贵州大学陶铁军等：考虑层理倾角影响的板岩掏槽角度最优设计研究
随着新一轮“西部大开发”国家战略的深入实施，我国现代交通基础设施建设重点正逐步向地质条件复杂的西南山区延伸板岩地层中的隧道工程数量日益增多。掏槽爆破作为板岩隧道及井巷钻爆法施工的关键环节，其参数设计直接影响爆破效果与施工质量。由于板岩层理倾角的变化会显著影响爆炸应力波的传播路径与裂纹扩展方向，掏槽角度的设计需综合考虑层理倾角的影响
贵州大学陶铁军教授团队针对巴岳山板岩隧道工程中存在的掏槽成腔效果不理想、炮孔利用率低等问题，开展了板岩隧道爆破损伤机理与优化设计研究。团队以现场钻芯取样的板岩为研究对象，通过静动力学试验确定其力学参数，并据此标定了HJC本构模型参数；借助ANSYS/LS-DYNA软件对掏槽爆破过程进行数值模拟，定量分析有效应力的传播规律与围岩损伤演化特征；最终揭示了不同层理倾角条件下的最优掏槽角度，并通过现场试验验证了该方案的科学性，为隧道安全、高效施工提供了关键技术支持。
岩石与炮孔参数确定
基于巴岳山隧道现场岩体情况，经钻芯取样并严格按照国际岩石力学学会的标准制备3种不同层理倾角岩样后进行静动力学试验，获取力学参数。通过单轴与三轴压缩试样获得板岩的单轴抗压强度、弹性模量、泊松比以及HJC本构模型强度参数B、N值；通过巴西劈裂试验获得板岩抗拉强度；动力学试验在Split Hopkinson Pressure Bar (SHPB)系统上开展，为计算HJC参数提供数据。
Fig. 1 SHPB动力学试验系统
本研究基于巴岳山隧道现场炮孔布设情况构建分析模型，发现掏槽角度是决定楔形掏槽爆破效果的关键参数，对爆破效果具有显著影响。较小的掏槽角度有助于引导爆破能量，提高能量传递效率，但容易造成岩石过度破碎；而较大的掏槽角度虽有利于实现岩石的大面积破碎、提升炮孔利用率，但也伴随掏槽失败的风险。
结合板岩具体数据进行分析表明：当掏槽角度小于60°时，槽腔中心合力过大，爆破能量难以有效释放，易导致岩石过度破碎且抛掷距离过远；随着掏槽角度由60°增大至70°，合力减小31.63%；进一步增至80°时，合力减小49.23%。然而，若掏槽角度达到80°，爆破能量过于分散，无法满足合力大于掏槽在最小抵抗线上形成空腔所需的总阻力，从而导致掏槽失败。
综上，现场掏槽角度的合理选取范围应为60°~80°。但目前针对不同层理倾角条件下的掏槽孔角度精准布设方法，仍有待进一步研究确定。
Fig. 2 炮孔解析
数值模型建立
依托工程现场，采用ANSYS/LS-DYNA软件，构建了层理倾角分别为0°、60°、90°以及掏槽角度分别为60°、70°、80°的9种工况下的板岩隧道楔形掏槽爆破数值模型。
Fig. 3 数值模型
Fig. 4 模拟结果
较低的有效应力容易导致炮孔围岩破碎不充分，从而形成较大岩石块体，不利于抛掷；而有效应力达到最大时，更多爆破能量被用于破坏岩石，有助于实现炮孔炸药利用率的最大化。掏槽爆破后，围岩损伤区域的大小反映了岩石的破碎范围，损伤区域越大，表明炸药能量利用越充分。连续分布的损伤区域能够有效避免爆破后出现“鼓肚”现象，有利于提高炮孔循环进尺，从而改善掏槽成腔效果。因此，有必要对代表性单元进行有效应力与围岩损伤分析，以确定最优掏槽角度。
当层理倾角为0°时，应力波传播方向与层理面近乎平行，导致沿层理方向的岩体损伤较为显著，表明该方向上的破岩能量最为集中。在此情况下，80°掏槽角度所形成的损伤区域最大，且损伤沿炮孔长度方向分布连续，炮孔底部的损伤区域也较为平整。
当层理倾角为60°时，应力波传播方向与层理面呈斜交，使得沿层理方向的损伤扩展更为突出，其损伤程度也明显高于其他区域。此时，70°掏槽角度对应的损伤区域最大，且分布最为连续。
当层理倾角为90°时，应力波传播方向与层理面近似垂直，能量耗散最为显著，岩体损伤程度较高。在此条件下，70°与80°掏槽角度所产生的损伤区域相较于60°时更不平整，并出现较多“鼓肚”现象。
现场试验
基于楔形掏槽破岩基础理论、仿真结果以及现场试验，在层理厚度、间距以及炮孔装药量等参数均一致的情况下，当板岩隧道层理倾角分别为0°、60°、90°时，最优掏槽角度分别设计为80°、70°、60°，可实现最大有效峰值应力及爆破损伤区域，从而达到最佳的掏槽爆破效果。
Fig. 5 现场试验
陶铁军
贵州大学
教授
贵州大学矿业学院三级教授，博士研究生导师，国务院特殊津贴专家、贵州省“省管专家”，获贵州省高层次人才“百层次”、贵州省优秀青年科技人才、贵州省青年科技奖、江西省首批“双千”人才，现任贵州省隧道与地下空间安全建造与智慧运维创新人才团队负责人、中国爆破行业协会常务理事和专家委员会委员、贵州省力学学会监事会副主席。主要从事爆破工程、安全工程、岩土工程的教学与科研等方面的研究，主持国家自然科学基金等省部级课题10余项，先后发表学术论文100余篇，其中EI、SCI收录30余篇，出版专著1部，获国家知识产权局授权发明专利15项（第一完成人11项）、实用新型专利18项，获贵州省科学技术进步一等奖1项（第7）、二等奖3项（第1、1、3）、三等奖1项（第2），中国爆破行业协会科技进步一等奖3项（第1、2、7）、二等奖3（第1、2、5）项，获中国岩石力学与工程学会科技进步二等奖1项（第5），主持或参与起草行业标准2项、地方标准2项、省级工法2项。
《金属矿山》简介
《金属矿山》由中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司和中国金属学会主办，主编为中国工程院王运敏院士，现为北大中文核心期刊、中国科技论文统计源期刊（中国科技核心期刊）、中国精品科技期刊（F5000顶尖学术论文来源期刊）、中国百强报刊、RCCSE中国核心学术期刊（A）、中国期刊方阵双百期刊、国家百种重点期刊、华东地区优秀期刊，被美国化学文摘（CA）、美国剑桥科学文摘（CSA）、波兰哥白尼索引（IC）、日本科学技术振兴机构数据库（JST）等世界著名数据库收录。主要刊登金属矿山采矿、矿物加工、机电与自动化、安全环保、矿山测量、地质勘探等领域具有重大学术价值或工程推广价值的研究成果，优先报道受到国家重大科研项目资助的高水平研究成果。根据科技部中国科技信息研究所发布的《2024中国科技期刊引证报告（核心版）》，《金属矿山》核心总被引频次位列26种矿业工程技术学科核心期刊第1位；根据中国知网发布的《中国学术期刊影响因子年报》（2024版），《金属矿山》学科影响力位居73种矿业期刊第9位。
供稿：曾文旭
编排：余思晨
审核：王小兵
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