巖質(zhì)路塹液態(tài)CO2爆破應(yīng)力分布研究

摘要 文章以酒額鐵路DK54+220.00～DK56+122.00開挖段為研究背景，通過(guò)理論分析與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，探究了巖質(zhì)路塹液態(tài)二氧化碳（CO2）相變爆破的應(yīng)力分布規(guī)律。研究結(jié)果表明，爆破發(fā)生后，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力呈先增大后減小的變化趨勢(shì)；隨著水平向各監(jiān)測(cè)點(diǎn)與炮孔間距的增大，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)峰值應(yīng)力逐漸減??；豎直向各監(jiān)測(cè)點(diǎn)峰值應(yīng)力呈先增大后減小的趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞 巖質(zhì)路塹；液態(tài)CO2；爆破；應(yīng)力分布

中圖分類號(hào) TU751.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2025）02-0157-04

0 引言

隨著我國(guó)鐵路建設(shè)的不斷深入，大型土石方開挖工程日益繁重，爆破技術(shù)由于其快速破巖的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于土石方開挖工程。Chen H D等[1]介紹了利用CO2相能提高煤層滲透性的一種技術(shù)，被稱為液態(tài)二氧化碳相變致裂技術(shù)，歸類為物理爆破；周西華等[2]基于損傷力學(xué)和空氣動(dòng)力學(xué)，研究了液態(tài)CO2的爆破原理，分析了爆破過(guò)程中爆破器主管內(nèi)高壓氣體的壓力時(shí)程變化；孫可明等[3]通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定了不同溫壓條件下氣爆噴嘴的壓力時(shí)程曲線，反演得到了爆生氣體Jones-Wilkins-Lee（JWL）的狀態(tài)方程參數(shù)，建立了超臨界二氧化碳?xì)獗铝衙后w的沖擊動(dòng)力學(xué)模型；周西華等[4]監(jiān)測(cè)液態(tài)CO2爆破過(guò)程中爆破器主管內(nèi)高壓氣體的壓力時(shí)程曲線，研究了液態(tài)CO2爆破煤層的增透機(jī)制，并建立了FLAC3D數(shù)值模型；為增加低滲透煤層透氣性，優(yōu)化液態(tài)CO2相變爆破鉆孔布置參數(shù)，賈進(jìn)章等[5]利用巖石損傷力學(xué)，對(duì)液態(tài)CO2相變爆破后應(yīng)力波在煤體中的衰減、煤體損傷程度和致裂半徑形成進(jìn)行了研究，分析了CO2氣爆增透的機(jī)理；趙程鵬等[6]基于LS-DYNA有限元軟件進(jìn)行了單孔爆破數(shù)值模擬和不同孔間距的兩孔爆破數(shù)值模擬，結(jié)果表明73型液態(tài)CO2致裂管現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值模擬的單孔最大巖體破壞范圍分別為1.84 m和1.766 m，試驗(yàn)和模擬結(jié)果具有較高的一致性；蘇都都等[7]嘗試采用PFC 2D數(shù)值方法預(yù)測(cè)臺(tái)階爆破的爆堆形態(tài)，采用該方法對(duì)爆堆形態(tài)與爆破參數(shù)的關(guān)系進(jìn)行了研究，并通過(guò)與相關(guān)觀測(cè)、模擬結(jié)果的比較，論證了該研究方法的可靠性；潘紅宇等[8]通過(guò)將CO2氣爆應(yīng)力波等效為半球面諧振波，分析了CO2氣爆作用下煤層的顆粒速度場(chǎng)，以顆粒膨脹加載法和動(dòng)邊界條件處理法、應(yīng)用PFC 2D構(gòu)建了二維數(shù)值模擬模型，分析了CO2氣爆含控制孔煤層裂隙的演化規(guī)律。

綜上可知，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在液態(tài)二氧化碳相變爆破理論方面及其在煤炭行業(yè)的應(yīng)用進(jìn)行了大量研究，但鮮有學(xué)者針對(duì)液態(tài)二氧化碳相變爆破在土石方開挖工程中的應(yīng)用進(jìn)行探究，該文以實(shí)際工程為例，通過(guò)理論分析與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，探究液態(tài)二氧化碳相變爆破發(fā)生后的應(yīng)力分布規(guī)律。

1 工程概況

酒額鐵路全長(zhǎng)241.675km，其DK55+200～DK55+400開挖段的地層巖石主要為石英片巖，成分以石英、斜長(zhǎng)石為主，鱗片粒狀變晶結(jié)構(gòu)，抗壓強(qiáng)度為600～800 kPa。開挖段擬采用液態(tài)二氧化碳相變爆破致裂技術(shù)進(jìn)行開挖，路塹臺(tái)階坡率為1：1.1，高度h=4 m，臺(tái)階面寬度w=5 m，現(xiàn)場(chǎng)炮孔埋置深度為4.0 m，液態(tài)二氧化碳充裝量為5.0 kg，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況如圖1所示，路塹邊坡簡(jiǎn)圖如圖2所示。

2 液態(tài)二氧化碳爆破破巖機(jī)理

液態(tài)二氧化碳相變致裂技術(shù)通過(guò)爆破裝置實(shí)現(xiàn)，其裝置主要包括儲(chǔ)液罐、致裂器、起爆器等，該課題研究所采用的致裂器為Φ89型致裂器。起爆后，致裂器中液態(tài)二氧化碳迅速氣化，致裂器內(nèi)部壓強(qiáng)急速升高，達(dá)到臨界值時(shí)高壓氣體噴射沖擊炮孔周圍的巖土體，瞬間粉碎炮孔周圍巖土體，從而形成粉碎區(qū)。高壓氣體沖擊作用所形成的沖擊波在形成粉碎區(qū)過(guò)程中消耗了大量能量，將衰減為應(yīng)力波，而應(yīng)力波在向遠(yuǎn)處傳播過(guò)程中，沿炮孔徑向方向產(chǎn)生壓應(yīng)力并產(chǎn)生壓縮變形，環(huán)向和豎向則產(chǎn)生拉應(yīng)力并產(chǎn)生徑向裂隙，形成裂隙區(qū)。此時(shí)，由于粉碎區(qū)和裂隙區(qū)在形成過(guò)程中消耗大量能量，應(yīng)力波剩余能量不足以對(duì)巖體進(jìn)行破壞，以振動(dòng)形式繼續(xù)向遠(yuǎn)處傳播，形成振動(dòng)區(qū)。同時(shí)，應(yīng)力波傳播到臨空面后形成反向拉伸應(yīng)力波并向相反方向繼續(xù)傳播，而反向拉伸應(yīng)力波在傳播過(guò)程中與爆破應(yīng)力波相互疊加致使裂隙進(jìn)一步發(fā)展，當(dāng)反向拉伸應(yīng)力波不足以使周圍巖土體產(chǎn)生裂隙時(shí)，裂隙將停止發(fā)育。

3 數(shù)值模型分析

3.1 離散元數(shù)值模型

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，采用PFC5.0建立的離散元數(shù)值仿真模型如圖3所示，模型中白色矩形為致裂器，其余為巖土體顆粒。模型共生成72 352個(gè)顆粒，共設(shè)置7個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其布置示意圖如圖4所示。PFC中通過(guò)在顆粒間建立合理的接觸本構(gòu)模型以模擬巖土體顆粒間的相互作用，該文顆粒間的接觸模型采用平行黏結(jié)接觸本構(gòu)模型，其細(xì)觀參數(shù)取值如表1所示，其中模型邊界條件設(shè)置為透射邊界條件。當(dāng)爆破荷載施加結(jié)束且?guī)r體開始發(fā)生斷裂和拋擲運(yùn)動(dòng)時(shí)，將爆破模型中所有顆粒的局部阻尼設(shè)置為零，與此同時(shí)施加黏性阻尼，以保證巖土體發(fā)生斷裂和拋擲等大位移運(yùn)動(dòng)時(shí)黏性阻尼能夠發(fā)揮作用。

3.2 爆破荷載

根據(jù)相關(guān)學(xué)者研究，液態(tài)二氧化碳爆破可采用炸點(diǎn)顆粒膨脹法進(jìn)行模擬。爆破發(fā)生后，應(yīng)力波以球面波的形式在介質(zhì)中傳播，通常情況下可將應(yīng)力波等效為脈沖應(yīng)力波，其上升及下降符合半正弦波形式，應(yīng)力波表達(dá)式如下：

式中，A——射流作用峰值壓力（MPa），該文液態(tài)二氧化碳充裝量均為5 kg，Φ89型致裂器裝藥量為5 kg時(shí)的射流作用峰值壓力為253 MPa；ΔT——半正弦波作用時(shí)間（ms）。

脈沖應(yīng)力波荷載時(shí)程曲線如圖5所示。炸點(diǎn)顆粒膨脹作用機(jī)理如圖6所示，中間圓為初始炸點(diǎn)顆粒，外圓為膨脹后炸點(diǎn)顆粒，膨脹后炸點(diǎn)顆粒與周圍巖土體顆粒產(chǎn)生疊加，對(duì)巖土體顆粒產(chǎn)生推力作用，其作用方式與液態(tài)二氧化碳?xì)怏w對(duì)巖土體顆粒的氣楔擠壓作用相符合，因此采用膨脹炸點(diǎn)顆粒模擬液態(tài)二氧化碳爆破作用方式更貼合實(shí)際。

根據(jù)顆粒之間的接觸原理，假定初始炸點(diǎn)顆粒半徑為r0，當(dāng)炸點(diǎn)膨脹至爆破空腔時(shí)，作用于爆破孔周圍巖土體上的壓力為p，此時(shí)炸點(diǎn)顆粒將對(duì)周圍巖土體顆粒產(chǎn)生徑向推力，推力之和為。在接觸剛度、爆炸壓力已知的條件下，顆粒半徑變化的峰值如下：

式中，Kn——炸點(diǎn)膨脹顆粒與周圍巖土體顆粒之間的接觸剛度（N/m）；dr——炸點(diǎn)顆粒的半徑變化量。將液態(tài)二氧化碳爆破的峰值壓力等參數(shù)代入式（2）中，即可得到炸點(diǎn)顆粒的半徑變化量，進(jìn)而在離散元PFC中實(shí)現(xiàn)對(duì)Φ89型致裂器爆破方式的模擬。

3.3 模型分析

根據(jù)離散元數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果，繪制爆破發(fā)生后各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力分布曲線，縱向和水平向各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力分布如圖4所示：

由圖7-a可知，1#和2#監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力曲線大致呈“V”形，而3#和4#監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力曲線大致呈倒“V”形，縱向各監(jiān)測(cè)點(diǎn)峰值應(yīng)力自上而下呈先增大后減小的趨勢(shì)，最大峰值應(yīng)力為10.2 MPa，其中1#和2#應(yīng)力為拉應(yīng)力、3#和4#應(yīng)力為壓應(yīng)力。通過(guò)對(duì)液態(tài)二氧化碳相變爆破致裂機(jī)理的分析可知，粉碎區(qū)形成后，沖擊波衰減為應(yīng)力波，巖土體在應(yīng)力波傳播過(guò)程中受到環(huán)向拉應(yīng)力，所以1#和2#監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力曲線為負(fù)值。同時(shí)，由于1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離爆破點(diǎn)較近，受應(yīng)力波作用較為強(qiáng)烈，故而1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)峰值應(yīng)力較2#監(jiān)測(cè)點(diǎn)大；3#和4#監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于致裂器中心點(diǎn)所在水平面的下方，受路塹自重應(yīng)力的影響較大，故3#監(jiān)測(cè)點(diǎn)和4#監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力均為正值，且4#監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于3#監(jiān)測(cè)點(diǎn)的上方，4#監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力波作用較3#監(jiān)測(cè)點(diǎn)強(qiáng)烈，故而4#監(jiān)測(cè)點(diǎn)峰值應(yīng)力較3#監(jiān)測(cè)點(diǎn)大。

由圖7-b可知，水平向各監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化曲線先增大后減少，呈“V”形，隨著監(jiān)測(cè)點(diǎn)與炮孔間距增大，峰值應(yīng)力逐漸減小，最大峰值應(yīng)力出現(xiàn)在5#監(jiān)測(cè)點(diǎn)處，最大峰值應(yīng)力為5.2 MPa，而7#監(jiān)測(cè)點(diǎn)峰值應(yīng)力最小，為

2.3 MPa，其中7#監(jiān)測(cè)點(diǎn)在3.68 s左右出現(xiàn)應(yīng)力驟升從而達(dá)到峰值應(yīng)力。根據(jù)液態(tài)二氧化碳相變爆破致裂機(jī)理，在爆破發(fā)生后，隨著應(yīng)力波在巖土體中的傳播，其能量被逐漸消耗，因此呈現(xiàn)隨著監(jiān)測(cè)點(diǎn)與炮孔間距的增大，峰值應(yīng)力逐漸減小的現(xiàn)象。當(dāng)應(yīng)力波傳播到臨空面后，在臨空面產(chǎn)生反向拉伸應(yīng)力波，由于應(yīng)力波和反向拉伸應(yīng)力波的共同作用，7#監(jiān)測(cè)點(diǎn)在3.68 s時(shí)出現(xiàn)應(yīng)力驟升現(xiàn)象，而5#和6#監(jiān)測(cè)點(diǎn)由于距離臨空面較遠(yuǎn)，受反向拉伸應(yīng)力波作用較小，故而應(yīng)力波無(wú)明顯突變現(xiàn)象。

4 結(jié)論

結(jié)合液態(tài)二氧化碳爆破機(jī)理和數(shù)值仿真計(jì)算結(jié)果，通過(guò)分析4 m炮孔深度條件下巖質(zhì)路塹液態(tài)二氧化碳爆破時(shí)的各監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力，得到以下結(jié)論：

（1）爆破發(fā)生后，水平向各監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力曲線大致呈“V”形。而在縱向各監(jiān)測(cè)點(diǎn)中，致裂器中心點(diǎn)所在水平面上方的監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力曲線大致呈“V”形，而在水平面下方的監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力曲線則呈倒“V”形，這種差異主要由路塹自重應(yīng)力導(dǎo)致。

（2）爆破發(fā)生后，縱向各監(jiān)測(cè)點(diǎn)峰值應(yīng)力自上而下呈先增大后減小趨勢(shì)，其中最大峰值應(yīng)力出現(xiàn)在1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)處，為10.2 MPa，表現(xiàn)為拉應(yīng)力；最小峰值應(yīng)力出現(xiàn)在3#監(jiān)測(cè)點(diǎn)處，為3.8 MPa，表現(xiàn)為壓應(yīng)力。

（3）對(duì)比分析水平向各監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力曲線可知，隨著各監(jiān)測(cè)點(diǎn)與炮孔距離的增大，應(yīng)力峰值逐漸減小，5#監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力峰值最大，約為5.2 MPa，而7#監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力峰值最小，為2.3 MPa。

（4）水平向監(jiān)測(cè)點(diǎn)達(dá)到應(yīng)力峰值前，出現(xiàn)應(yīng)力驟升現(xiàn)象，越靠近臨空面，應(yīng)力驟升現(xiàn)象越明顯，這是應(yīng)力波在臨空面反彈形成的反向拉伸應(yīng)力波造成。

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