传统爆破技术通过优化爆破参数,可以获得规整的开挖轮廓面,但炸药爆炸荷载仍直接作用在保留围岩上,不可避免的会对围岩造成损伤和破坏,导致围岩力学性能的劣化,稳定性和整体性降低。随着科技水平的提高及经济效益的要求,如何增加爆破单循环进尺、精确控制周边成型,获得规整的开挖轮廓面,降低爆破振动灾害,减少爆破对围岩的损伤,保护围岩的稳定性,一直是众多爆破理论专家学者和现场工程师们关注的焦点问题,也是工程技术提升的关键所在。近些年定向断裂控制爆破技术较传统控制爆破技术所展现出的优势得到了学术界和工程界专家学者的逐渐了解和认可,切缝药包和聚能药包是定向断裂控制爆破常见的两种形式,目前已被人们所熟知,但是对于两种异形药包的爆破作用机理仍然是亟需研究的问题之一,同时理论上虽然已经说明定向断裂控制爆破具有降低围岩损伤的作用,但是如何在作用机理上定性分析,以及在实际工程中定量分析异形药包的“降损”效应,目前却鲜有报道。本文依托国家自然科学基金重点项目“大断面巷道快速掘进与支护基础”、国家自然科学基金面上项目“爆破动载对冻结壁(管)及支护结构的作用机理”,开展了异形药包爆破作用机理及对围岩的损伤效应研究,论文通过数字高速摄影试验技术、CT扫描试验技术、SHPB试验技术、爆破振动测试及声波测试等试验技术,揭示切缝药包和聚能药包的爆破作用机理,研究爆破载荷下围岩的损伤效应,以及采用异形药包降低爆破荷载对围岩的损伤作用,课题的研究成果将为防止爆破载荷下围岩出现动力失稳及结构破坏提供科学指导。本文的研究内容主要包括以下几个方面:(1)异形药包爆生裂纹动态力学行为研究采用数字高速摄影试验技术研究了异形药包三维透明材料模型爆生裂纹动态力学行为,对切缝药包和聚能药包的定向断裂效果进行分析,试验结果表明:裂纹扩展形态方面,切缝药包和聚能药包定向断裂爆破效果十分明显,预定方向裂纹扩展长度远远大于其他方向,对比不同不耦合系数时的断裂效果可以看出,采用切缝药包爆破,不耦合系数为2.5时,裂纹扩展速度、加速度和主裂纹长度最大,且裂纹沿切缝方向扩展,基本无偏离。而采用聚能药包爆破,不耦合系数为3时,裂纹扩展速度、加速度和主裂纹长度最大,且裂纹沿切缝方向扩展,基本无偏离。研究认为:以PVC材料为药包外壳的切缝药包和聚能药包,两种药包爆破作用机理不同,切缝药包爆破利用的是炸药爆炸的动作用和静作用,使其能量利用上更趋合理,它的实质是在爆炸初始阶段在能量汇聚方向产生应力集中和应力突变,形成初始裂缝,后期在爆生气体的准静态作用下,裂缝径直发展实现定向断裂。而聚能药包在初始阶段是利用聚能原理,爆轰产物压迫管材运动使得在聚能方向形成能量流,产生初始裂隙,之后利用炸药爆炸的静作用,裂缝径直发展实现定向断裂。但是在线性装药情况下,两者的共同之处是加强了预定方向介质的破坏作用,并且减少了爆破荷载对其他方向孔壁的破坏作用,达到保护围岩的目的。(2)异形药包外壳的损伤防护特性研究运用分离式霍普金森压杆实验技术对采用不同厚度pvc材料防护的岩芯进行了冲击试验,根据应力波的传播理论和能量耗散机制,从试件的宏观破坏效果、应力峰值及能量消耗等角度进行了分析,研究结果表明:①当不采用pvc材料防护时,岩芯试件在强冲击荷载作用下,破碎程度严重,当采用pvc材料防护后,岩芯试件破坏程度大大减弱,且随着pvc材料厚度的增加,岩芯受损程度逐渐减弱。②随着pvc防护材料厚度的逐渐增加,试件的应力峰值呈现非线性逐渐降低的趋势,较无pvc防护时,pvc为4mm时,应力峰值降低了51.6%。透射应力波通过pvc介质后会有明显的“削波”和“滞波”现象发生,且随着pvc防护材料厚度的增加,上述现象越来越显著,说明pvc介质对应力波的传播具有一定的缓冲作用。③试件的能量耗散与pvc厚度呈现非线性增长的变化规律,且从无pvc防护到有pvc防护时,能量耗散增长较快,而后随着厚度的增加,能量耗散增长速度相对变缓。通过综合分析试件的宏观破坏效果以及试件的应力峰值,证明了pvc材料具有很强的“吸能”作用,且厚度越大,“吸能”效果越明显,从而体现了pvc介质能够对岩芯的损伤破坏起到一定的防护作用。④超声波测试结果表明:随着pvc防护材料厚度的增加,岩芯的损伤变量不断减小,同无防护时直接撞击岩芯相比,采用4mm厚的pvc材料作为防护时,岩芯损伤变量平均降低了79.5%,降低损伤效果十分明显。(3)异形药包立井深孔爆破围岩损伤效应研究运用声波测试技术开展了异形药包立井深孔爆破围岩损伤效应研究,试验结果表明:①与普通药包爆破相比,在单孔装药量相同的情况下,采用异形药包爆破时可实现周边眼间距增加60%,直接节省了打眼时间,且爆破效果得到了很大改善。②1m范围内的围岩声速变化较大,普通药包爆破声速变化率要高于异形药包爆破时的声速变化率,聚能药包声速变化率要高于切缝药包声速变化率。普通药包爆破时两个剖面声速的变化值有所差异,而异形药包爆破两个剖面的声速变化值较为接近,表现出了声速变化的整体性和同步性。③较普通药包爆破,切缝药包爆破最大损伤值降低了44.7%,聚能药包最大损伤值降低了31.9%。围岩的损伤呈非线性变化,且越靠近自由面损伤程度越大,在1m范围内,损伤作用明显。④较普通药包爆破,切缝药包周边爆破每循环可节省2097.93元,聚能药包周边爆破可节省1368.93元。⑤在实际操作方面探讨了两种药包的适用性,认为在煤矿立井爆破、巷道爆破、城市地铁区间爆破等地下空间爆破,切缝药包爆破技术将比较适用。(4)切缝药包周边爆破降低围岩损伤效应研究将切缝药包定向断裂控制爆破技术应用于煤矿岩巷中深孔爆破当中,对其围岩损伤效应进行了研究。现场试验结果表明:①采用切缝药包周边控制爆破,可实现在装药量不变的情况下,周边眼间距增加50%,周边成型规整,半眼残痕率大大提高。②钻孔窥视试验结果表明:采用光面爆破时,爆破荷载对围岩的损伤效应明显,而采用切缝药包周边控制爆破技术,围岩的受损程度明显减弱。③CT扫描试验结果表明:采用光面爆破技术,围岩的损伤程度增加了59.3%,而采用切缝药包周边控制爆破技术,围岩的损伤程度增加了27.3%,因此,较普通的光面爆破技术,采用切缝药包周边爆破技术围岩的损伤变量可以降低30%。④声波测试结果表明:越靠近爆源或越临近帮部临空面时围岩的损伤程度越高,采用普通光面爆破技术,围岩的受损程度表现出差异性,而采用切缝药包周边控制爆破技术,围岩的受损程度表现出一致性,较光面爆破,切缝药包周边爆破时围岩的整体损伤平均降低了35%。⑤爆破振动监测结果表明:切缝药包周边爆破时,周边眼爆破振速较普通光面爆破有了很大降低,在测点距迎头15m范围内,周边眼爆破引起的质点峰值振速降低了30%~45%。(5)切缝药包预裂爆破减振技术研究提出了切缝药包掏槽预裂爆破减振方法,并将其应用于城市地铁区间隧道施工当中,现场应用结果表明:在掏槽眼上方600mm处横向布置5~7个预裂孔,采用不同形式药包进行预裂爆破形成的裂缝及裂隙区,减少和削弱了掏槽眼爆破引起的震动波向上传播,有效地控制了掏槽眼引起的振速。采用掏槽预裂爆破方案时,拱顶上方质点垂向振速最大,侧面质点切线方向振速最大。同五孔普通药包预裂爆破相比,五孔切缝药包预裂爆破有助于降低拱顶上方的质点峰值振速,但侧向质点峰值振速有所增大。七孔切缝药包预裂爆破同五孔切缝药包预裂爆破相比,随着预裂孔数目和段装药量的增加,拱顶和侧向质点峰值振速都有所增大。该方法能够降低爆破振动灾害,实现安全高效施工。