爆炸地沖擊擾動(dòng)誘發(fā)含結(jié)構(gòu)面圍巖破壞模擬試驗(yàn)

熊自明，李志浩，高 磊，2，程祥珍，馬 超，陳煥新

（1.陸軍工程大學(xué) 爆炸沖擊防災(zāi)減災(zāi)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210007；2.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094；3.32391部隊(duì)，廣東 廣州 510000；4.96911部隊(duì)，北京 100011）

近年來，隨著采礦、隧道、水利和國防工程等重大項(xiàng)目逐漸向地球深部邁進(jìn)，深部工程災(zāi)害日益凸出［1-4］。隨著埋深的增加，地應(yīng)力隨之增大，高應(yīng)力的存在，會(huì)使得圍巖內(nèi)儲(chǔ)存大量的彈性能。在洞室開挖過程中，圍巖內(nèi)部應(yīng)力會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移，同時(shí)，開挖產(chǎn)生的洞室為圍巖變形和移動(dòng)提供了臨空面?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)顯示，開挖過程中發(fā)生的巖爆、大變形等工程災(zāi)害［5-7］，會(huì)嚴(yán)重威脅人身財(cái)產(chǎn)安全。

外界擾動(dòng)荷載的作用同樣是誘發(fā)工程災(zāi)害的重要原因。研究表明，擾動(dòng)作用會(huì)加速巖體內(nèi)的能量轉(zhuǎn)移。為揭示動(dòng)力擾動(dòng)對(duì)深部圍巖的破壞機(jī)制，眾多學(xué)者開展了大量的研究。何滿潮等［8］研制了沖擊巖爆模擬系統(tǒng)，模擬了動(dòng)力擾動(dòng)作用下災(zāi)害的發(fā)生過程。蘇國韶等［9-11］開展了低頻擾動(dòng)作用下巖塊和含孔洞巖石試樣的破壞試驗(yàn)，研究了巖石試樣的破壞機(jī)制和能量演化機(jī)制。宮鳳強(qiáng)等［12］開展了不同靜載下硬巖在動(dòng)力擾動(dòng)作用下的試驗(yàn)研究，分析了靜應(yīng)力水平和擾動(dòng)頻率對(duì)巖石試件破壞的影響。趙光明等［13］研究了擾動(dòng)作用下，卸荷巖體的破壞特征。劉閩龍等［14］研究了多次動(dòng)力擾動(dòng)作用下巖石的變形破壞特征，得到?jīng)_擊次數(shù)的增加，會(huì)加速巖石破壞的結(jié)論。

不同于爆炸近區(qū)強(qiáng)沖擊荷載引起的強(qiáng)度破壞，當(dāng)洞室距離爆源較遠(yuǎn)時(shí)，爆炸產(chǎn)生的動(dòng)力擾動(dòng)遠(yuǎn)小于巖塊的強(qiáng)度，地沖擊擾動(dòng)引發(fā)洞室破壞的主要原因在于初始結(jié)構(gòu)面的存在［15］。地質(zhì)調(diào)查結(jié)果表明，巖石內(nèi)部含有眾多結(jié)構(gòu)面，結(jié)構(gòu)面的存在，使得巖體被分割成眾多巖塊［16］。動(dòng)力擾動(dòng)的存在，使得塊體間出現(xiàn)超低摩擦現(xiàn)象，引發(fā)塊體的滑移失穩(wěn)［17-20］。在工程災(zāi)變模擬方面，眾多學(xué)者通過研究突破了變形破壞的時(shí)間相似問題［21］，實(shí)現(xiàn)了采用低強(qiáng)度高脆性相似材料模擬開挖過程中的工程災(zāi)害［22］，同時(shí)還研究了擾動(dòng)作用下，結(jié)構(gòu)面的滑移失穩(wěn)［23］。

綜上所述，現(xiàn)有研究中所采用的試件多為硬巖，結(jié)構(gòu)面的模擬采用的是真實(shí)巖塊的拼接，未充分考慮深埋洞室的初始地應(yīng)力環(huán)境，動(dòng)力擾動(dòng)作用下，含軟弱結(jié)構(gòu)面的圍巖如何破壞，塊體滑移如何在圍巖中發(fā)生，仍有待于進(jìn)一步的研究。為充分模擬現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境，研究裂隙、塊系巖體以及斷層等地質(zhì)結(jié)構(gòu)面的存在對(duì)圍巖破壞機(jī)制的影響，本文通過開展相似模擬試驗(yàn)，分析了遠(yuǎn)區(qū)大當(dāng)量爆炸作用下，含結(jié)構(gòu)面圍巖的破壞規(guī)律。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 工況設(shè)計(jì)

1.1.1 地應(yīng)力計(jì)算

對(duì)于深埋洞室而言，高埋深帶來的一個(gè)重要問題就是巖體中的高地應(yīng)力特征。根據(jù)地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，垂直地應(yīng)力的大小和埋深為線性相關(guān)［24］。取水平地應(yīng)力和垂直地應(yīng)力的比值為1，可得到垂直地應(yīng)力σH和水平地應(yīng)力σz的計(jì)算結(jié)果為

式 中：ρ為 巖 體 密 度，kg ?m-3；g為 重 力 加 速 度，m ?s-2；H為洞室埋深，m。

1.1.2 動(dòng)力擾動(dòng)計(jì)算

為研究遠(yuǎn)距離爆炸對(duì)深埋洞室的影響，需計(jì)算得到作用在洞室的地沖擊擾動(dòng)。根據(jù)現(xiàn)有的試驗(yàn)結(jié)果可知，隨著爆心距r的增加，沖擊擾動(dòng)的幅值逐漸減小。并且應(yīng)力波在傳播過程中，波會(huì)被拉長，升壓時(shí)間和正壓時(shí)間會(huì)隨之增加。當(dāng)洞室距離爆心較遠(yuǎn)時(shí)，相對(duì)于洞室而言，波陣面的曲率較大，可將其簡化為平面波。因此，根據(jù)測(cè)試得到的粒子運(yùn)動(dòng)速度，地沖擊擾動(dòng)的峰值可按照下式計(jì)算［25］：

式中：cp為縱波波速；vm為粒子運(yùn)動(dòng)速度；Q為等效封閉爆炸當(dāng)量；A和n為系數(shù)。

對(duì)于堅(jiān)硬巖石來說，各參數(shù)取值為ρ=2 640 kg ?m-3，cp=4 250 m ?s-1，A=8.94×104，n=2.21。因此，可以計(jì)算得到

應(yīng)力波的升壓時(shí)間tr和正壓時(shí)間t+分別為

1.1.3 相似比計(jì)算

根據(jù)力學(xué)原理和量綱分析，可以計(jì)算得到各個(gè)參數(shù)的相似關(guān)系。設(shè)定原型和模型試件的尺寸相似比為50∶1，密度相似比為1∶1，則可以得到各參數(shù)的取值，如表1 所示［26］。另外，彈性模量相似比、強(qiáng)度相似比和應(yīng)力相似比是相同的，在表中不再贅述。

表1 相似比取值Tab.1 Similarity ratio values

1.1.4 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

設(shè)定洞室為埋深1 000 m的圓形洞室，比例爆距（r/Q1/3）處于120～340 m ?kt-1/3之間，則可以計(jì)算得到模型試驗(yàn)所需的地應(yīng)力為0.5 MPa，沖擊擾動(dòng)壓力峰值為0.05～0.51 MPa，升壓時(shí)間為18.85～46.37 ms，正壓時(shí)間為58.38～177.65 ms。為研究爆炸地沖擊擾動(dòng)作用下隧洞圍巖的破壞規(guī)律，得到圍巖的地沖擊閾值，試驗(yàn)對(duì)比了比例爆距在320、170和140 m ?kt-1/3左右的爆炸地沖擊擾動(dòng)作用下，完整圍巖、含結(jié)構(gòu)面圍巖、含斷層圍巖的破壞特征。為分析結(jié)構(gòu)面對(duì)圍巖破壞的影響機(jī)制，在試件內(nèi)部設(shè)置了多種不同的結(jié)構(gòu)面。

1.2 試驗(yàn)裝置

采用圖1所示的地沖擊效應(yīng)模擬試驗(yàn)裝置開展本次試驗(yàn)研究。裝置由5 部分組成，可以實(shí)現(xiàn)從地應(yīng)力加載、洞室開挖、沖擊擾動(dòng)加載全過程的模擬。裝置可實(shí)現(xiàn)真三軸柔性加載和長時(shí)間穩(wěn)定靜壓加載?？砷_挖的最大洞室直徑為200 mm，開挖速率可根據(jù)需要調(diào)節(jié)。此外，裝置可在試件頂面實(shí)現(xiàn)頂部平面波均勻加載。應(yīng)力波峰值可達(dá)3 MPa，正壓時(shí)間可以達(dá)到300 ms，升壓與正壓時(shí)間比可根據(jù)需要調(diào)節(jié)。試件為邊長1.3 m的立方體。

圖1 地沖擊效應(yīng)模擬試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Ground impact effect simulation test device

1.3 模型制作及傳感器布置

根據(jù)裝置的容納空間，設(shè)置試件為邊長1.3 m的立方體，大尺寸試件可以清晰地模擬出洞周圍巖的破壞情況。試驗(yàn)所采用的相似模擬材料由石英砂、重晶石砂、重晶石粉、松香、95%的酒精配制而成［27］。參考Ⅱ類圍巖，材料的基本參數(shù)取值見表2，其中，相似材料的參數(shù)符合與實(shí)際巖體1∶50 的相似比［26］。

表2 材料參數(shù)確定Tab.2 Determination of material parameters

模型尺寸如圖2a 所示。底部高度500 mm 的部分整體澆筑而成，澆筑過程中采用密度控制法，分層制作，一層的酒精揮發(fā)完成后再澆筑下一層。模型上部800 mm高度范圍內(nèi)，從后到前分6部分依次制作完成。其中，第Ⅰ部分厚度為300 mm，完整澆筑而成，后期不開挖，模擬掌子面的存在并滿足模型背面均勻加載的需要。第Ⅱ～Ⅵ部分厚度均為200 mm，除第Ⅳ部分，均為完整澆筑而成。第Ⅳ部分采用塊體拼接而成，塊體為提前制作，材質(zhì)和完整澆筑部分一樣。

圖2 試件尺寸及傳感器布置圖（單位：mm）Fig.2 Test specimen size and sensor arrangement (unit: mm)

試驗(yàn)過程中，對(duì)模型施加的三向靜應(yīng)力相同，并且在模型頂部施加的動(dòng)荷載是均勻的面荷載，根據(jù)受力特點(diǎn)可知，第Ⅱ～Ⅵ部分的力學(xué)環(huán)境基本一致。由于前立面的加載和開挖完成后掌子面的存在，第Ⅱ部分靠近掌子面的15 cm和第Ⅵ部分不作為研究對(duì)象。圖2b 為后期開挖完成后模型的示意圖。將第Ⅱ部分的5 cm厚度和第Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ部分作為對(duì)象，研究不同沖擊荷載作用下，含不同結(jié)構(gòu)面圍巖的破壞情況。

結(jié)構(gòu)面根據(jù)大小可以分為裂隙和斷層。當(dāng)結(jié)構(gòu)面數(shù)量較多時(shí)，可將巖體分割成塊系巖體。為充分對(duì)比結(jié)構(gòu)面對(duì)圍巖破壞的影響機(jī)制，沿洞軸方向，設(shè)置了含裂隙圍巖、塊系巖體和斷層。其中，在第Ⅱ部分靠近第Ⅲ部分的5 cm范圍內(nèi)設(shè)置了裂隙（圖2c），為消除圍巖內(nèi)部的黏結(jié)力，在圍巖內(nèi)部放置亞克力板模擬裂隙，亞克力板的尺寸為50 mm×50 mm，厚度為2 mm。第Ⅲ部分為不含結(jié)構(gòu)面部分，作為對(duì)照組和其他工況對(duì)比（圖2d）。第Ⅳ部分由塊體拼接而成，塊體為邊長100 mm 的立方體。其中，第Ⅳ部分含兩排塊體（截面3 和截面4），在截面3 塊體處設(shè)置關(guān)鍵塊體，模擬塊體的滑移失穩(wěn)（圖2e）。在截面4塊體上粘貼光纖光柵傳感器，監(jiān)測(cè)圍巖的應(yīng)變（圖2f）。在第Ⅴ部分設(shè)置了斷層，長度和寬度均為20 cm（圖2g），斷層到洞壁的距離為2 cm。為消除材料間的黏結(jié)力，在斷層內(nèi)填充了細(xì)沙。

試件制作過程中，內(nèi)部埋設(shè)了動(dòng)態(tài)壓力傳感器和光纖光柵位移計(jì)，監(jiān)測(cè)沖擊過程中圍巖的應(yīng)力、應(yīng)變。洞室開挖完成后，在洞室內(nèi)部放置位移計(jì)和微型相機(jī)，監(jiān)測(cè)位移和洞室內(nèi)的破壞情況。

1.4 試驗(yàn)過程

將試件放入儀器后，開始加壓。采用分級(jí)分向加壓，加壓順序依次為前后、左右、頂部，單次加壓幅值為0.1 MPa。一級(jí)加載穩(wěn)定后，才繼續(xù)下一級(jí)加載。當(dāng)加載至頂部、前后、左右壓力均為0.7 MPa時(shí)，維持壓力不動(dòng)，進(jìn)行保壓加載。保壓3 d后，將三向壓力均降低至0.5 MPa，而后保持壓力不變，待試件內(nèi)部應(yīng)力均達(dá)到0.5 MPa，開始洞室開挖。

為模擬實(shí)際場(chǎng)地中洞室的開挖過程，試驗(yàn)采用分段開挖。單次開挖長度為10 cm，控制開挖速率為每10 min 開挖10 cm。兩次開挖的間歇時(shí)間為10 min。洞室開挖完成且洞室內(nèi)無明顯變化時(shí)，開始沖擊加載試驗(yàn)。

為研究爆炸地沖擊擾動(dòng)作用下深埋洞室的破壞特征，控制比例爆距在320、170 和140 m ?kt-1/3左右，則可以計(jì)算得到模擬試驗(yàn)中，施加在試件頂面的平面波的峰值為0.06、0.24和0.36 MPa。升壓時(shí)間在20～50 ms左右，正壓時(shí)間在70～200 ms左右。為更加清楚地觀察洞室的破壞特征，控制沖擊壓力略大于第3 次沖擊時(shí)的沖擊壓力，對(duì)試件施加沖擊擾動(dòng)，直至洞室出現(xiàn)嚴(yán)重破壞。

2 不同沖擊荷載作用下監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

2.1 沖擊過程中的壓力監(jiān)測(cè)

沖擊過程中的壓力監(jiān)測(cè)情況如圖3～5所示。其中，圖3 為布置在試件頂部埋深5 cm 處傳感器的監(jiān)測(cè)結(jié)果。對(duì)比3次沖擊過程中頂部壓力監(jiān)測(cè)結(jié)果可以看出，沖擊作用下，布置在頂部的傳感器監(jiān)測(cè)結(jié)果基本一致，證明了裝置可以在試件頂面施加均勻的平面波。同時(shí)，也證明了沿洞徑設(shè)置的各部分可以受到相同的地沖擊擾動(dòng)，證明了工況設(shè)置的合理性，進(jìn)而可以對(duì)比相同地沖擊擾動(dòng)下，不同結(jié)構(gòu)面形式對(duì)圍巖破壞程度的影響。

圖3 試件頂部壓力對(duì)比Fig.3 Comparison of pressure conditions at the top of the specimen

為監(jiān)測(cè)應(yīng)力波在試件中的傳播，在洞室上方沿高度方向布置了多個(gè)傳感器，傳感器的布設(shè)位置如圖2 所示。為分析應(yīng)力波自上而下的傳播規(guī)律，取第Ⅴ部分在3 次沖擊下的傳感器監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行說明。監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖4 所示。對(duì)比同一次沖擊下5 個(gè)傳感器的監(jiān)測(cè)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，監(jiān)測(cè)波形基本一致，說明了傳感器監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。另外，從圖4 中可以看出，3次沖擊下，沖擊擾動(dòng)的傳播規(guī)律較為一致，均為隨埋深的增加，峰值逐漸降低。說明應(yīng)力波在試件內(nèi)部傳播過程中不斷衰減。

圖4 試件內(nèi)部應(yīng)力傳播Fig.4 Stress propagation within the specimen

為進(jìn)一步厘清應(yīng)力波自上而下的傳播規(guī)律，取第Ⅲ部分（完整部分）和第Ⅴ部分（含斷層部分）的應(yīng)力波峰值進(jìn)行對(duì)比，如圖5所示。由圖5可以看出，3次沖擊下，兩部分的峰值衰減規(guī)律基本一致，說明裝置可以對(duì)試件的不同部分施加相同的地沖擊擾動(dòng)，證明了工況設(shè)置的合理性和科學(xué)性。另外，當(dāng)材料相同時(shí)，不同位置處的應(yīng)力波傳播規(guī)律基本一致，說明了測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。從變化規(guī)律可以看出，距離洞室越近，沖擊壓力峰值衰減越快。埋深50 cm處位于洞室上方5 cm，開挖完成后，洞周圍巖的松動(dòng)對(duì)此處的應(yīng)力測(cè)試結(jié)果影響較大。因此綜合考慮應(yīng)力波衰減和洞周圍巖松動(dòng)的影響，將埋深40 cm 處的應(yīng)力測(cè)試結(jié)果作為深埋洞室承受的地沖擊擾動(dòng)。由含斷層部分的測(cè)試結(jié)果可知，3次沖擊下洞室承受的地沖擊擾動(dòng)峰值分別為0.057、0.230、0.330 MPa。根據(jù)公式（2）和相似比，可計(jì)算得到3次沖擊對(duì)應(yīng)的比 例 爆距（r/Q1/3）分別為322.0、171.3、148.0 m ?kt-1/3。與設(shè)計(jì)所需的地沖擊壓力基本一致。

圖5 完整部分和斷層部分壓力對(duì)比Fig.5 Pressure comparison between intact and faulted sections

2.2 沖擊過程中的位移監(jiān)測(cè)

為量化不同比例爆距下洞室的破壞程度，在洞室頂部和左右斜45°拱肩處放置了位移傳感器，監(jiān)測(cè)洞室內(nèi)的位移。圖6為布置在第Ⅲ部分（完整部分）位移計(jì)測(cè)試得的位移情況。由圖6 可知，沖擊作用下，頂部位移最大，說明在沖擊作用下洞室沿上下方向被壓縮。因?yàn)槟Ｐ驮囼?yàn)為對(duì)稱加載，左右拱肩處位移基本一致，驗(yàn)證了試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。此外，沖擊完成后產(chǎn)生的殘余位移表征了洞室破壞的劇烈程度。第1 次沖擊后，洞頂?shù)臍堄辔灰茷?.01 mm 左右，說明洞室內(nèi)的變形基本為彈性。第2次沖擊后，洞室頂部的殘余位移為0.13 mm 左右，說明洞室內(nèi)出現(xiàn)破壞，但破壞程度較輕，對(duì)于后期較大的沖擊來講，該次沖擊造成的損傷可忽略不計(jì)。第3 次沖擊后洞室頂部的殘余位移為0.30 mm左右，左右斜45°的監(jiān)測(cè)結(jié)果出現(xiàn)了一定的差異，說明洞室內(nèi)部出現(xiàn)了部分損傷，但整體而言，此時(shí)洞室還處于輕微損傷階段。3 次試驗(yàn)的位移監(jiān)測(cè)結(jié)果和對(duì)應(yīng)比例爆距下現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的破壞程度基本一致［28］。

圖6 沖擊過程中的位移監(jiān)測(cè)Fig.6 Displacement monitoring during impact

2.3 沖擊過程中的應(yīng)變監(jiān)測(cè)

為監(jiān)測(cè)沖擊過程中洞周圍巖的應(yīng)變情況，在試件內(nèi)部粘貼了光纖光柵應(yīng)變傳感器。距離洞壁最近的監(jiān)測(cè)點(diǎn)為5 cm，兩監(jiān)測(cè)點(diǎn)間的間距為5 cm。第1次沖擊時(shí)，應(yīng)變幅值較小，最大的應(yīng)變幅值為1×10-5左右，此時(shí)洞室內(nèi)部沒有破壞。第2、3次沖擊試驗(yàn)中，應(yīng)變監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖7 所示。從圖7 中可以看出，洞室頂部的應(yīng)變監(jiān)測(cè)波形和應(yīng)力波形基本一致，且洞室頂部有先受壓而后向受拉方向轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)。第2次沖擊時(shí)，A1處的拉應(yīng)變達(dá)到了9×10-5，說明在沖擊作用下，洞室頂部的塊體出現(xiàn)了一定程度的移動(dòng)。但A2 和A3 處的應(yīng)變較小，說明洞室內(nèi)部沒有出現(xiàn)嚴(yán)重破壞。洞室右側(cè)受拉明顯，說明在沖擊作用下洞室右側(cè)在擠壓作用下，會(huì)向內(nèi)部移動(dòng)。頂部沖擊作用下，會(huì)在洞室右側(cè)產(chǎn)生豎直方向的壓應(yīng)力集中和水平方向的徑向拉應(yīng)力。第2 次和第3 次沖擊試驗(yàn)表明，當(dāng)沖擊擾動(dòng)較小時(shí)，洞室右側(cè)塊體的運(yùn)動(dòng)會(huì)處于主導(dǎo)地位。而當(dāng)沖擊擾動(dòng)較大時(shí)，由于應(yīng)力集中的出現(xiàn)，導(dǎo)致洞室左右兩側(cè)距離洞室較近的圍巖出現(xiàn)較大的變形，在一定程度上限制了塊體的整體運(yùn)動(dòng)。從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來看，隧洞內(nèi)部未發(fā)生嚴(yán)重破壞。

圖7 沖擊過程中的應(yīng)變監(jiān)測(cè)Fig.7 Strain monitoring during impact

3 洞室破壞過程

3.1 開挖完成后圍巖的破壞情況

開挖完成后的洞室情況如圖8 所示。從圖8 中可以看出，開挖完成后，第Ⅱ部分由于預(yù)制裂隙的存在，在隧洞頂部出現(xiàn)了一定程度的損壞，但靠近掌子面的部分并未出現(xiàn)破壞。第Ⅳ部分（塊體拼接）的關(guān)鍵塊體在開挖擾動(dòng)作用下脫落，表明開挖會(huì)導(dǎo)致試件內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，進(jìn)而使得塊體出現(xiàn)滑移，引發(fā)洞室內(nèi)的破壞。另外，由于高應(yīng)力的存在和塊體的擠壓，第Ⅳ部分邊墻處也出現(xiàn)了一定程度的損傷。此外，第Ⅳ、Ⅴ部分交接處，在隧洞拱肩處出現(xiàn)了塊體的脫落。

圖8 開挖完成后洞室的破壞情況Fig.8 Damage to the cavity after excavation completion

對(duì)比第Ⅲ部分和第Ⅱ部分可以看出，裂隙的存在會(huì)降低巖體的承載力，受開挖擾動(dòng)作用，裂隙會(huì)進(jìn)一步開裂擴(kuò)展，進(jìn)而引起洞室內(nèi)部圍巖的損傷。對(duì)比第Ⅲ部分和第Ⅳ部分可以看出，塊體的存在，導(dǎo)致圍巖內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)改變，在開挖時(shí)，會(huì)引起應(yīng)力集中，進(jìn)而導(dǎo)致圍巖的破壞。并且，當(dāng)存在關(guān)鍵塊體時(shí)，開挖導(dǎo)致的應(yīng)力狀態(tài)改變會(huì)引起塊體的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致洞室內(nèi)部垮塌。對(duì)于深埋洞室，高地應(yīng)力的存在使圍巖內(nèi)部儲(chǔ)存了大量的彈性能，開挖時(shí)彈性能釋放。圍巖壓力越高，洞室開挖過程中的損傷越劇烈。

3.2 前3次沖擊過程中的破壞情況監(jiān)測(cè)

為監(jiān)測(cè)洞室內(nèi)的破壞情況，在洞室內(nèi)部布置了微型相機(jī)。監(jiān)測(cè)情況如圖9 所示。第1 次沖擊沒有出現(xiàn)破壞，相機(jī)監(jiān)測(cè)結(jié)果與位移監(jiān)測(cè)和應(yīng)變監(jiān)測(cè)結(jié)果互相印證，說明在比例爆距（r/Q1/3，根據(jù)埋深40 cm處的應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果和公式（2）計(jì)算得到）為322.0 m ?kt-1/3時(shí)，沒有造成圍巖的破壞，此范圍內(nèi)洞室是安全的。第2 次沖擊時(shí)，洞室內(nèi)的監(jiān)測(cè)情況如圖9a所示。其中，在塊體部分有碎屑脫落，在其他部分有輕微的碎屑彈出，但不影響洞室的安全性。從監(jiān)測(cè)情況分析，此時(shí)洞室處于輕微破壞區(qū)和安全區(qū)的邊界（比例爆距為171.3 m ?kt-1/3），當(dāng)沖擊擾動(dòng)增加時(shí)，洞室內(nèi)的破壞程度會(huì)加劇，而當(dāng)沖擊擾動(dòng)減小時(shí)，洞室內(nèi)則不會(huì)出現(xiàn)破壞。比例爆距為148.0 m ?kt-1/3時(shí)，洞室內(nèi)的破壞情況如圖9b所示。從圖中可以看出，在此沖擊擾動(dòng)作用下，斷層部分被激活，填充在斷層內(nèi)的細(xì)沙噴涌而出。塊體部分出現(xiàn)了碎屑的脫落，但整體而言，碎屑尺度不大。隧洞內(nèi)的監(jiān)測(cè)結(jié)果和各類傳感器的監(jiān)測(cè)結(jié)果相互印證，證明了試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

圖9 地沖擊擾動(dòng)作用下洞室內(nèi)的破壞情況Fig.9 Damage within the cavern in ground impact disturbance

通過對(duì)比3 次沖擊試驗(yàn)可知，當(dāng)隧洞到爆心的比例爆距為171.3 m ?kt-1/3時(shí)，洞室處于安全區(qū)和輕微破壞區(qū)的邊界。當(dāng)隧洞到爆心的比例爆距為148.0 m ?kt-1/3時(shí)，會(huì)造成臨近斷層的激活。因此，當(dāng)隧洞處于斷層周圍時(shí)，需要加強(qiáng)隧洞的支護(hù)。

3.3 多次沖擊荷載作用下含不同結(jié)構(gòu)面圍巖破壞情況

3 次沖擊后，試件內(nèi)部出現(xiàn)了損傷，內(nèi)部應(yīng)力波的傳播機(jī)制發(fā)生了變化。因此，后續(xù)沖擊不再考慮具體的比例爆距，僅通過試驗(yàn)現(xiàn)象對(duì)比各部分的破壞情況，分析其破壞機(jī)理。在第4次沖擊過程中，施加到試件頂面的應(yīng)力波峰值分別為0.63 和0.83 MPa，均大于第3次沖擊的應(yīng)力波峰值0.57 MPa。

圖10 為第4 次沖擊過程中洞室內(nèi)部的破壞情況。從圖10 中可以看出，沖擊作用下，填充在斷層內(nèi)部的細(xì)沙噴涌而出。并且，塊體部分也出現(xiàn)了碎屑的崩出。整體而言，第4 次沖擊的破壞程度大于第3 次沖擊，但完整部分洞室無明顯破壞。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的主要原因是沖擊壓力的增加和損傷的累積。

圖10 第4次沖擊下的洞室內(nèi)部Fig.10 Interior of the cavern in the fourth impact

圖11 為第5 次沖擊過程中洞室內(nèi)部的破壞情況。圖中4張照片按照時(shí)間順序排列。第②張照片顯示，沖擊過程中，隧洞頂部碎屑崩出，在含裂隙部分和塊體部分較為明顯，完整澆筑部分較少。整體而言，碎屑崩出的量較多，對(duì)洞室安全造成了一定的威脅。當(dāng)碎屑崩出過程結(jié)束后，斷層部分的細(xì)沙繼續(xù)噴涌而出（第③張照片），說明含斷層部分的破壞程度在進(jìn)一步增加。當(dāng)沖擊結(jié)束一段時(shí)間后，塊體部分出現(xiàn)了大尺寸塊體的滑落，說明在沖擊結(jié)束后，脫落塊體和周圍部分脫離，導(dǎo)致的塊體的脫落。

圖11 第5次沖擊下的洞室內(nèi)部Fig.11 Interior of the cavern in the fifth impact

對(duì)比第3次、第4次和第5次沖擊結(jié)束后洞室的破壞情況（圖12）可以看出，第3次沖擊過程中，斷層部分被激活，出現(xiàn)斷層的噴砂現(xiàn)象。隨著沖擊次數(shù)的增加，洞室內(nèi)部的損傷區(qū)域不斷增加，第5次沖擊后，斷層部分的破壞程度明顯大于之前，并且裂縫開始沿豎直方向延伸，給洞室安全造成了極大的威脅。沖擊過程中，填充在斷層內(nèi)的細(xì)沙不斷被噴出，從圖12a～12c可以看出，隨著沖擊擾動(dòng)的施加，噴出的細(xì)沙不斷增加。由圖12c可以看出，第5次沖擊下脫落的塊體是較為完整的，沒有產(chǎn)生強(qiáng)度破壞，證明了塊體是由于內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)的變化，產(chǎn)生了滑移。

圖12 沖擊導(dǎo)致的洞室內(nèi)破壞情況Fig.12 Damage within the cavern caused by impact

3.4 含結(jié)構(gòu)面洞室圍巖破壞過程分析

通過對(duì)比沖擊結(jié)束后不同部分的破壞現(xiàn)象（圖12d），可以看出5次沖擊后，完整部分在沖擊前后變化不大，幾乎沒有破壞出現(xiàn)。而含裂隙部分、塊體部分和含斷層部分均出現(xiàn)了一定程度的損傷。通過分析可知，當(dāng)結(jié)構(gòu)面尺寸及數(shù)量發(fā)生變化時(shí)，圍巖的破壞機(jī)理也會(huì)隨之改變。

3.4.1 含裂隙圍巖破壞過程分析

一方面，開挖會(huì)引起洞室周圍應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，在洞周形成一定程度的應(yīng)力集中。另一方面，開挖完成后，形成的臨空面，為圍巖的變形移動(dòng)提供了空間。同時(shí)，裂隙的存在會(huì)消除圍巖間的黏結(jié)力，在集中應(yīng)力的作用下，圍巖會(huì)產(chǎn)生變形以及拉伸和剪切破壞。在高應(yīng)力作用下，裂紋會(huì)擴(kuò)展連通。當(dāng)裂隙將圍巖和周圍塊體分割開后，塊體就會(huì)脫落。頂部沖擊荷載作用下，應(yīng)力波自上而下傳播，接近臨空面時(shí)，形成拉伸波。在拉伸波作用下，洞室頂部形成拉伸裂紋，裂紋和初始裂隙相交后，頂部塊體脫落（圖13）。并且，頂部受沖擊荷載作用時(shí)，洞室左右邊墻會(huì)形成壓應(yīng)力集中，形成豎向裂紋，當(dāng)沖擊荷載足夠大時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致左右邊墻的壓潰破壞［26］。

圖13 含裂隙圍巖破壞模式Fig.13 Fractured enclosure failure pattern

3.4.2 塊系圍巖破壞過程分析

對(duì)于塊系巖體而言，圍巖的破壞是由巖塊的運(yùn)動(dòng)主導(dǎo)的。開挖形成的洞室為巖塊運(yùn)動(dòng)提供了空間。如果上部巖塊的摩擦力和支撐力不足以支撐巖塊重量時(shí)，巖塊就會(huì)滑落。因?yàn)樘烊粠r塊的尺寸一般大于裂隙發(fā)展形成的巖塊，所以天然巖塊的滑落會(huì)更加危險(xiǎn)。如圖14 所示，在洞室開挖過程中，洞室上方的塊體①在重力作用下脫落。第5 次沖擊后，塊體②發(fā)生脫落。前期，由于周圍塊體的擠壓和摩擦，塊體②并未脫落。在沖擊荷載的作用下，塊間發(fā)生振動(dòng)，振動(dòng)過程中，摩擦力減小，塊體間擠壓力變小。當(dāng)摩擦力無法支撐時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)塊體脫落。因此，需要特別注意多次擾動(dòng)環(huán)境中的塊體滑移。

圖14 塊系圍巖破壞模式Fig.14 Block system enclosure damage pattern

3.4.3 含斷層圍巖破壞過程分析

洞室開挖完成后，圍巖內(nèi)部應(yīng)力將重新分布，導(dǎo)致洞周環(huán)向應(yīng)力增大，引發(fā)裂紋的萌生、擴(kuò)展。沖擊作用下，洞周的環(huán)向應(yīng)力增加，洞室沿徑向受拉。動(dòng)靜耦合荷載的作用，使得洞周的裂紋不斷發(fā)育、擴(kuò)展。當(dāng)洞室附近有斷層存在時(shí)，尖端效應(yīng)使裂紋沿最短路徑將斷層和洞室連接，逐漸增多的裂紋，最終導(dǎo)致斷層內(nèi)斷層泥的噴出和洞周圍巖的脫落。當(dāng)空間足夠時(shí)，沖擊擾動(dòng)還會(huì)引起斷層的錯(cuò)動(dòng)，導(dǎo)致更大的工程災(zāi)害，如圖15 所示。因此，對(duì)于深埋洞室而言，斷層嚴(yán)重威脅了洞室安全，較小的擾動(dòng)，就可引發(fā)斷層的激活，給洞室造成嚴(yán)重的災(zāi)害。

圖15 含斷層圍巖破壞模式Fig.15 Fault-bearing enclosure damage pattern

4 結(jié)論

采用深埋洞室地沖擊模擬試驗(yàn)裝置，開展了相似模擬試驗(yàn)，模擬了埋深1 000 m 的圓形洞室，在比例爆距分別為322.0、171.3、148.0 m ?kt-1/3的爆炸地沖擊擾動(dòng)作用下的破壞情況。具體結(jié)論如下：

（1）模擬了深埋洞室洞周圍巖的破壞情況，再現(xiàn)了碎屑崩出、含裂隙巖體破壞、塊體滑移脫落、斷層激活等破壞現(xiàn)象。

（2）對(duì)比了不同沖擊擾動(dòng)作用下含結(jié)構(gòu)面圍巖的破壞情況，得到安全和輕微破壞的邊界比例爆距約為171.3 m ?kt-1/3。當(dāng)隧洞到爆心的比例爆距為148.0 m ?kt-1/3時(shí)，會(huì)造成臨近斷層的激活。在多次地沖擊擾動(dòng)下會(huì)出現(xiàn)關(guān)鍵塊體的滑移，對(duì)洞室安全造成嚴(yán)重威脅。

（3）通過對(duì)比含不同結(jié)構(gòu)面巖體的破壞特征，得到了含不同結(jié)構(gòu)面圍巖的破壞機(jī)制。

作者貢獻(xiàn)聲明：

熊自明：思路設(shè)計(jì)及文章撰寫。

李志浩：數(shù)據(jù)處理及文章撰寫。

高 磊：試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集。

程祥珍：研究思路指導(dǎo)。

馬 超：試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集。

陳煥新：研究思路指導(dǎo)。