平面裝藥條件下洞室受力特征試驗研究

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

地下防護工程是抵御外敵入侵、保障國家安全的有效盾牌，是國防實力的重要組成部分。構(gòu)建適應(yīng)未來高技術(shù)戰(zhàn)爭需求的防護工程體系，對于保障國家安全和發(fā)展，增強國防實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，進一步提高防護工程抗力等級是應(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，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層厚度及強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行了研究。Rajmeny等[2]通過爆破試驗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的抗爆性能和土釘抗動載性能進行研究，取得黃土洞室噴錨支護的受力特性及圍壓分布形態(tài)以及土釘支護的臨界抗力。王承樹[5]在諸多試驗基礎(chǔ)上，根據(jù)洞室錨噴支護受力破壞特點，將其從受力機制上劃分為5種類型，即“結(jié)構(gòu)力學型”破壞、受壓破壞、剪切破壞、拉伸剝離破壞和橫向斷裂破壞，并指出準靜態(tài)效應(yīng)下，洞室支護破壞形態(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。一些學者[6－8]還通過模型試驗和數(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技術(shù)難題，包括介質(zhì)和支護相似模擬技術(shù)、平面波加載技術(shù)、模型邊界的消波技術(shù)、錨噴與襯砌支護模擬技術(shù)等，分別對毛洞與襯砌洞室進行了抗爆結(jié)構(gòu)模型試驗，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)計荷載和超載條件下毛洞與襯砌洞室的抗爆性能對比試驗成果。在此基礎(chǔ)上，給出了洞室的設(shè)計安全系數(shù)，為實際工程設(shè)計提供參考依據(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。

2 試驗方案設(shè)計

2.1 試驗?zāi)康?、?nèi)容

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

表1 試驗?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]計算出實際工程受到爆炸荷載時在洞室部位產(chǎn)生的應(yīng)力波參數(shù)，其中包括應(yīng)力峰值、上升時間、作用時間等；然后按Froude相似理論確定的應(yīng)力比尺、時間比尺換算出模型洞室部位的應(yīng)力波峰值、上升時間、作用時間等；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，在同一個試驗中要同時滿足沖量和應(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，實測結(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，本試驗是按峰值應(yīng)力滿足相似要求來考慮的。在Froude比例法中，進行模型試驗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

本試驗是在我部研制的“巖土工程抗爆結(jié)構(gòu)模型試驗裝置”上進行的[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，測點為P1～P16，其中P1～P12為垂直應(yīng)力測點、P13～P16為水平應(yīng)力測點，測點布置見圖1；

（2）加速度測量，包括自由場加速度測量（測點為 a1～a4，見圖 1）和洞壁加速度測量(測點為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，測點為U1～U4，見圖2；

（5）對毛洞和襯砌洞室破壞形態(tài)進行宏觀描述。

3 毛洞與襯砌洞室的受力特點

3.1 設(shè)計荷載下毛洞與襯砌洞室的受力特點

根據(jù)試驗結(jié)果繪出在設(shè)計荷載下(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

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)墻靠近洞壁的測點水平變形較大，應(yīng)力相應(yīng)較?。ㄆ渥冃沃狄娤乱还?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)計荷載條件下，實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)計工況條件下

在設(shè)計工況（Wm=184.8 g/m2TNT，R =138 cm）時，毛洞與襯砌洞室洞壁各點應(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4 054×10-6，已超出彈性范圍。

圖5 設(shè)計荷載下毛洞與襯砌洞室洞壁各點應(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)計工況時洞壁應(yīng)變隨時間變化見圖 6。由圖可知，在設(shè)計工況下，毛洞與襯砌洞室洞壁各點應(yīng)變隨時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，毛洞拱腳測點ε4的應(yīng)變?yōu)?3 211.4×10-6，而襯砌洞室拱腳測點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)樨撝凳軌和?，在拱部測點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)計荷載下毛洞與襯砌洞室洞壁應(yīng)變隨時間變化比較（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)變已相當大，拱頂達到-5 085×10-6，拱腳壓應(yīng)變達到-13 618×10-6，側(cè)墻頂和側(cè)墻腳處壓應(yīng)變也達-10 000×10-6以上，均已進入材料塑性階段。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強的加固作用，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應(yīng)變隨時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，毛洞拱腳測點ε4的應(yīng)變?yōu)?10 908.0×10-6，而襯砌洞室拱腳測點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)變均為負值，表明洞壁環(huán)向均受壓，而襯砌洞室在拱部測點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)計荷載下，毛洞也會發(fā)生破壞，也就是說原型洞室在設(shè)計當量爆炸荷載作用下，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)，說明此時洞室已發(fā)生嚴重破壞。而襯砌洞室的上述幾個參數(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，采取可靠的支護措施可有效提高洞室的抗爆能力。試驗結(jié)果對改進工程設(shè)計，提高工程抗力等級具有一定的參考價值。

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