(2): 3471-3477.

[11] 彭道富,李忠獻,楊年華. 近距離爆破對既有隧道的振動影響[J]. 中國鐵道科學, 2005, 26(4): 73-76.

PENG Dao-fu, LI Zhong-xian, YANG Nian-hua. Vibration effect at existing tunnel Induced by close-in blasting[J]. China Railway Science, 2003, 26(4): 73-76.

[12] 郭東明,劉康,王雁冰,等. 爆炸荷載對鄰近巷道裂紋群影響規律動焦散試驗[J].煤炭學報,2014,39(增1):64-69.

GUO Dong-ming, LIU Kang, WANG Yan-bing, et al. Dynamic caustics test of blast load impact on the group of crack surrounding neighboring roadway[J]. Journal of China Coal Society, 2014, 39(Sup1):64-69.

[13] 王蒙,朱哲明,曾利剛.巷道周邊裂紋應力強度因子的實驗研究[J].四川大學學報,2012,44(1):99-103.

WANG Meng, ZHU Zhe-ming, ZENG Li-gang. The actual studies about stress intensity factor of crack surrounding roadway[J]. Journal of Sichuan University, 2012, 44 (1): 99-103.

[14] 徐則民,黃潤秋.巖爆與爆破關系[J].巖石力學與工程學報,2003,22(3):414-419.

XU Ze-min, HUANG Run-qiu. Relationship between Rock Burst and Blasting[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2003,22(3):414-419.

[15] 楊仁樹,王雁冰,楊立云,等. 雙孔切槽爆破裂紋擴展的動焦散試驗[J].中國礦業大學學報,2012,41(6):868-872.

YANG Ren-shu, WANG Yan-bing, YANG Li-yun,et al. Dynamic caustics experimental study on crack propagation in two borehole cut blasting[J]. Journal of China University of Mining and Technology,2012,41(6): 868-872.

[16] 李清,楊仁樹. 節理介質中爆炸裂紋擴展的細觀行為研究[J]. 中國礦業大學學報,2002,31(3):271-274.

LI Qing, YANG Ren-shu. Microscopic behavior research of blast crack extension in the joint medium[J]. Journal of China University of Mining and Technology,2002,31(3): 271-274.

[17] 姚學鋒,方競,熊春陽.爆炸應力波作用下裂紋與孔洞的動態焦散線分析[J].爆炸與沖擊,1998,18(3):232-236.

YAO Xue-feng, FANG Jing, XIONG Chun-yang. Dynamic caustics analysis of cracks and holes subjected to explosion stress wave[J].explosion and impact,1998,19 (3):232-236.

[18] 穆朝民,齊娟. 爆炸荷載作用下煤體裂紋擴展機理模型實驗研究[J]. 振動與沖擊,2012,31(13):58-61.

MU Chao-min, QI Juan. Model investigation on cracks propagation in coal under blast loading[J]. Journal of Vibration and Shock, 2012,31(13):58-61.

[19] 楊仁樹,楊立云,岳中文,等.數字激光動態焦散線實驗方法和系統[P].中國,201110366309.9,2012-07-04.

[20] 郭東明,劉康,楊仁樹,等. 爆破對鄰近巷道背爆側傾斜裂紋影響實驗研究[J].采礦與安全工程學報,2015,32(1): 99-104.

GUO Dong-ming, LIU Kang, YAN Ren-shu, et al. Experimental research on the influence of blasting on the inclined crack in the back-blasting side of nearby roadway [J]. Journal of Mining & Safety Engineering, 2015, 32(1): 99-104.

[21] 郭東明,劉康,楊仁樹,等. 爆炸荷載對鄰近巷道背爆側裂紋的影響規律[J].煤炭學報, 2014, 39(12):2355-2361.

GUO Dong-ming, LIU Kang, YAN Ren-shu, et al. Effects of blast load on crack in back-blast side of adjacent tunnel[J]. Journal of China Coal Society, 2014, 39(12): 2355-2361.

[22] 胡榮,朱哲明,胡哲源,等. 爆炸動載荷下裂紋擴展規律的實驗研究[J].巖石力學與工程學報,2013,32(7):1477-1481.

HU Rong, ZHU Zhe-ming, HU Zhe-yuan, et al. Experimental study of regularity of crack propagation under blasting dynamic loads[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2013, 32(7): 1477-1481.

[23] 李清,楊仁樹,李均雷,等. 爆炸荷載作用下動態裂紋擴展試驗研究[J].巖石力學與工程學報,2005,24(16): 2912-2916.

LI Qing, YANG Ren-shu, LI Jun-lei, et al. Experimentalstudy on propagation of dynamic cracks under blasting loading[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2005,24(16):2912-2916.

[24] 蓋秉政.論彈性波繞射與動應力集中問題[J].力學進展,1987,17(4):447-465.

GAI Bing-zheng. The discuss of elastic wave diffraction and dynamic stress concentration problem [J]. Journal of Mechanics, 1987,17 (4): 447-465.

基金項目：國家自然科學基金項目(51274204;51134025)；教育部新世紀優秀人才支持計劃(NCET-12-0965)

收稿日期：2014-12-18修改稿收到日期：2015-07-10

中圖分類號:O383+.2;U455.41

文獻標志碼：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2016.02.030

Simulation experiments on the mechanism of adjacent tunnel crack extension induced by explosion load

GUO Dong-ming1,2, LIU Kang1, YANG Ren-shu1,2, LI Yuan1

(1. School of Mechanic & Civil Engineering China University of Mining & Technology, Beijing 100083, China; 2. State Key Laboratory of Deep Rock and Soil Mechanics and Underground Engineering, Beijing 100083, China)

Abstract:In order to explore the mechanism of extension of crack defects in nearby roadway under explosion load, a transmission type dynamic caustics experimental system was adopted to carry out the simulated experimental study. The experimental results show that the propagation of a prefabricated recessive crack located at meeting-blast side results from that the existing tunnel makes the leading effect of the prefabricated crack more notable, which guides the crack propagation from the explosive source to the left cutting-edge of prefabricated crack and by diffraction to the right cutting-edge, then the right cutting-edge starts to extend under the stretching influence of diffraction stress wave, when the distance between the prefabricated crack and the left panel of tunnel is 10 mm. For a prefabricated recessive crack at back-blast side, when the spacing between the prefabricated crack and the right panel of tunnel is 4 mm, the expansion of crack results from that the weak free surface of roadway guides the diffraction stress wave to crack defects, and then the crack extends under tensile stress. The existense of adjacent roadway increases the dynamic stress concentration at crack defects, inducing the crack extension under the effect of explosive stress wave.

Key words:explosion load; adjacent tunnel; crack propagation; dynamic caustics

第一作者 郭東明 男，博士，副教授，1974年