隨著新一輪“西部大開發(fā)”國家戰(zhàn)略的深入實(shí)施，我國現(xiàn)代交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)重點(diǎn)正逐步向地質(zhì)條件復(fù)雜的西南山區(qū)延伸板巖地層中的隧道工程數(shù)量日益增多。掏槽爆破作為板巖隧道及井巷鉆爆法施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其參數(shù)設(shè)計(jì)直接影響爆破效果與施工質(zhì)量。由于板巖層理傾角的變化會(huì)顯著影響爆炸應(yīng)力波的傳播路徑與裂紋擴(kuò)展方向，掏槽角度的設(shè)計(jì)需綜合考慮層理傾角的影響

貴州大學(xué)陶鐵軍教授團(tuán)隊(duì)針對巴岳山板巖隧道工程中存在的掏槽成腔效果不理想、炮孔利用率低等問題，開展了板巖隧道爆破損傷機(jī)理與優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。團(tuán)隊(duì)以現(xiàn)場鉆芯取樣的板巖為研究對象，通過靜動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)確定其力學(xué)參數(shù)，并據(jù)此標(biāo)定了HJC本構(gòu)模型參數(shù)；借助ANSYS/LS-DYNA軟件對掏槽爆破過程進(jìn)行數(shù)值模擬，定量分析有效應(yīng)力的傳播規(guī)律與圍巖損傷演化特征；最終揭示了不同層理傾角條件下的最優(yōu)掏槽角度，并通過現(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證了該方案的科學(xué)性，為隧道安全、高效施工提供了關(guān)鍵技術(shù)支持。

巖石與炮孔參數(shù)確定

基于巴岳山隧道現(xiàn)場巖體情況，經(jīng)鉆芯取樣并嚴(yán)格按照國際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)的標(biāo)準(zhǔn)制備3種不同層理傾角巖樣后進(jìn)行靜動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)，獲取力學(xué)參數(shù)。通過單軸與三軸壓縮試樣獲得板巖的單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量、泊松比以及HJC本構(gòu)模型強(qiáng)度參數(shù)B、N值；通過巴西劈裂試驗(yàn)獲得板巖抗拉強(qiáng)度；動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)在Split Hopkinson Pressure Bar (SHPB)系統(tǒng)上開展，為計(jì)算HJC參數(shù)提供數(shù)據(jù)。

Fig. 1 SHPB動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)

本研究基于巴岳山隧道現(xiàn)場炮孔布設(shè)情況構(gòu)建分析模型，發(fā)現(xiàn)掏槽角度是決定楔形掏槽爆破效果的關(guān)鍵參數(shù)，對爆破效果具有顯著影響。較小的掏槽角度有助于引導(dǎo)爆破能量，提高能量傳遞效率，但容易造成巖石過度破碎；而較大的掏槽角度雖有利于實(shí)現(xiàn)巖石的大面積破碎、提升炮孔利用率，但也伴隨掏槽失敗的風(fēng)險(xiǎn)。

結(jié)合板巖具體數(shù)據(jù)進(jìn)行分析表明：當(dāng)掏槽角度小于60°時(shí)，槽腔中心合力過大，爆破能量難以有效釋放，易導(dǎo)致巖石過度破碎且拋擲距離過遠(yuǎn)；隨著掏槽角度由60°增大至70°，合力減小31.63%；進(jìn)一步增至80°時(shí)，合力減小49.23%。然而，若掏槽角度達(dá)到80°，爆破能量過于分散，無法滿足合力大于掏槽在最小抵抗線上形成空腔所需的總阻力，從而導(dǎo)致掏槽失敗。

綜上，現(xiàn)場掏槽角度的合理選取范圍應(yīng)為60°~80°。但目前針對不同層理傾角條件下的掏槽孔角度精準(zhǔn)布設(shè)方法，仍有待進(jìn)一步研究確定。

Fig. 2 炮孔解析

現(xiàn)場試驗(yàn)

基于楔形掏槽破巖基礎(chǔ)理論、仿真結(jié)果以及現(xiàn)場試驗(yàn)，在層理厚度、間距以及炮孔裝藥量等參數(shù)均一致的情況下，當(dāng)板巖隧道層理傾角分別為0°、60°、90°時(shí)，最優(yōu)掏槽角度分別設(shè)計(jì)為80°、70°、60°，可實(shí)現(xiàn)最大有效峰值應(yīng)力及爆破損傷區(qū)域，從而達(dá)到最佳的掏槽爆破效果。

陶鐵軍

貴州大學(xué)

教授

貴州大學(xué)礦業(yè)學(xué)院三級教授，博士研究生導(dǎo)師，國務(wù)院特殊津貼專家、貴州省“省管專家”，獲貴州省高層次人才“百層次”、貴州省優(yōu)秀青年科技人才、貴州省青年科技獎(jiǎng)、江西省首批“雙千”人才，現(xiàn)任貴州省隧道與地下空間安全建造與智慧運(yùn)維創(chuàng)新人才團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人、中國爆破行業(yè)協(xié)會(huì)常務(wù)理事和專家委員會(huì)委員、貴州省力學(xué)學(xué)會(huì)監(jiān)事會(huì)副主席。主要從事爆破工程、安全工程、巖土工程的教學(xué)與科研等方面的研究，主持國家自然科學(xué)基金等省部級課題10余項(xiàng)，先后發(fā)表學(xué)術(shù)論文100余篇，其中EI、SCI收錄30余篇，出版專著1部，獲國家知識產(chǎn)權(quán)局授權(quán)發(fā)明專利15項(xiàng)（第一完成人11項(xiàng)）、實(shí)用新型專利18項(xiàng)，獲貴州省科學(xué)技術(shù)進(jìn)步一等獎(jiǎng)1項(xiàng)（第7）、二等獎(jiǎng)3項(xiàng)（第1、1、3）、三等獎(jiǎng)1項(xiàng)（第2），中國爆破行業(yè)協(xié)會(huì)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)3項(xiàng)（第1、2、7）、二等獎(jiǎng)3（第1、2、5）項(xiàng)，獲中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)（第5），主持或參與起草行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)2項(xiàng)、地方標(biāo)準(zhǔn)2項(xiàng)、省級工法2項(xiàng)。

《金屬礦山》簡介

《金屬礦山》由中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司和中國金屬學(xué)會(huì)主辦，主編為中國工程院王運(yùn)敏院士，現(xiàn)為北大中文核心期刊、中國科技論文統(tǒng)計(jì)源期刊（中國科技核心期刊）、中國精品科技期刊（F5000頂尖學(xué)術(shù)論文來源期刊）、中國百強(qiáng)報(bào)刊、RCCSE中國核心學(xué)術(shù)期刊（A）、中國期刊方陣雙百期刊、國家百種重點(diǎn)期刊、華東地區(qū)優(yōu)秀期刊，被美國化學(xué)文摘（CA）、美國劍橋科學(xué)文摘（CSA）、波蘭哥白尼索引（IC）、日本科學(xué)技術(shù)振興機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)庫（JST）等世界著名數(shù)據(jù)庫收錄。主要刊登金屬礦山采礦、礦物加工、機(jī)電與自動(dòng)化、安全環(huán)保、礦山測量、地質(zhì)勘探等領(lǐng)域具有重大學(xué)術(shù)價(jià)值或工程推廣價(jià)值的研究成果，優(yōu)先報(bào)道受到國家重大科研項(xiàng)目資助的高水平研究成果。根據(jù)科技部中國科技信息研究所發(fā)布的《2024中國科技期刊引證報(bào)告（核心版）》，《金屬礦山》核心總被引頻次位列26種礦業(yè)工程技術(shù)學(xué)科核心期刊第1位；根據(jù)中國知網(wǎng)發(fā)布的《中國學(xué)術(shù)期刊影響因子年報(bào)》（2024版），《金屬礦山》學(xué)科影響力位居73種礦業(yè)期刊第9位。

供稿：曾文旭

編排：余思晨

審核：王小兵

利用提供參考依據(jù)。

供稿：曾文旭

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