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1、地下坑道工程抗毁伤能力研究李茂生刘建武吴祥云(总今工程兵科研三所，河南洛阳，471023)摘要在未来的国土防御战争中，我国的地下战略指挥工程将面临着技术先进敌目的技武招和大成力、新式箱确臼导武.、钻地武器直接命中的严重吐的。本文介绍了地下坑道在娜炸地冲击作用下的段坏形式。给出了地下.书砚，司曰.一坑遨四个峨坏等级的破坏范围的顶计方法，握出了提高地下u且工程抗级伤能力的主妥技术边径及有待深人研究的闷月。一、前盲七十年代以来，美俄等世界核大国，核技术取得巨大发展，实现了核武器的小型化微型化核武器也取得了重大进展，完善了触地爆技术，并开展了钻地爆技术的研究，为战役使用核武器做了充分的准备。80年代以
2、来随着高新技术的飞速发展，并广泛应用于军事，高性能的侦察技术、大威力远程精确制导武器、钻地武器等新式武器获得了迅猛发展。武器的迅猛发展，给军事思想、作战理论、作战样式带来了巨大变化。掌握了高新技术的敌人，必将仗恃其在高技术武器装备方面的优势，在核武器威慑条件下，以海、陆、空、天一体化的作战样式，运用以巡航导弹和精确制导的炸弹为代表的大威力、高新武器、钻地武器的综合火力，对武器装备相对落后我国的战略指挥工程、通信系统、交通枢纽、核基地及重要的经济目标实施高强度超视距的打击，妄图使我指挥不灵，军事力量瘫痪。过去已反复证明，今后还将证明，地下防护工程，特别是战略指挥工程等战略目标被摧毁的程度，不仅关
3、系到战局的发展，战争的进程和胜败。而且关系到国家的安危。所以世界各国，不论是武器装备落后的国家，还是武器装备先进的军事强国都把防护工程建设，特别是战略指挥防护工程的建设视为国防威摄力量的重要组成部分，给以足够的重视。就战略指挥工程的抗毁伤能力来说，某些地下岩石坑道工程抗核武器空中爆炸和普通航弹触地爆炸可认为是安全的，但对核武器和大威力精确制导武器的直接命中触地爆炸和钻地爆炸来说，则魂面临着被破坏或彻底摧毁的严重威胁。我们这样的社会主义大国，其重要的战略指挥工程，必须把抗御敌核武器和新型大威力武器直接命中触地爆和钻地爆炸的破坏作用做为主要战技要求，以优势的防护工程对付敌人的优势武器。二、爆炸地冲
4、击对地下坑道的破坏形式核武器或大威力精确制导武器直接命中触地爆和钻地爆炸地冲击对地下坑道工程的破坏作用(不考虑贯穿)，按其破坏机理，可分为如下四种形式:1剥离破坏爆炸地冲击在坑道表面，特别是在坑道的迎爆面，产生反射拉伸，当反射拉伸强度超过围岩的抗拉强度时，围岩表面就会一层层拉裂，这种现象称剥离。剥离破坏通常发生在应力波的波头、出现在坑道的迎爆面。应力波峰值越高，升压段越陡峭，作用时间越短，则剥离破坏越明显。所以我们又把剥离破坏叫做动力破坏。2挤压剪切破坏爆炸地冲击作用于坑道时，会在坑道围岩中引起应力重分布，局部造成应力(应变、值增大，称做动应力(应变)集中。当应力(应变)强度大于围岩的抗压强度
5、或抗剪强度时，围岩将产生不同程度的挤压剪切破坏，在应力(应变)集中的部位，破坏会更严重。3.劈裂拉伸破坏地下坑道受到来自顶部的爆炸地冲击时，在边墙和地板上，沿主应力方向常常产生拉伸破坏，类似于岩石试样的抗压试验，当夹具和受力端面间摩擦力很小对，岩样侧壁出现的劈裂破坏形态。由于挤压剪切破坏和劈裂拉伸破坏通常发生在应力波峰值过后的卸载.价段，相对于动力破坏的剥离而言，又称为静力破坏4.屁场破坏远离爆心的坑道，地冲击强度较弱，虽已不能引起坑道的剥离破坏、一济压剪切破坏和劈裂拉伸破坏了.但在地冲击作用下围岩发生震动时，块状围岩中受地质结构面切割，与围岩无联系或仅有局部联系的岩石结构体的滑落层状围岩体中
6、较弱夹层沿层If#1开，倒塌，或松动岩块的震落。三、坑道破坏分区在爆炸地冲击作用下，依据围岩的破坏形式和破坏形态，按其破坏程度，坑道的破坏可分为四个等级，又称四个破坏分区:完全破坏区严重破坏区中等破坏区和轻微破坏区。每个破坏分区中，围岩中四种破坏形式的严重程度如表1所示岩石中的支护坑道，包括喷锚网支护坑道、钢筋混凝土整体被复直墙拱顶坑道及圆形坑道、黄土中的喷锚支护坑道、预制拱坑道等，四个破坏分区对应的破坏形式及修复使用的可能性，与表1相似，可参见f1四、爆心正下方坑道破坏分区的预计方法1.影响围岩变形破坏特性的主要因素从上面不被复坑道破坏特性分析中，得知坑道的抗动载能力及破坏形式与直接地冲击强
7、度和动载作用下坑道围岩的变形破坏特性有密切关系。爆炸地冲击研究已证明，地冲击强度与武器的威力(TNT当量)，爆心与地面的相对位置，爆心至目标广大范围内的岩体性质和距离有关，影响围岩的变形破坏特性的因素很多，除了地质因素外，还有工程因素(断面形状、幅员大小)，施工因素(开挖方法、炸药用量、成形好坏)和时间因素等等。影响围岩变形破坏特性的地质因素，主要有岩体的结构特征、岩质、地下水等_一多L犷一一一一一一一一一一-一一-一一-四个破坏分区对应的破坏形式2.坑道破坏分区预计方法从上述分析中还可以看到，坑道的最终破坏是由四种破坏形式联合作用的结果，无法定量地确定某种破坏形式单独作用的效果。为了便于对坑
8、道四个破坏分区进行预计，拟选用挤压剪切破坏做为破坏分区的依据，即以坑道挤压剪切破坏程度为标准来进行分区。当坑道边界上的环向应力。:大于或等于围岩岩体的单轴抗压强度。时，坑道就会发生不同程度的挤压剪切破坏，即挤压剪切破坏的条件是:a(a1(1)环向应力。:与岩体自由场中的径向应力。之间的关系如下:a:=T汀R(2)式中:T、虽然具有弹性状态下坑道周边应力重分布，应力集中系数的含意，但由于受地质因素、工程因素、施工因素支护结构等的复杂影响，需经试验确定，所以我们把T，称做动应力集中相关系数。由(1)(2)两式，可求得坑道围岩发生某种程度的挤压剪切破坏时所对应的岩体自由场径向应力峰值。，a【alT、
9、(3)将触地爆或钻地爆直接地冲击经验拟合公式1，aR=AR(N)131-n(4)代人(3)式，则得到爆心正下方坑道某种破坏分区外边界距爆心的距离RR二(TAv)1(7w)113(51某破坏分区的最大深度H、可由下式表示:H=R+h(6)式中:h为武器的侵彻深度。围岩岩体的单轴抗压强度。和围岩岩样的单轴抗压强度【go1之间的关系，通常由下式近似表示:。二Qal(cc)3(7)将(7)、(6)代人(5)式，得到某破坏分区外边界的最大深度HH:二TA(QO1(CPCoo)Ill(ylw)ic+h(8)式中:An:坑道与爆心之间大范围岩体中直接地冲击衰减经验拟合公式中的系数和衰减指数，与岩体性质有关，
10、W:爆炸的TNT当量”:等效当量转换系数cp:坑道围岩岩样的纵波速度Cam:坑道围岩岩体的纵波速度，j:岩体完整性相关系数(21，可按下式取值:clc.00.7(9)cPCp0.7下标i=1234分别表示完全破坏区、严重破坏区、中等破坏区和轻微破坏区，下同。当爆炸条件、地质条件、围岩条件已知时，通过公式8)可估算出各破坏分区的范围五、提高地下坑道抗毁伤能力的主要技术途径，.增加防护层厚度增加防护层厚度使坑道位于安全防护层(中等破坏区外边界)以下，可保持其稳定性。2.支护被复在完全破坏区，不被复坑道和各类支护被复坑道的破坏特征及破坏范圈大体相同，说明在很强的地冲击作用下支护被复的作用有限。在中等
11、坚硬岩体中的严重破坏区，喷锚支护坑道和钢筋混凝土整体被复坑道的抗动载能力有所提高。在中等坚硬岩体中的中等破坏区，喷锚支护坑道和钢筋混凝土整体被复坑道的破坏范围明显减少，说明其抗动载能力明显提高现场试验说明，在中等坚硬岩体中，地冲击强度在50-80MPa条件下，坑道若采取如下有效措施:O圆形钢筋硅结构断面，按静力计算，设计抗力在6一7MPa以上今被复与围岩之间设有1m以上的松软回填层令围岩用喷锚支护加固令坑1道掘进时，严格操作规程了科学设计炮孔及装药量尽量保持围岩的完整性，则坑道具有较高的抗动载能力，可望不发生破坏3.适宜的复盖层性质(IX3I在武器参数，坑道结构及其布局一定的条件下，坑道的生存
12、能力，主要取决于从爆心到坑道之间大范围岩体的性质，因为岩体性质直接影响地冲击参数的强弱。要使枚武器或大威力精确制导武器直接命中触地爆或钻地爆条件下，爆心下方坑道L程仍有很高的生存能力，爆炸地冲击能量没有很大的衰减是不可能的。下面的地质构成对爆炸地冲击有较大的耗能作用，适宜做为重要的防护工程的场址.今干燥的、多孔隙、节理裂隙发育的岩体李复盖层内有多条或较大规模的断层破碎带的干燥岩体夺大孔隙度的塑性介质，如干燥的半成岩、土壤、松散介质今最理想的地质构成是:地表层为坚硬岩减小侵彻深度大范围复盖层为干操、多孔隙、松散破碎的岩土介质，使地冲击有较快衰减而坑道所处位置的围岩为整体性较好，强度较高的坚硬岩。
13、4.合理的坑道布局坑道轴线的合理确定。坑道轴线与岩层走向的夹角大者，抗动载能力强。当然坑道轴线应尽可能选择在地质构造简单、完整性较好的坚硬地层中。坑道断面的合理选择。最好为圆形或马蹄形，应尽量避免坑道断面的突变，减少坑道的交叉和拐折。5.减小武器的侵彻深度减小武器的侵彻深度，不仅可以直接减少防护层厚度，更重要的是会大大降低爆炸地冲击强度。因为同一个武器侵人地下一定深度后爆炸，直接地冲击的能量比触地爆炸直接地冲击能量大几倍甚至大一个多数量级。6.利用或制造坑道保护伞若有天然地质构造一断层及破碎带时，坑道位置宜选择在断层破碎带的后面。可提高坑道的生存能力。设想在坑道与爆心之间(靠近坑道)制造人为的
14、破碎带或在坑道的迎爆面打多排钻孔或开挖多条小坑道有人称为保护伞都会提高坑道的生存能力。六、有待深入研究的问题战略指挥工程抗毁伤能力包括坑道的抗动载能力，人员的抗电磁波干扰能力和抗震能力.就战略指挥工程的抗动载能力来说，急待解决的问题有:1.常规武器的触地爆炸和钻地爆炸效应研究2.武器侵彻效应及工程防护技术研究3岩土介质性质对爆炸地冲击影响的研究4.直接命中重复打击爆炸效应研究5.多枚弹同时或微差爆炸聚能效应的深人研究6.提高坑道口部生存能力的主要技术途径的研究7.新材料地下复合结构的研究8.喷锚支护结构抗动载性能的研究。参考文献1触地核爆炸坑道防护层厚度实用计算力祛，中国人民解放军89002部队，1986.621陶振宇，岩石力学理论与实践，1979.931荷载形式和岩石性质对应力波的传播规律的影响，中国人民解放军89002部队，中国科学院力学研究所，1983.12川七七工程一。七炮观察坑道宏观破坏调查分析报告，中国人民解放军89002部队，国家计委七七工程筹备组，1982房冬二自二占一衬二
