隧道聚能水壓控制爆破技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望

徐世祥 王汪洋 韋漢 楊建新 龐曉瑜

摘? 要：通過(guò)對(duì)聚能水壓控制爆破的提出、發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀研究，隧道聚能水壓爆破法施工具有減少圍巖擾動(dòng)、防止超欠挖、縮短工期、提高炸藥利用率和改善作業(yè)環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景廣闊，并闡述了開(kāi)展聚能水壓爆破破巖機(jī)理研究的迫切性、必要性和意義。最后對(duì)聚能水壓控制爆破的研究方向提出了幾點(diǎn)建議。

關(guān)鍵詞：隧道工程;施工;聚能水壓爆破;破巖機(jī)理

中圖分類號(hào)：U455 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）26-0001-05

Abstract： Through the research， development and application status of cumulative hydraulic pressure controlled blasting， the cumulative hydraulic pressure controlled blasting technology construction in tunnel has the advantages of reducing surrounding rock disturbance， preventing over-under-excavation， shortening construction period， improving explosive utilization rate and improving working environment. The application prospect is broad， and the urgency， necessity and significance of research on the mechanism of rock-breaking by cumulative hydraulic pressure blasting are expounded. Finally， some suggestions for the research direction of cumulative hydraulic pressure controlled blasting are put forward.

Keywords： tunnel engineering; construction; cumulative hydraulic blasting; rock breaking mechanism

1 概述

中國(guó)已成為世界上隧道工程建設(shè)規(guī)模最大、數(shù)量最多和難度最高的國(guó)家[1]，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，中國(guó)運(yùn)營(yíng)的鐵路隧道和公路隧道里程已分別超過(guò)15000km、城市軌道交通隧道運(yùn)營(yíng)里程已近5000km，僅交通隧道每年的投資規(guī)模就達(dá)萬(wàn)億，再加上市政、水利等領(lǐng)域的隧道工程，近期在建和規(guī)劃建設(shè)的隧道工程超過(guò)50000km，未來(lái)若干年，我國(guó)隧道工程建設(shè)仍將快速穩(wěn)步發(fā)展[2-4]。其中采用光面爆破技術(shù)施工的深埋長(zhǎng)大隧道占了相當(dāng)大的比例，未來(lái)隧道及地下工程光面爆破技術(shù)的發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

我國(guó)巖質(zhì)隧道工程建設(shè)除采用掘進(jìn)機(jī)法外，目前仍多采用鉆爆法施工，傳統(tǒng)的鉆爆法施工控制不當(dāng)，容易引發(fā)振動(dòng)危害、環(huán)境污染、圍巖失穩(wěn)、超欠挖嚴(yán)重等工程和社會(huì)問(wèn)題，這些問(wèn)題嚴(yán)重制約了隧道工程建設(shè)進(jìn)程[4-5]。

2 聚能水壓控制爆破技術(shù)概述

在目前的隧道施工中，存在以下問(wèn)題：

（1）超欠挖問(wèn)題，超挖導(dǎo)致圍巖整體性和自成拱能力降低，增大襯砌受力，欠挖則會(huì)減小襯砌厚度，達(dá)不到支護(hù)要求。

（2）圍巖損傷問(wèn)題，爆破施工中控制不當(dāng)，對(duì)保留巖體損害較大，將會(huì)導(dǎo)致圍巖失穩(wěn)，誘發(fā)塌方、突水突泥、巖爆等地質(zhì)災(zāi)害。

（3）環(huán)境影響問(wèn)題，在鄰近既有結(jié)構(gòu)和城區(qū)施工中，爆破產(chǎn)生的強(qiáng)大振動(dòng)，帶來(lái)了結(jié)構(gòu)安全和噪聲污染等問(wèn)題。

（4）作業(yè)環(huán)境問(wèn)題，隧道爆破施工產(chǎn)生了大量粉塵甚至有毒氣體，即使采用通風(fēng)手段，仍對(duì)工人的生命安全帶來(lái)了很大隱患。為解決上述問(wèn)題，目前常采用巖石定向斷裂控制爆破和水壓爆破等技術(shù)手段。

巖石定向斷裂控制爆破方法基本上分為三類，如圖1所示，第一類為切槽爆破方法（圖1a），通過(guò)機(jī)械方法在炮孔壁形成V形槽，通過(guò)應(yīng)力集中對(duì)裂紋擴(kuò)展起到導(dǎo)向作用。第二類為聚能藥包爆破方法（圖1b），該方法通過(guò)聚能穴作用，改變炸藥能量分配，使炸藥沿著預(yù)定方向產(chǎn)生應(yīng)力集中作用。第三類是通過(guò)增加特殊附件（圖1c）產(chǎn)生局部應(yīng)力集中，目前有切縫管結(jié)構(gòu)。切槽爆破由于機(jī)械成槽難度大、成本高等缺點(diǎn)，實(shí)際工程應(yīng)用較少。聚能藥包在孔內(nèi)定位困難，工藝較復(fù)雜，在實(shí)際工程中鮮有運(yùn)用。切縫管常采用硬質(zhì)材料，操作簡(jiǎn)單，在實(shí)際中已有少量應(yīng)用，但未能解決環(huán)境影響問(wèn)題。圖1d為聚能管裝藥結(jié)構(gòu)，曾在小灣水電站中取得大規(guī)模應(yīng)用，取得了較好的效果，但該方法同樣未能解決環(huán)境影響問(wèn)題。

水壓爆破于上世紀(jì)最早應(yīng)用于城市拆除爆破中，因其能有效控制常規(guī)爆破產(chǎn)生的飛石和伴隨而生的環(huán)境振動(dòng)和有毒氣體，得到了大力的推廣和應(yīng)用。近年來(lái)，為滿足環(huán)保節(jié)能和綠色建造技術(shù)的發(fā)展要求，通過(guò)我國(guó)隧道界對(duì)隧道掘進(jìn)爆破技術(shù)的創(chuàng)新實(shí)踐，提出了一種聚能水壓爆破新方法[6]，該法采用水袋+聚能管裝置+炮泥的新型裝藥結(jié)構(gòu)，其核心就是用聚能管裝置替代了常規(guī)光面爆破炮孔中的藥卷和導(dǎo)爆索，在光爆炮孔的最底部裝填水袋，在光爆炮孔上部放置水袋與炮泥復(fù)合填塞。光爆炮孔裝藥結(jié)構(gòu)如圖2所示、聚能管裝置橫截面如圖3所示。

大量工程實(shí)踐表明[7-9]，該技術(shù)具有減少圍巖擾動(dòng)、防止超欠挖、改善作業(yè)環(huán)境、提高炸藥能量利用率等優(yōu)點(diǎn)，符合環(huán)保節(jié)能要求，發(fā)展?jié)摿薮?，具有非常重要的推廣價(jià)值。

3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

3.1 聚能裝藥結(jié)構(gòu)控制爆破研究

聚能效應(yīng)最先由工程師Franz Von Baader提出假設(shè)，并于1799年對(duì)爆炸刻蝕現(xiàn)象進(jìn)行了觀察描述[10]。1888年，美國(guó)學(xué)者M(jìn)unroe在保證藥柱直徑和重量相同的前提下，對(duì)聚能空穴進(jìn)行了試驗(yàn)研究，研究結(jié)果表明，帶空穴的藥柱形成的爆坑深度為實(shí)心藥柱的幾倍。20世紀(jì)初，M.Neumann和E.Neumann兩位學(xué)者分別在理論上對(duì)帶空穴藥柱形成的聚能效應(yīng)進(jìn)行研究，并隨后對(duì)這種裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行一系列加工設(shè)計(jì)，將聚能穴藥柱廣泛應(yīng)用于煤礦和特種爆破中。1943年～1952年期間，Birkhoff、Evans和Pugh等[11-13]相繼提出和驗(yàn)證了一系列藥型罩聚能裝藥結(jié)構(gòu)的分析模型，其中，Birkhoff等[11]在1948年首先提出了聚能射流發(fā)展的定常理論，1952年，Pugh和Eichelberger等[13，14]學(xué)者首次提出了射流的準(zhǔn)定常理論（PER理論），Chou等[15-17]研究了藥型罩材料壓縮性因素對(duì)聚能射流形成、穩(wěn)定性和侵徹效果等，分析出聚能射流產(chǎn)生的臨界條件和相關(guān)的計(jì)算方法，以上研究對(duì)射流理論發(fā)展起到了重要的推動(dòng)作用。

國(guó)內(nèi)對(duì)此研究起步相對(duì)較晚，計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展大大推動(dòng)我國(guó)相關(guān)研究，通過(guò)理論分析、數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)多種手段結(jié)合，我國(guó)在聚能效應(yīng)研究上發(fā)展迅速，當(dāng)時(shí)中物院流體物理研究所對(duì)聚能射流研究做出了重要貢獻(xiàn)。Tonghu Zhou和王鐵福等[18，19]分別研究了波陣面形態(tài)和藥型罩材料晶粒度對(duì)聚能射流參數(shù)和機(jī)理的影響。陳啟珍[20]系統(tǒng)研究了不同炸藥能量對(duì)侵徹深度變化規(guī)律，并展開(kāi)系統(tǒng)分析。鄭哲敏[21]對(duì)射流的發(fā)展過(guò)程做了系統(tǒng)研究，在理想塑性假設(shè)下，通過(guò)量綱分析方法得出了射流失效時(shí)間的計(jì)算公式。秦承森等[22]研究了射流發(fā)展過(guò)程中各單元能量變化規(guī)律，求解出相鄰單元間射流速度差的理論解。蔣浩征等[23]對(duì)亞半球形雙功能聚能藥型罩裝藥進(jìn)行了分析研究，發(fā)現(xiàn)環(huán)狀銅質(zhì)藥型罩和截卵形藥型罩所產(chǎn)生的射流形態(tài)存在較大差異，并對(duì)其展開(kāi)討論和描述。郭德勇等[24，25]將聚能理論應(yīng)用于煤礦開(kāi)采中的瓦斯問(wèn)題，研究了煤層深孔爆破中，裂紋的起裂和擴(kuò)展規(guī)律。羅勇[26]對(duì)聚能藥包展開(kāi)了詳細(xì)的理論分析，并對(duì)其應(yīng)用于巖石爆破中裂紋擴(kuò)展機(jī)理展開(kāi)研究，據(jù)此爆破參數(shù)進(jìn)行了分析探討，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)切割大理石試驗(yàn)并取得了較好的效果。

王樹(shù)仁教授[27]首次提出采用PVC管為聚能藥型罩并采用空氣耦合的爆破方法，通過(guò)試驗(yàn)手段獲取了該種裝藥結(jié)構(gòu)的爆破參數(shù)，并在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了相關(guān)的應(yīng)用研究。受瑞典爆破基金會(huì)采用的V型槽藥柱（LSC藥柱）啟發(fā)，1991年水利部水利水電第七工程局嘗試?yán)糜布堎|(zhì)材料對(duì)藥卷進(jìn)行包裝加工，通過(guò)此種手段制成的聚能藥包由于受當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平和制作工藝限制，并未在實(shí)際中取得較好的應(yīng)用。2006年，中國(guó)水利水電第八工程局在小灣水電站水墊塘保護(hù)層開(kāi)挖中大面積推廣研制的橢圓雙極線性聚能藥柱（EBLSC），取得了較好的效果，該藥柱利用PVC材料克服了硬紙質(zhì)材料的缺陷，并且提出瞬時(shí)爆轟假設(shè)對(duì)該種裝藥結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化[28，29]。李必紅等[30-33]學(xué)者也對(duì)這一裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行了理論分析、數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究，研究表明這一裝藥結(jié)構(gòu)在預(yù)裂爆破中具有較好的應(yīng)用效果和前景。

3.2 水壓控制爆破研究

由于水具有不可壓縮性，通過(guò)水將爆炸產(chǎn)生的沖擊波對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的壓力會(huì)更加均勻，因此在被爆破結(jié)構(gòu)（如水塔拆除）中注入適量水，并將藥包放置其中的爆破方法稱為水壓爆破。在隧道、邊坡和水電站等工程領(lǐng)域中，由于地下水、氣候等因素的影響，往往會(huì)遇到含水炮孔爆破，此種爆破方式即利用水作為耦合介質(zhì)，仍稱為水壓爆破[34，35]。

水壓爆破于上世紀(jì)最早應(yīng)用于城市拆除爆破中，因其能有效控制常規(guī)爆破產(chǎn)生的飛石和伴隨而生的環(huán)境振動(dòng)和有毒氣體，得到了大力的推廣和應(yīng)用。1940年以來(lái)，瑞典等國(guó)家首先將水壓爆破應(yīng)用于拆除爆破領(lǐng)域，并順利拆除多種建筑，取得了良好的效果，隨后在全球范圍內(nèi)得到了大力的推廣應(yīng)用，使水壓爆破成為一種拆除爆破領(lǐng)域內(nèi)環(huán)保、安全且高效的技術(shù)。1970年后，日本學(xué)者將水壓爆破方法應(yīng)用于隧道工程和材料加工領(lǐng)域，由于水壓爆破方法可有效降低粉塵濃度和爆生有毒氣體，還能起到節(jié)約炸藥用量的目的，得到了較高的評(píng)價(jià)，此種方法后被稱為ABS爆破法[36]。

我國(guó)應(yīng)用這一爆破方法較晚，1970年后，陸續(xù)得到了推廣應(yīng)用。山東萊鋼為減小鐵礦石塊度和飛石問(wèn)題，將水壓爆破應(yīng)用于礦石的破碎，應(yīng)用結(jié)果表明，水壓爆破可有效控制巖石礦石塊度和飛石運(yùn)動(dòng)距離，解決了礦采對(duì)鄰近周邊結(jié)構(gòu)帶來(lái)的安全問(wèn)題。1980年，為解決鋁土礦中粉塵率過(guò)高等問(wèn)題，山東洪山在礦場(chǎng)中進(jìn)行水壓爆破試驗(yàn)，通過(guò)在6cm直徑炮孔的中深孔中注水，成功克服了上述問(wèn)題[37]。我國(guó)在拆除爆破領(lǐng)域也多次對(duì)水壓爆破進(jìn)行了嘗試，1984年，中國(guó)科技大學(xué)為減小三層建筑物爆破產(chǎn)生的環(huán)境影響，成功地應(yīng)用了水壓爆破技術(shù)實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的定向倒塌。隨后鐵道部相關(guān)研究單位，也對(duì)多個(gè)工事建筑開(kāi)展了水壓爆破拆除。90年代中期，西安礦業(yè)學(xué)院利用鋼廠水塔的含水的特殊性，對(duì)某座三千噸的水塔進(jìn)行了拆除爆破，這說(shuō)明了我國(guó)利用水壓爆破技術(shù)對(duì)高聳特殊結(jié)構(gòu)拆除取得了較好的應(yīng)用[38]。

關(guān)于水壓爆破理論研究較早，上世紀(jì)40年代，相關(guān)學(xué)者就對(duì)炸藥在水中爆炸作用提出了相關(guān)的近似理論，泰勒首先提出了氣泡振蕩理論[39]。隨后隨著高速攝影和計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，試驗(yàn)方法和數(shù)值計(jì)算等研究手段得到了較快的發(fā)展，人們對(duì)水中爆炸的規(guī)律和現(xiàn)象得到了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。90年代初，霍頓等學(xué)者通過(guò)數(shù)值分析方法對(duì)水中爆破沖擊波的發(fā)展和衰減規(guī)律進(jìn)行了理論分析[40]。而國(guó)內(nèi)對(duì)此研究較為滯后，70年代末期，鐵道部相關(guān)單位開(kāi)始對(duì)水壓爆破進(jìn)行試驗(yàn)研究，并成功進(jìn)行了試爆試驗(yàn)。隨后北京科技大學(xué)通過(guò)砂漿模型試驗(yàn)對(duì)水壓爆破機(jī)理展開(kāi)研究，對(duì)水壓爆破的相關(guān)特性和規(guī)律進(jìn)行了分析探討[37]。

3.3 聚能水壓控制爆破研究

聚能水壓爆破技術(shù)是在聚能穴效應(yīng)和水壓爆破理論研究基礎(chǔ)上，綜合考慮二者優(yōu)點(diǎn)而形成的控制爆破方法，該方法在實(shí)現(xiàn)定向斷裂控制的同時(shí)，還能有效利用水壓爆破減振、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，但目前關(guān)于該種裝藥結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究較少。

2009年，劉永勝等[41]總結(jié)現(xiàn)有聚能控制爆破和工程中含水炮孔等特點(diǎn)，提出了一種水耦合定向斷裂裝藥結(jié)構(gòu)，并通過(guò)試驗(yàn)手段，對(duì)單雙孔爆破結(jié)構(gòu)展開(kāi)研究，對(duì)其定向爆破性能展開(kāi)分析探討。除在含水炮孔情況下，該方法存在管內(nèi)水介質(zhì)難以充填，孔內(nèi)難以定位等缺點(diǎn)，導(dǎo)致該技術(shù)仍處于實(shí)驗(yàn)探索階段，未能在工程中得到推廣應(yīng)用。

近幾年在隧道的掘進(jìn)和城市地鐵的修建中，為減小環(huán)境影響，改善施工作業(yè)環(huán)境，爆破施工面臨著更為嚴(yán)格的要求，出現(xiàn)了以聚能管代替?zhèn)鹘y(tǒng)藥卷并在炮孔底部和頂部放置水袋，最后炮泥填充炮孔的聚能水壓爆破技術(shù)[7，8][42-44]。該技術(shù)在實(shí)際工程中取得良好的應(yīng)用效果，但對(duì)該技術(shù)的理論研究較少，裝藥結(jié)構(gòu)、炮孔間距及不耦合系數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)具有很大的經(jīng)驗(yàn)性和不確定性，大大限制了該技術(shù)的發(fā)展和推廣。亟需對(duì)其破巖機(jī)理展開(kāi)深入系統(tǒng)研究，獲得其爆破施工關(guān)鍵參數(shù)，進(jìn)一步推動(dòng)該技術(shù)深入發(fā)展。

4 結(jié)束語(yǔ)

雖然近年來(lái)國(guó)內(nèi)對(duì)聚能水壓控制爆破的研究取得了一些成果， 但因其爆破機(jī)理相當(dāng)復(fù)雜，聚能水壓爆破開(kāi)挖作用下的破巖機(jī)理理論研究尚不完善，缺乏相應(yīng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)指導(dǎo)實(shí)踐。下面是由聚能水壓控制爆破技術(shù)現(xiàn)有成果得出的結(jié)論和有關(guān)研究方向的幾點(diǎn)建議：

（1）聚能水壓控制爆破在線性藥型罩上爆炸產(chǎn)物產(chǎn)生聚能作用，在聚能角中心線方向上的巖石被撐開(kāi)、拉斷，相鄰炮孔切線上形成貫通裂縫，減少了圍巖擾動(dòng)，提高了保留巖體的完整性和穩(wěn)定性。

（2）聚能水壓爆破增添了高溫高壓高速聚能射流、水楔作用，并增強(qiáng)了膨脹氣體準(zhǔn)靜力作用，可解決常規(guī)光爆炮間距過(guò)密，減少工程造價(jià)。

（3）聚能水壓控制爆破裝藥參數(shù)方面， 特別是聚能管裝藥密度與長(zhǎng)度、聚能管材質(zhì)及斷面尺寸、不耦合系數(shù)、水袋數(shù)量及裝填位置、堵塞長(zhǎng)度、不連續(xù)裝藥、有無(wú)臨空面及最小抵抗線等對(duì)單孔爆破效果的影響規(guī)律等有待進(jìn)一步探索研究。

（4）聚能水壓控制爆破， 由于試驗(yàn)條件和測(cè)試技術(shù)的限制， 使得聚能水壓爆破機(jī)理尚不完善， 單孔聚能水壓爆破時(shí)，炮孔聚能方向、非聚能方向上及孔底軸線方向上巖體內(nèi)應(yīng)力波傳播衰減特征;雙孔聚能水壓爆破時(shí)，在炮孔連線垂直中心線方向上的傳播規(guī)律;對(duì)比分析聚能管所在位置與水袋所在位置，炮孔環(huán)向上的應(yīng)力波傳播衰減特征等還有待進(jìn)一步研究。

（5）由于爆炸是一個(gè)具有高溫、高壓和瞬態(tài)的作用過(guò)程，數(shù)值模擬時(shí)針對(duì)PVC聚能管射流形成過(guò)程中PVC管的汽化效應(yīng)、熱力學(xué)耦合分析還需進(jìn)一步考慮。

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