周邊空孔效應(yīng)對(duì)爆破振速及圍巖損傷的影響研究

滿 軻，劉曉麗

(1. 北方工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，北京 100144；2. 清華大學(xué)水沙科學(xué)與水利水電工程國家重點(diǎn)試驗(yàn)室，北京 100084)

瑞典自20 世紀(jì)50 年代，率先研究一種能按設(shè)計(jì)輪廓線爆破巖體，使開挖壁面相對(duì)平整的控制爆破技術(shù)，即光面爆破技術(shù)。由于該技術(shù)能夠有效控制圍巖損傷，并且實(shí)現(xiàn)高效破巖，因此該施工技術(shù)獲得了大量的推廣，被越來越多的應(yīng)用于工程實(shí)際中。其中，爆破參數(shù)如何選取至關(guān)重要，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)此基于不同的研究出發(fā)點(diǎn)，以及不同的爆破機(jī)理分析方法，進(jìn)行了大量的分析與研究[1 ? 10]。尤以光面爆破和預(yù)裂爆破應(yīng)用更為廣泛，因?yàn)闊o論是光面爆破還是預(yù)裂爆破，此兩種工法均能夠更好的保持圍巖的開挖穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)良好的爆破效果[11 ? 17]。尤其以爆破周邊眼空孔數(shù)目的選擇與空孔位置的分布是研究與施工的熱點(diǎn)與難點(diǎn)[18 ? 20]。付佳佳等[21]采用理論與數(shù)值結(jié)合的方法分析了“空孔效應(yīng)”對(duì)光面爆破效果的影響，其比較了普通光面爆破和帶空孔的光面爆破兩種方式下巖石中的應(yīng)力場(chǎng)，“空孔效應(yīng)”使得炮孔附近的應(yīng)力增大，且切向拉應(yīng)力的極大值出現(xiàn)在孔心連線方向，從而有利于該部分巖石的拉開、脫離和拋擲。另外，在“空孔效應(yīng)”作用下的拉伸破壞范圍要明顯大于普通光面爆破的拉伸破壞范圍，有利于平滑輪廓面的形成。在巖石破碎過程中，陳秋宇等[22]為改善爆破效果，使巖體的完整性降低，采用空孔控制裂紋的擴(kuò)展，同時(shí)利用空孔補(bǔ)償巖石的位移。關(guān)于空孔的研究，目前較多的是在掌子面的掏槽孔中含有空孔的情況下著眼，研究如何使掏槽孔中的空孔更有效掏槽的空孔效應(yīng)問題，而在實(shí)施爆破過程中，對(duì)周邊眼中含有空孔效應(yīng)的問題研究不是很多。岳中文等[23]采用數(shù)字激光動(dòng)態(tài)焦散線試驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)爆炸荷載作用下空孔周圍的動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)分布及空孔對(duì)爆生主裂紋擴(kuò)展行為的影響進(jìn)行了研究。段衛(wèi)東等[24]針對(duì)巖體爆破單孔的爆破參數(shù)與裝藥孔和鄰近空孔的理論炮眼間距計(jì)算，認(rèn)為破裂區(qū)和空孔周邊的應(yīng)力集中區(qū)重合時(shí)為炸藥最大利用率，由此獲得了空孔的理論最優(yōu)間距。但研究成果仍較少，獲得的部分結(jié)論尚需進(jìn)一步的驗(yàn)證。

甘肅北山坑探設(shè)施作為我國高放廢物地質(zhì)處置的工程技術(shù)型研究設(shè)施，與其它地下工程的顯著區(qū)別是其對(duì)開挖質(zhì)量要求很高，周邊圍巖損傷必須控制在盡量小的范圍內(nèi)，確保地下工程建成后，能夠保持?jǐn)?shù)萬年的長期安全，核素不會(huì)從工程圍巖遷移至自然界，因此，對(duì)圍巖的爆破施工技術(shù)提出了更高的要求。本文針對(duì)甘肅北山坑探設(shè)施爆破試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況，設(shè)計(jì)了鉆爆法試驗(yàn)的爆破參數(shù)，并側(cè)重在周邊孔布設(shè)了若干間距的空孔予以間隔，進(jìn)而研究爆破試驗(yàn)下的空孔效應(yīng)，尋求其能否達(dá)到更為良好的爆破效果，是否有利于核廢料處置工程的建設(shè)。鑒于此，本文從“空孔效應(yīng)”研究的角度出發(fā)，對(duì)該區(qū)域花崗巖體的周邊孔間距這一爆破參數(shù)進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)、試驗(yàn)與探討。

1 空孔效應(yīng)的破巖機(jī)理

實(shí)現(xiàn)爆破的周邊孔分為兩類，分別是裝藥孔和空孔。裝藥孔是通過其孔內(nèi)裝載的炸藥破碎巖石，充分發(fā)揮炸藥的沖擊爆熱性能，利用其沖擊波、發(fā)熱及爆生氣體的共同作用破碎巖石并拋擲巖渣。

空孔一般是平行于裝藥孔，孔內(nèi)不裝炸藥或者在孔底裝少量的炸藥，主要是為了提供自由面給裝藥孔，更有利于鄰近裝藥孔的爆破實(shí)施。并且，空孔給巖石的破碎提供了一個(gè)補(bǔ)償空間，爆破產(chǎn)生的巖石可以擠壓在空孔內(nèi)，有利于巷道周邊輪廓的爆破形態(tài)，形成更好的半孔率。空孔和裝藥孔一般布置是間隔布置，既能充分發(fā)揮炸藥性能，又能產(chǎn)生空孔效應(yīng)，起到良好的爆破效果，并節(jié)省火工消耗。特別是針對(duì)堅(jiān)硬的巖石，空孔的布設(shè)更有必要。

從爆破機(jī)理分析，由于空孔的存在，沿著空孔和裝藥孔之間的巖石受力情況并不僅僅是傳統(tǒng)意義上的沖擊波和爆生氣體共同作用，而是巖石的拉伸破壞作用起主導(dǎo)作用，其改變了爆破作用下巖石的破壞機(jī)理。對(duì)于巖石這種準(zhǔn)脆性材料，其抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其抗拉伸強(qiáng)度，至少為一個(gè)數(shù)量級(jí)的差異。其抗壓強(qiáng)度一般為數(shù)百兆帕，而抗拉強(qiáng)度一般為數(shù)十兆帕。因此，如想高效的破壞或者破碎巖石，需要盡可能的使其產(chǎn)生拉伸受力狀態(tài)。空孔炮孔壁面裂紋的起裂主要是由于壁面巖體質(zhì)點(diǎn)受到切向應(yīng)力而引起的，并且裂紋的擴(kuò)展行為除了受到爆炸應(yīng)力波之外，爆生氣體亦起到了裂紋擴(kuò)展的主要驅(qū)動(dòng)作用。

無論是室內(nèi)巖石的單軸壓縮、三軸壓縮，還是直接拉伸或者間接拉伸試驗(yàn)，其破壞機(jī)理要么是拉伸破壞，要么是壓剪破壞[25 ? 32]。在炸藥起爆作用下，單純的靠沖擊波以及應(yīng)力波的壓力傳導(dǎo)至巖石的壓力，是純粹的壓應(yīng)力，只有當(dāng)波傳遞至自由面的時(shí)候，發(fā)生了反射，產(chǎn)生了拉伸卸載波，才會(huì)產(chǎn)生拉伸應(yīng)力，有利于巖石的剝裂。但是在靠近裝藥孔的巖壁上，產(chǎn)生的是壓縮破壞，巖壁被爆炸波破損為巖粉。由于空孔的存在，其在巖體中產(chǎn)生了一個(gè)自由面，爆炸應(yīng)力波在此會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，此處的應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其它處巖石中的應(yīng)力，并且在空孔與裝藥孔之間的巖石受到的不僅有沖擊壓力，還有拉伸應(yīng)力。根據(jù)文獻(xiàn)[33 ? 34]的研究成果，特別是在周邊裝藥孔與空孔的連線方向上，是最大拉應(yīng)力產(chǎn)生的地方，使得裝藥孔與空孔之間產(chǎn)生裂紋，并且互相貫通，更易發(fā)生由拉伸應(yīng)力導(dǎo)致的巖石破壞。

同時(shí)，空孔致使其周圍易于產(chǎn)生應(yīng)力集中，爆炸應(yīng)力波與爆生氣體在空孔處能量聚集與釋放會(huì)更為充分，沿著裝藥孔與空孔之間的連線方向更易發(fā)生貫通破壞，空孔起到了很好的導(dǎo)向作用。

因此，在爆破破壞過程中，空孔的存在使得裝藥孔與空孔之間裂紋貫通，起到了很好的導(dǎo)向作用，有利于發(fā)揮炸藥的性能。

2 空孔參數(shù)的設(shè)計(jì)

本文擬定以空孔效應(yīng)的研究作為鉆爆工程施工過程參數(shù)優(yōu)化的選項(xiàng)之一。

對(duì)炮眼間距，分別采取理論計(jì)算和半經(jīng)驗(yàn)半理論分析方法對(duì)其進(jìn)行了量化。巷道巖石堅(jiān)固性系數(shù)取f=8，縱波波速cp=3500 m/s；周邊眼使用乳化炸藥，將每節(jié)藥卷平均剪成4 段，采用空氣間隔不耦合裝藥，空氣柱La=0.2 m，炸藥密度ρ0=1000 kg/m3，爆速為D=4000 m/s，藥卷直徑為dc=3.2×10?2m，炮眼直徑db=4.2×10?2m，炮孔長度為2.0 m，巖石泊松比μ=0.25。

圖1 裝藥孔與空孔平面布置圖Fig. 1 Schematic of empty hole and charging

根據(jù)彈性理論，空孔附近P點(diǎn)處的應(yīng)力狀態(tài)可表示為[13]：

圖1 中，A為裝藥孔，B為空孔，P點(diǎn)在裝藥孔與空孔之間連線的某位置處，距離裝藥孔A為r，距離空孔B為R。rB為空孔半徑， θ為任意方向與炮孔間連線方向的夾角，裝藥孔與空孔間距為E。

裝藥炮孔與空孔間區(qū)域巖石質(zhì)點(diǎn)破壞采用的是最小拉應(yīng)力破壞準(zhǔn)則，同時(shí)該準(zhǔn)則采用了巖石動(dòng)態(tài)拉伸強(qiáng)度值。

其中，裂隙區(qū)半徑Tk及裝藥孔與空孔間距E計(jì)算公式為[21]：

當(dāng)巖石的動(dòng)抗拉強(qiáng)度與空孔附近的抗拉強(qiáng)度一致時(shí)，破碎區(qū)面積最大，孔壁裂紋起裂擴(kuò)展充分，空孔與裝藥孔之間的裂紋相互貫通，炸藥利用最為高效。根據(jù)上述公式計(jì)算，可得到空孔和裝藥孔之間的間距約為300 mm。

3 周邊空孔間隔裝藥爆破試驗(yàn)

在爆破現(xiàn)場(chǎng)，根據(jù)實(shí)地巖石工程地質(zhì)情況，采用改變周邊眼間距的方法，驗(yàn)證不同爆破參數(shù)下光面爆破的效果。可借助于巷道超欠挖、周邊孔半孔率等進(jìn)行衡量當(dāng)次的爆破效果。其中，對(duì)周邊孔的左側(cè)進(jìn)行了空孔效應(yīng)的研究，裝藥孔與空孔間隔布置，52、54、56、58 作為空孔不裝藥。而在右側(cè)周邊眼全部裝藥，周邊眼間距為298 mm(約為300 mm)。圖2 為本次光面爆破的炮眼布置圖，表1 為相應(yīng)的爆破參數(shù)。具體試驗(yàn)論述如下。

圖2 爆破炮孔布置圖Fig. 2 Schematic of boreholes

采用分次起爆方法，按照掏槽眼?崩落眼?幫眼?周邊眼?底眼順序起爆，共有10 段；爆破掏槽采用直眼掏槽，左幫周邊眼采取空孔間隔裝藥，有4 個(gè)孔作為空孔不裝藥，右?guī)退兄苓呇鄱佳b藥，對(duì)爆破后的效果進(jìn)行比較，圖3 為爆破前進(jìn)行炮孔的定位工作及炮孔打眼情況。

根據(jù)爆破后效果，左側(cè)有空孔時(shí)，光面爆破的半孔多且長，且無明顯的超欠挖現(xiàn)象，爆破效果較好。爆破施工后，爆破掘進(jìn)面左幫進(jìn)尺2.2 m，右?guī)蛶r石掘進(jìn)進(jìn)尺2.1 m；并且左幫巖石半眼率數(shù)目更多，半眼長度更長，半眼痕率較高，如圖4所示。

由圖4 可知，對(duì)同一掌子面而言，采用空孔間隔設(shè)計(jì)周邊眼間距時(shí)(300 mm)，爆破效果較佳；未采用空孔間隔時(shí)，爆破效果一般。此外，未布置空孔的右側(cè)，還浪費(fèi)了炸藥等爆品耗材。需說明的是：本次試驗(yàn)，掌子面內(nèi)巖石硬度較高?？梢?，周邊眼之間進(jìn)行空孔間隔施工，不僅可形成有效的導(dǎo)向孔，利于爆破成型，并且還能夠節(jié)省炸藥、雷管、導(dǎo)爆索等耗材，達(dá)到合理經(jīng)濟(jì)開挖的目的。因此，合理的在周邊孔間距中布設(shè)空孔對(duì)光面爆破效果影響至關(guān)重要，特別是在硬巖掘進(jìn)過程中。

表1 爆破參數(shù)表Table 1 Blasting parameters

圖4 全斷面光面爆破效果圖Fig. 4 Photo of blasting effect

圖3 實(shí)際打眼定位圖Fig. 3 Photos of actual boreholes

4 爆破振速與圍巖損傷分析

結(jié)合上述空孔效應(yīng)試驗(yàn)，同時(shí)進(jìn)行了爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)，并在爆破后對(duì)周邊圍巖的損傷予以了監(jiān)測(cè)。通過爆破最大振動(dòng)速度、主頻以及圍巖損傷區(qū)范圍，綜合評(píng)價(jià)空孔間隔裝藥一側(cè)與正常裝藥一側(cè)的爆后效果。

4.1 爆破振動(dòng)速度分析

爆破振動(dòng)測(cè)試可對(duì)該次循環(huán)的爆破效果進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，通過振動(dòng)速度、爆破主頻、振動(dòng)持續(xù)時(shí)間等參數(shù)對(duì)爆破效果予以刻畫，是爆破工程中常用的監(jiān)測(cè)手段。本次爆破監(jiān)測(cè)選用成都中科測(cè)控有限公司生產(chǎn)的TC-4850 爆破振動(dòng)記錄儀，從距爆破掌子面10 m 位置布置測(cè)點(diǎn)，在巷道左側(cè)幫部和右側(cè)幫部各設(shè)置1 個(gè)傳感器。

周邊孔正常裝藥與空孔間隔裝藥的爆破振動(dòng)信號(hào)波形圖如圖5 所示。

圖5 周邊孔普通裝藥和空孔間隔裝藥時(shí)爆破測(cè)點(diǎn)信號(hào)波形Fig. 5 Vibration waveform of usual charge and empty charge for surrounding holes

通過該次爆破試驗(yàn)獲得的空孔間隔裝藥最大振速，以及上次循環(huán)周邊眼正常裝藥時(shí)獲得的最大爆破振速，對(duì)比分析，可得到距離爆源10 m 處，普通裝藥側(cè)產(chǎn)生的質(zhì)點(diǎn)最大振動(dòng)速度為20 cm/s，而空孔間隔裝藥側(cè)所監(jiān)測(cè)到的最大振動(dòng)速度為12 cm/s。空孔間隔布置一側(cè)，裝藥量比普通裝藥布置一側(cè)的裝藥量少約1/2，其爆破振速與單段最大裝藥量密切相關(guān)，相應(yīng)地爆破振速有大幅度的減弱。

周邊孔普通裝藥和空孔間隔裝藥時(shí)的爆破振動(dòng)信號(hào)頻譜如圖6 所示?？梢姡Ｑb藥側(cè)爆破信號(hào)更為復(fù)雜，峰值峰谷變化更為頻繁劇烈，不利于工程設(shè)施的穩(wěn)定。

同時(shí)，發(fā)現(xiàn)周邊眼普通裝藥、周邊眼空孔間隔裝藥爆破振動(dòng)信號(hào)在0 Hz～250 Hz 間的能量占該信號(hào)總能量的百分比分別為91.65%、63.08%。對(duì)于地下工程而言，爆破振動(dòng)信號(hào)的能量在頻域上雖然分布比較廣泛，但絕大部分能量集中在0 Hz～500 Hz 間。普通裝藥時(shí)能量主要集中在250 Hz 以內(nèi)，其中0 Hz～125 Hz 能量占58.11%，125 Hz～250 Hz 能量占33.54%，而空孔間隔裝藥時(shí)能量主要集中在0 Hz～500 Hz 范圍內(nèi)，其中0 Hz～125 Hz能量占13.06%，125 Hz～250 Hz 能量占50.02%，250 Hz～500 Hz 能量占36.92%。

圖6 周邊孔普通裝藥和空孔間隔裝藥時(shí)爆破信號(hào)頻譜Fig. 6 Blasting signal spectra of usual charge and empty charge for surrounding holes

相比于空孔間隔裝藥條件下，周邊孔均為普通裝藥時(shí)，頻率在主振帶上分布更為集中。這主要是因?yàn)樵谂R空面較好的條件下，空孔間隔裝藥爆炸的能量在空孔約束較弱的方向上會(huì)快速釋放，而普通藥包最后一段雷管單段爆破減小了地震波的相互干擾，從而導(dǎo)致信號(hào)更加集中于低頻段的主振頻帶。兩種裝藥形式所在測(cè)點(diǎn)離爆源的距離均相同，周邊眼普通藥包情況下其頻帶能量最大值卻遠(yuǎn)超過了空孔裝藥條件下，這表明在爆破的近區(qū)，空孔裝藥降振效果明顯。

4.2 圍巖損傷分析

爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)表明爆破擾動(dòng)對(duì)近區(qū)圍巖的力學(xué)屬性改變明顯。但是，對(duì)該次爆破循環(huán)，左右兩側(cè)周邊孔不同的裝藥結(jié)構(gòu)，決定了左右兩側(cè)圍巖的損傷是不一致的。鑒于此，開展了圍巖損傷監(jiān)測(cè)，通過雷達(dá)測(cè)試法和聲波測(cè)試法，用以評(píng)價(jià)爆破后巖體的損傷特性及范圍。

采用美國生產(chǎn)的GSSI 1.5 GHz 高頻空氣耦合天線雷達(dá)測(cè)試設(shè)備，用高頻天線圈定高度損傷區(qū)EDZ 的范圍，并對(duì)測(cè)線圈定的EDZ 深度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖7 所示為其中一次探地雷達(dá)測(cè)試結(jié)果。

圖7 高頻1.5 GHz 雷達(dá)測(cè)試結(jié)果Fig. 7 Test result of ground penetrating radar of 1.5 GHz

通過高頻雷達(dá)探測(cè)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)對(duì)于空孔間隔裝藥的左側(cè)，其EDZ 平均厚度為22 cm，而其右側(cè)普通藥包處，EDZ 平均厚度為27 cm。需要說明的是，空孔間隔布置一側(cè)，裝藥量比普通裝藥布置一側(cè)的裝藥量少約1/2，其爆破振速和EDZ值亦有較大程度的減弱。

進(jìn)一步的，通過單孔波速及跨孔波速測(cè)試，對(duì)圍巖損傷特性予以佐證。聲波層析成像結(jié)果顯示：在距離開挖面30 cm 范圍內(nèi)波速降低為原巖的10%，該范圍內(nèi)裂隙密度顯著高于未擾動(dòng)巖體，認(rèn)為該區(qū)域?yàn)閲鷰r爆破損傷區(qū)。據(jù)此，我們可擬定該次爆破試驗(yàn)圍巖未產(chǎn)生明顯損傷的范圍不超過30 cm。這與上述高頻探地雷達(dá)的測(cè)試結(jié)果(分別為22 cm 和27 cm)保持一致，也充分說明了空孔效應(yīng)對(duì)爆破的有益效果，降低了圍巖損傷范圍。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了甘肅北山坑探設(shè)施項(xiàng)目光面爆破施工的爆破參數(shù)，并研究了周邊孔在空孔間隔情況下的炮眼布置方案，通過理論分析及現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)，獲得了如下結(jié)論：

(1)基于光面爆破原理，對(duì)甘肅北山坑探設(shè)施項(xiàng)目進(jìn)行了光面爆破的爆破參數(shù)設(shè)計(jì)，特別是結(jié)合空孔效應(yīng)原理，在同一斷面的周邊孔中，間隔布設(shè)了若干數(shù)量的空孔，用以研究空孔效應(yīng)。

(2)從爆破原理出發(fā)，結(jié)合巖石爆破拉伸破壞的強(qiáng)度判據(jù)，計(jì)算了本實(shí)施項(xiàng)目的裝藥孔與空孔炮眼間距值為30 cm 時(shí)較為適宜。并進(jìn)一步實(shí)施了在同一巷道掌子面情況下，于不同左、右?guī)筒课恢锰幙湛组g隔的光面爆破試驗(yàn)，根據(jù)爆破效果，驗(yàn)證了上述方法計(jì)算得到的空孔間距是合理的，具有空孔的時(shí)候較未布置空孔的情況下光爆效果更佳。

(3)通過爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)和圍巖損傷測(cè)試，進(jìn)一步的衡量爆破效果。爆破振動(dòng)測(cè)試結(jié)果顯示，空孔間隔時(shí)的最大振速(12 cm/s)小于普通藥包時(shí)的最大振速(20 cm/s)。并且圍巖損傷測(cè)試亦表明，空孔間隔裝藥的左幫爆破導(dǎo)致的圍巖損傷范圍(22 cm)也較普通藥包處小(27 cm)。

值得指出的是，鉆爆施工涵蓋多種不同的爆破參數(shù)，影響因素眾多。本文爆破試驗(yàn)獲取數(shù)據(jù)限于本實(shí)施工程，并且試驗(yàn)次數(shù)亦有限，本研究成果是對(duì)空孔效應(yīng)的初步探索，可對(duì)后續(xù)工程開挖提供相應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論支撐，其對(duì)于深部地下工程的爆破開挖及高放廢物的深地質(zhì)處置，有一定的理論指導(dǎo)意義。