雙向聚能光面爆破周邊眼參數(shù)確定的新方法

耿大新，陶彪，于洋，黃龍華

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雙向聚能光面爆破周邊眼參數(shù)確定的新方法

耿大新，陶彪，于洋，黃龍華

(華東交通大學(xué) 土木與建筑學(xué)院，江西 南昌 330013)

爆破時(shí)周邊眼屬于兩端封閉結(jié)構(gòu)，從經(jīng)典的薄壁內(nèi)壓圓筒理論著手，推導(dǎo)應(yīng)變能方程與聚能狀態(tài)下能量分配關(guān)系，根據(jù)破壞準(zhǔn)則對(duì)該法周邊眼參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，提出一種隧道聚能光面爆破周邊眼參數(shù)的確定方法。以張家界吳家邊隧道為例，利用此新方法計(jì)算其周邊眼參數(shù)，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的光爆效果，探討該方法的可行性和計(jì)算精度問(wèn)題。研究結(jié)果表明：當(dāng)聚能裝置上聚能縫寬度增大時(shí)，往聚能切縫縫兩側(cè)匯聚的能量越多，周邊眼炮孔間距越大，相同藥量作用下破巖效果更佳；聚能影響因素增大時(shí)，即聚能裝置剛度越強(qiáng)，可使周邊眼間距顯著增大。若取相同周邊眼間距，在有聚能裝置存在的情況下可減少炸藥用量來(lái)達(dá)到相同光爆效果；圍巖等級(jí)越高，巖石抗拉強(qiáng)度越強(qiáng)時(shí)，周邊眼間距明顯減小，隨聚能影響因素增大，周邊眼間距略有增加。在使用該方法計(jì)算周邊眼間距時(shí)，爆破后產(chǎn)生的殘余炮孔占95%左右，光面爆破效果良好，可為類(lèi)似工程提供參考。

周邊眼間距；應(yīng)變能；聚能管；光面爆破

一般光面爆破采用不耦合裝藥，不耦合裝藥時(shí)，爆轟波首先壓縮聚能管與巖壁之間間隙內(nèi)的空氣，引起空氣沖擊波，而后再由空氣沖擊波作用于巖壁[1]。但是這種方法不能避免孔壁周?chē)a(chǎn)生的隨機(jī)徑向裂縫，因此常常不能獲得理想的光爆效果。聚能光面爆破是在周邊炮眼采用聚能裝置裝藥，使炸藥爆炸能量集中，巖體沿開(kāi)挖輪廓線爆出。聚能光面爆破采用特殊的裝藥結(jié)構(gòu)，如圖1所示。以PVC管為聚能裝置，在聚能裝置中部上下兩側(cè)切割2條通透縫，有切縫處無(wú)間斷均勻的填充乳化炸藥。尾部空出適當(dāng)距離填充炮泥，形成兩端封閉結(jié)構(gòu)，使炸藥爆炸時(shí)釋放的能量可沿著切縫槽穴匯集，在切縫槽穴處產(chǎn)生具有超強(qiáng)穿透能力的高壓、高溫射流。從而對(duì)巖石進(jìn)行切割，獲得較為平整的輪廓面?，F(xiàn)階段，爆炸聚能效應(yīng)控制巖石定向斷裂的研究大都集中在切縫藥包、孔內(nèi)定向斷裂等方面。國(guó)內(nèi)外已有許多學(xué)者做了相關(guān)研究。王樹(shù)仁等[2?3]通過(guò)實(shí)驗(yàn)以及建立相應(yīng)的模型探究來(lái)聚能爆破機(jī)理、爆破力學(xué)行為與其在工程中的運(yùn)用。在以往的光面爆破中，周邊眼的參數(shù)往往是同實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)類(lèi)比推出的，如：當(dāng)炮眼直徑為32~40 mm時(shí)，周邊眼間距為320~700 mm。羅勇等[4]按巖石裂紋拓展力學(xué)原理，考慮炸藥直徑，不耦合裝藥系數(shù)，裂隙尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子等作用的影響，提出新的裝藥預(yù)裂切縫的方法。徐振洋等[5]利用光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)方法對(duì)有利炸高進(jìn)行選取，驗(yàn)證了劈裂形態(tài)控制的可行性。在試驗(yàn)方面，劉健等[6?7]對(duì)定向聚能爆破下應(yīng)力特征以及裂縫發(fā)展進(jìn)行研究，表明在聚能爆破下產(chǎn)生的裂縫長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于非聚能方向。郭德勇等[8]對(duì)堅(jiān)硬頂板下的聚能爆破分析了射流侵徹現(xiàn)象。YANG等[9?10]進(jìn)行試驗(yàn)，先后分析了切縫藥包解耦裝藥時(shí)的爆破動(dòng)態(tài)斷裂特性與對(duì)爆破參數(shù)選取進(jìn)行優(yōu)化，使之獲得良好的爆破效果。LI等[11?12]進(jìn)行了切縫藥包爆破現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，分析了開(kāi)槽焊縫的累積效應(yīng)，通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)確定了側(cè)孔最佳爆破裝置和裝藥結(jié)構(gòu)。大多數(shù)學(xué)者分析了聚能光面爆破下的力學(xué)特征，應(yīng)力分布形式以及裂紋發(fā)展等。對(duì)于周邊眼參數(shù)計(jì)算往往根據(jù)爆炸后的光面效果進(jìn)行調(diào)整，缺乏準(zhǔn)確的計(jì)算方法。為此建立一種計(jì)算有聚能裝置影響下的周邊炮孔間距準(zhǔn)確算法，不僅具有理論意義并且更具實(shí)用價(jià)值。本文首先從經(jīng)典的薄壁內(nèi)壓圓筒理論著手，推導(dǎo)出應(yīng)變能方程，通過(guò)與傳統(tǒng)爆破下產(chǎn)生的能量相同相對(duì)比，提出一種隧道聚能光面爆破周邊眼參數(shù)的確定方法。并以張家界吳家邊隧道為例，利用此新方法計(jì)算其周邊眼間距，結(jié)合對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)的光面爆破效果與傳統(tǒng)光面爆破參數(shù)，從而對(duì)此方法準(zhǔn)確性進(jìn)行評(píng)價(jià)。并予其他類(lèi)似隧道爆破工程參考。

圖1 聚能光面爆破裝藥結(jié)構(gòu)

1 理論推導(dǎo)

1.1 聚能光面爆破力學(xué)分析

由爆破后產(chǎn)生能量的特點(diǎn)可知，炸藥能量是沿四周均勻傳遞的。為分析問(wèn)題方便起見(jiàn)，假定炸藥爆炸時(shí)對(duì)巖壁的壓力是作用在一個(gè)兩端封閉的薄壁圓柱形圓筒內(nèi)，爆轟產(chǎn)物的傳播是在圓筒內(nèi)均勻傳播，爆轟產(chǎn)物在容器內(nèi)產(chǎn)生的內(nèi)壓為，根據(jù)隧道爆破技術(shù)平均轟壓理論，可以近似給出孔壁受到的內(nèi)壓與炸藥密度，爆速及其體積的關(guān)系[14]：

在求作用于巖壁載荷時(shí)，假定爆炸產(chǎn)物在間隙內(nèi)的膨脹為絕熱膨脹，其膨脹規(guī)律3等于常數(shù)，遇巖壁激起沖擊壓力，并在巖石中引起爆炸應(yīng)力波；忽略間隙內(nèi)空氣的存在(間隙較小)；爆轟產(chǎn)物開(kāi)始膨脹時(shí)的壓力按平均爆轟壓力m計(jì)算。其中0為炸藥密度；為炸藥爆速；c為炸藥體積；b為炮孔體積；b為炮孔直徑；c為炸藥直徑；b為炮孔長(zhǎng)度；c為裝藥長(zhǎng)度，爆轟產(chǎn)物撞擊炮孔巖壁時(shí)，壓力將明顯增大，為增大倍數(shù)8~11。此時(shí)炮孔壁受到的爆轟壓力可表示為

1.2 聚能光面爆破能量分配與其內(nèi)壓分布特點(diǎn)

(a) 一般狀態(tài)下；(b)聚能狀態(tài)下

圖2 2種不同狀態(tài)能量的擴(kuò)散形式

Fig. 2 Spread of the two different state energy forms

將式(5)代入式(3)，得到：

在聚能狀態(tài)下裝置積蓄的應(yīng)變能可分為2部分，一部分由內(nèi)壓2產(chǎn)生，因2僅為沿著聚能縫兩側(cè)的集中內(nèi)壓，此狀態(tài)下的單元體處于單軸受拉狀態(tài)，故可得應(yīng)變能方程：

將式(7)整理可得：

另一部分由內(nèi)壓1而產(chǎn)生，類(lèi)比于一般狀態(tài)下爆破產(chǎn)生的應(yīng)變能，將應(yīng)力狀態(tài)方程代入式(3)：

通過(guò)整理可得：

再將式(6)，(8)和(10)代入式(4)，即可將內(nèi)壓1和2用函數(shù)表示如下：

可以滿足聚能裝置影響因素剛度條件，在=0時(shí)，內(nèi)壓向四周均勻分布，往聚能切縫擴(kuò)散的內(nèi)壓2=0。當(dāng)=1時(shí)，完全剛性，內(nèi)壓完全向縫兩側(cè)擴(kuò)散，向四周擴(kuò)散的內(nèi)壓1=0：

=0時(shí)，1=，2=0

=1時(shí)，1=0

1.3 坐標(biāo)系定義

對(duì)于柱形炮孔結(jié)構(gòu)，將其簡(jiǎn)化成圓形。采用極坐標(biāo)系，表示計(jì)算點(diǎn)距離炮孔中心的距離，為極角，表示聚能縫寬度所對(duì)應(yīng)的圓心角，如圖3 所示。

圖3 坐標(biāo)系定義

如圖4所示，將內(nèi)壓1作用分為和2個(gè)方向。沿軸產(chǎn)生作用力是作用在圍巖側(cè)對(duì)巖石的壓力，沿軸正向產(chǎn)生作用力是作用在臨空面一側(cè)對(duì)巖石的拉力。而在軸負(fù)向的作用力在巖體內(nèi)相抵消。此時(shí)將內(nèi)壓1等效為沿軸正向0°~90°均勻擴(kuò)散的壓力1，可表示為

沿聚能縫匯集的內(nèi)壓2產(chǎn)生的壓力為

圖4 周邊眼間的巖壁受力狀態(tài)

由1作用產(chǎn)生的拉應(yīng)力可表示為

另一部分，根據(jù)巖石力學(xué)中劈裂試驗(yàn)可知巖石在一對(duì)徑向的集中壓力作用下，會(huì)產(chǎn)生與集中力垂直的一對(duì)拉應(yīng)力。集中力2通過(guò)聚能縫作用在兩炮孔間的巖壁上，這部分巖石先受擠壓，然后在軸方向產(chǎn)生拉應(yīng)力2如圖5所示。

拉應(yīng)力2可用式(15)表示：

1.4 聚能光面爆破斷裂機(jī)理

當(dāng)炸藥爆炸產(chǎn)生的能量作用于巖石而產(chǎn)生的拉應(yīng)力大于巖石的極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，巖石將沿受拉面破壞。巖體在炮孔壁上發(fā)生拉斷破壞，根據(jù)孔壁壓力分布狀態(tài)可知，必然首先發(fā)生在聚能裝置的切縫區(qū)域內(nèi)，從而可以建立其破壞條件：

式中：p為巖體的極限抗拉強(qiáng)度；為炮孔壁上的最大向拉應(yīng)力。

爆轟波首先壓縮聚能管與巖壁之間間隙內(nèi)的空氣，引起空氣沖擊波。在聚能管開(kāi)縫的地方爆破能量?jī)?yōu)先釋放產(chǎn)生定向的集中力，在未開(kāi)縫的地方產(chǎn)生非定向的均布力。若炮孔間距取值合適，由2種力的疊加作用可形成兩炮孔間的貫通裂縫。

2 工程運(yùn)用

2.1 不同因素對(duì)周邊眼間距的影響

周邊眼的間距e與光面層厚度的關(guān)系通常用密集系數(shù)來(lái)表示，其大小對(duì)光面爆破效果有較大影響，通過(guò)理論和實(shí)踐證明了光面爆破炮眼間距與光面層厚度之比取0.8較為適宜，因此，光面層厚度為[15]

根據(jù)工程的實(shí)際情況，表達(dá)式中各參數(shù)的值如表1所示。

表1 各參數(shù)的值

將表1各參數(shù)值代入表達(dá)式，取不同值，可以得到周邊眼的間距與光面層厚度隨聚能影響因素變化的關(guān)系，如圖6所示。

圖6為聚能影響因素對(duì)周邊眼參數(shù)的影響。從曲線上看，在一定范圍內(nèi)隨著聚能影響因素增大，聚能裝置剛度越大，能量擴(kuò)散越集中，周邊眼間距也隨之?dāng)U大。當(dāng)由0增大至0.1時(shí)，周邊眼參數(shù)有一顯著增大過(guò)程，此現(xiàn)象表明聚能裝置從無(wú)到有，對(duì)周邊眼間距有較大影響，聚能裝置的運(yùn)用極大地增加了炸藥的利用率，提高了爆破效率。當(dāng)=1時(shí)，聚能裝置完全剛性，周邊眼間距會(huì)小幅下降，其原因可能是由于爆轟產(chǎn)物完全向聚能縫兩側(cè)匯聚，對(duì)巖體產(chǎn)生的拉應(yīng)力略小于非完全剛性時(shí)2種拉應(yīng)力的疊加。

圖6 周邊眼間距隨聚能影響參數(shù)變化曲線

圖7 聚能縫寬度對(duì)周邊眼間距的影響

圖8 不同抗拉強(qiáng)度對(duì)周邊眼間距的影響

圖8反應(yīng)了不同圍巖下的抗拉強(qiáng)度對(duì)周邊眼間距的影響。圖中曲線表明隨巖石的抗拉強(qiáng)度增大周邊眼間距明顯減小。在=0無(wú)聚能效果時(shí)，巖體抗拉強(qiáng)度越大，相同藥量下的周邊眼炮孔間距越小，爆轟產(chǎn)物作用的范圍越小。當(dāng)圍巖等級(jí)比較差，抗拉強(qiáng)度較低時(shí)，周邊眼間距顯著增加。此時(shí)，增加，聚能效果越強(qiáng)，周邊眼間距增長(zhǎng)速率也相較于/p=0.3，/p=0.5時(shí)的曲線越大。

2.2 雙向聚能爆破實(shí)際工程運(yùn)用效果

為了驗(yàn)證該周邊眼算法在實(shí)際工程中的應(yīng)用效果，在張家界吳家邊隧道進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，吳家邊隧道位于張家界市永定區(qū)吳家邊西北側(cè)低山丘陵區(qū)，其設(shè)計(jì)為雙線鐵路隧道，隧道內(nèi)圍巖主要以Ⅲ和Ⅳ為主，其中Ⅲ級(jí)圍巖占隧道總長(zhǎng)的68%。擬采用PVC管所制聚能裝置，其聚能影響因素暫取=0.1，根據(jù)算法所得周邊眼間距為55 cm，炮孔長(zhǎng)3.5 m，聚能裝置長(zhǎng)2.9 m，炮泥長(zhǎng)35 cm，聚能裝置設(shè)置兩道切縫了，相互貫穿，長(zhǎng)度為200 cm。未使用聚能爆破時(shí)，Ⅲ級(jí)圍巖最大超挖量50 cm，平均超挖量為20 cm；Ⅳ級(jí)圍巖中最大超挖80 cm，平均超挖為45 cm。在采用聚能爆破時(shí)，實(shí)際工程現(xiàn)場(chǎng)拱頂、拱腰處爆后效果如圖9所示，其中爆破后輪廓面的斷裂面清晰可見(jiàn)，炮眼殘孔率均達(dá)95%以上，初步驗(yàn)證了計(jì)算周邊眼間距理論的合理性。

(a) 拱頂處；(b) 拱腰處

2.3 周邊眼間距計(jì)算結(jié)果比較

為進(jìn)一步驗(yàn)證本文計(jì)算的正確性，將本文計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[4]結(jié)果進(jìn)行比較，其中聚能因素取=0.1，炸藥參數(shù)、土體參數(shù)兩者取值相同，如表1所示。計(jì)算所得聚能縫寬度變化時(shí)，本文與文獻(xiàn)[4]周邊眼間距的分布曲線，如圖10所示。圖10表明本文與文獻(xiàn)[4]結(jié)果在趨勢(shì)上基本一致，兩者周邊眼間距最大誤差在1%以內(nèi)，說(shuō)明了本文計(jì)算方法的正確性。

以往針對(duì)聚能爆破周邊眼參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，計(jì)算大都只考慮裝藥量、切縫寬度、裂紋尖端等因素，而忽略了聚能管剛度對(duì)能量流分配的影響。本方法通過(guò)引入聚能影響因素來(lái)考慮剛度對(duì)能量流的影響，使周邊眼參數(shù)計(jì)算方法更加符合實(shí)際工程，并通過(guò)上述研究結(jié)果表明因素對(duì)周邊眼參數(shù)影響非常大，不能忽略聚能裝置材質(zhì)剛度的影響。

圖10 本文周邊眼間距計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[4]結(jié)果比較

3 結(jié)論

1) 通過(guò)采用經(jīng)典的薄壁內(nèi)壓圓筒理論計(jì)算，可準(zhǔn)確地計(jì)算出周邊眼間距，在=0時(shí)，該方法計(jì)算周邊眼間距的結(jié)果與未聚能爆破時(shí)現(xiàn)場(chǎng)周邊眼間距取值大體一致。在曲線初始階段突然上升，表明有聚能裝置的作用下，能明顯改變能量分布方式。增大周邊眼間距，可節(jié)省炸藥用量，改變周邊眼炮孔的分布與數(shù)量。

2) 在一定范圍內(nèi)聚能影響因素增大，聚能裝置剛度增大，聚能效果越好。適量增大聚能裝置切縫寬度能極大增大周邊眼炮孔間距，破巖效果更加明顯，聚能縫寬較小時(shí)，聚能裝置剛度增大對(duì)周邊眼炮孔的影響不大，破巖效果有限。在圍巖等級(jí)增大，抗拉強(qiáng)度增加時(shí)，周邊眼間距顯著減小。當(dāng)聚能裝置剛度越大時(shí)，周邊眼炮孔間距隨圍巖抗拉強(qiáng)度增大，減小幅度越大。

3) 本文計(jì)算結(jié)果直觀，可以為周邊眼參數(shù)確定提供依據(jù)，然而這些理論上的探討還是初步的，沒(méi)有具體討論聚能管剛度等對(duì)聚能影響因素的占比與組成有何種影響，后續(xù)有待進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)以確定不同材質(zhì)的剛度變化對(duì)因素的影響。

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New method for calculation of tunnel smooth blasting contour hole parameters

GENG Daxin, TAO Biao, YU Yang, HUANG Longhua

(School of Civil Engineering and Architecture, East China Jiaotong University, Nanchang 330013, China)

When the tunnel is blasting, the surrounding holes belong to the closed structure at both ends, based on the classical thin-walled cylinder theory, the relationship between strain energy distribution in the state of energy accunulation is deduced, by failure criterion on the laws surrounding hole parameters are designed, proposed a tunnel shaped method of determination of parameters of smooth blasting around the eyes. A case study of Zhangjiajie Wu side tunnels, using this new method of calculating the surrounding hole parameters, and actual light burst effects, explored the feasibility of the method and accuracy problems. The results show that when the shaped device shaped seam to seam width increasing, the more energy on both sides together, around the hole spacing is greater, the cock breaking effect is better under the same explosive quautity; increasing factors, namely shaped device stiffness is strong, can make the surrounding eye spacing increased significantly. If we take the same around the eye spacing, the presence of the energy collection device can reduce the amount of explosive to achieve the same effect of smooth blasting; surrounding rock grade is higher, the tensile strength of rock is stronger, the surrounding eye spacing decreases obviously, increase the influence factors of cumulative peripheral hole spacing increased slightly. When using this method to calculate the distance between adjacent eyes, the residual hole produced after blasting accounts for about 95%. Smooth blasting effect is good, which can provide reference for similar projects.

curved ground wall; strain energy; shaped blasting; smooth blasting

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.02.020

TD235

A

1672 ? 7029(2019)02 ? 0435 ? 08

2018?01?31

江西省交通運(yùn)輸廳科技資助項(xiàng)目(2016D0039)；江西省普通本科高校中青年教師發(fā)展計(jì)劃訪問(wèn)學(xué)者專(zhuān)項(xiàng)資金資助項(xiàng)目

耿大新(1977?)，男，山東濟(jì)南人，副教授，博士，從事隧道與地下工程的教學(xué)和科研工作；E?mail：gengdaxin@ecjtu,jx,cn

(編輯 蔣學(xué)東)