基于C型聚能管的聚能水壓光面爆破技術(shù)原理及應用?

李 淮 孫衛(wèi)星 宋鵬偉 楊新安

①中交第三航務工程局有限公司(上海，200030)

②同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室(上海，201804)

③同濟大學交通運輸工程學院(上海，201804)

引言

目前，鉆爆法是隧道施工的主要方法。光面爆破技術(shù)雖然在施工中也得到普遍應用，但是仍然存在著許多不足，如常規(guī)光面爆破中炮眼間距小、鉆孔時間長、超挖和欠挖嚴重、對保留巖體擾動大等。傳統(tǒng)的光面爆破技術(shù)已經(jīng)不能滿足現(xiàn)階段隧道精細化、綠色施工等的要求。近年來，聚能水壓光面爆破技術(shù)開始在隧道施工中應用，顯著減少了鉆孔數(shù)量和作業(yè)時間，提高了施工效率，改善了爆破效果及施工環(huán)境，具有良好的社會經(jīng)濟效益[1]。

對于聚能水壓光面爆破，目前，有一些學者進行了研究。張盛等[2]進行了D型聚能管井下爆破試驗研究，最終確定了合理的預裂爆破參數(shù)。熊炎林等[3]采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗，對聚能爆破在隧道開挖成型控制中的作用進行了研究。結(jié)果表明，采用聚能水壓光面爆破技術(shù)可有效減小超挖和欠挖，改善爆破效果。何滿潮等[4]分析了雙向聚能拉伸爆破的技術(shù)特點、破巖機理及力學模型，并進行了現(xiàn)場基礎(chǔ)試驗研究。魏垂勝[5]分析了線性聚能光面爆破的原理并通過現(xiàn)場試驗證明，線性聚能光面爆破技術(shù)具有成本低、工效高、爆破效果好的特點。梁洪達等[6]基于理論分析與數(shù)值模擬，對單孔爆破、間隔爆破爆炸應力波的傳播形式和裂紋擴展規(guī)律進行了研究。徐風等[7]利用數(shù)值仿真及理論驗證，對聚能罩不同錐角及不同藥、罩距離下的爆炸能量輸出進行了對比分析。劉海波[8]闡述了基于W型聚能管的聚能水壓光面爆破技術(shù)的原理、裝藥結(jié)構(gòu)、裝填方法與程序，并分析了聚能水壓光面爆破的經(jīng)濟效果。

綜上，關(guān)于聚能水壓爆破的破巖理論大多比較籠統(tǒng)，缺乏系統(tǒng)研究。另外，目前研究大都基于D型、W型(異性雙槽型)等第一代聚能管，關(guān)于第二代C型聚能管的研究與應用分析較少。其中，D型聚能管由主體和蓋板兩部分組成；W型聚能管由兩半壁管相扣而成；兩者均需要對炸藥進行二次加工，裝填操作復雜，且所需時間較長，安全性較差。C型聚能管則能夠較好地克服此類問題，具有一定的研究價值。

基于此，本文中，以欒盧高速公路碾盤隧道為研究對象，結(jié)合理論分析和現(xiàn)場試驗，對聚能水壓光面爆破技術(shù)的成縫機理和破巖過程進行分析，并進一步研究基于C型聚能管聚能水壓光面爆破技術(shù)的應用效果。

1 聚能水壓光面爆破技術(shù)原理

聚能水壓光面爆破技術(shù)是在隧道爆破施工的周邊眼中采用C型聚能管裝置代替普通光面爆破裝藥結(jié)構(gòu)，并在炮孔上部增設水袋，利用水砂袋(非牛頓流體)代替炮泥來堵塞炮孔，達到充分利用爆破能量控制爆破振速與圍巖穩(wěn)定、改善光面爆破效果的目的。對應力波及爆生產(chǎn)物在炮孔、巖體中的傳播過程進行研究，結(jié)合破巖過程及成縫機制進一步分析聚能水壓光面爆破技術(shù)的原理。

1.1 沖擊波在炮孔內(nèi)的傳播規(guī)律

炸藥在空氣介質(zhì)中爆炸后，瞬間形成爆炸沖擊波并向外傳播。在沖擊波的作用下，炮孔上部的水袋破裂，水以流體形式分散在空氣外圍，并與巖體接觸，形成空氣-水復合介質(zhì)。爆炸沖擊波是一種超聲速的強烈壓縮波，衰減速度快。爆炸沖擊波在炮孔內(nèi)的傳播主要分為在空氣介質(zhì)中的產(chǎn)生與傳播、在空氣-水界面的反射和透射、在水介質(zhì)中的傳播以及在水-巖石界面的反射和透射4個部分。

爆炸沖擊波從介質(zhì)a穿過交界面進入介質(zhì)b時，由于兩種介質(zhì)的波阻抗不同，沖擊波會在交界面上發(fā)生部分透射和反射[9-10]。

爆炸沖擊波在傳至交界面時，由連續(xù)性可得，交界面上同一質(zhì)點的兩側(cè)振動速度相同，即

式中:uI、uR、uT分別為入射波振速、反射波振速及透射波振速。

對于反射波，在交界面上的作用力與反作用力相等，方向相反。由應力平衡可得

式中:σI、σR、σT分別為入射波應力、反射波應力及透射波應力。

以縱波為例，根據(jù)波阻抗的定義可得

式中:ρa、ρb分別為介質(zhì)a、介質(zhì)b的密度；ca、cb分別為介質(zhì)a、介質(zhì)b的縱波波速。

聯(lián)立式(1)～式(5)，可求得

式中:F為沖擊波反射系數(shù)；T為沖擊波透射系數(shù)。

且有

爆破沖擊波首先在空氣介質(zhì)中傳播，在傳播過程中由于空氣的絕熱壓縮而產(chǎn)生熵減，使爆破能量產(chǎn)生損耗。

爆炸沖擊波傳播到空氣-水交界面時，空氣的波阻抗ρ1c1小于水的波阻抗ρ2c2，所以F>0；且入射沖擊波穿過交界面時會產(chǎn)生反射壓縮波與透射壓縮波，即T＝1＋F>1；另外，沖擊波進入水介質(zhì)后，振速降低，但應力明顯增大，即σT>σI、uT

爆炸沖擊波在水介質(zhì)中傳播時，由于水的可壓縮性很小，所以可以認為沖擊波的傳播過程是等熵的，幾乎不會有能量損失。同時，由于振速降低，水中沖擊波會均勻地作用于圍巖，減少圍巖的過粉碎，提高能量的利用率[11]。

爆炸沖擊波傳播到炮孔壁(水-巖石交界面)時，由于水的波阻抗ρ2c2小于巖石的波阻抗ρ3c3，同理可得，入射沖擊波穿過交界面時會產(chǎn)生反射壓縮波與透射壓縮波。沖擊波進入巖石介質(zhì)后，振速降低，應力明顯增大。

沖擊波在介質(zhì)交界面的反射和透射過程如圖1所示。圖1中，I表示入射波，R表示反射波，T表示透射波。

圖1 沖擊波在交界面的反射和透射Fig.1 Reflection and transmission of shock waves at the interface

綜上，與常規(guī)光面爆破的空氣介質(zhì)不耦合爆破相比，聚能水壓光面爆破的空氣-水復合介質(zhì)在不耦合爆破下的圍巖振速降低，應力增大，能量利用率顯著提高。

1.2 聚能水壓爆破作用下巖體成縫過程

在聚能水壓爆破作用下，巖體的成縫過程可分為聚能射流切縫階段、巖體壓碎階段、裂縫發(fā)育階段、裂縫擴展階段、最終成縫階段。

1.2.1 聚能射流切縫階段

炸藥爆炸后，爆轟波一方面沿著炮孔軸向進行傳播，另一方面向徑向運動。聚能槽在數(shù)千萬帕的爆轟壓力作用下向軸線處擠壓，爆轟產(chǎn)物沿著聚能槽表面外法線方向運動，爆破能量向聚能方向聚集，由此形成了聚能方向上攜帶有聚能罩材料的高壓力、高能量、高速度的聚能射流。聚能射流侵徹入圍巖，在炮孔壁上形成初始導向裂縫。在非聚能方向，由于聚能管本身具有一定的強度，對爆轟產(chǎn)物及沖擊波的傳播起到了抑制作用，一定程度上抑制了非聚能方向的裂隙發(fā)育，提高了對保留圍巖的保護。

根據(jù)巖石斷裂力學理論，當裂縫端部應力強度因子KI大于巖石斷裂韌性KIc時，巖石開裂；反之，則停止開裂。

聚能射流侵徹巖石之前，應力強度因子[12]為

式中:p為透射到巖體的沖擊波壓力；f為應力強度因子修正系數(shù)；α為初始裂紋長度，在鉆孔爆破中從孔中心算起。

根據(jù)Cai等[13]統(tǒng)計，對于大多數(shù)巖石，KIc與巖石抗壓強度σc有下列關(guān)系:

由于聚能方向上的炮孔壓力大于非聚能方向的壓力，所以聚能方向上的炮孔壁率先開裂，形成初始導向裂縫；隨后，爆生氣體進入，聚能方向上的爆生氣體壓力增大，而相應的非聚能方向上的壓力就小，無法支撐裂隙的發(fā)育，從而減少了對保留巖體的損傷。

1.2.2 巖體壓碎階段

當透射沖擊波傳播至巖體時，巖體處于混合三向應力狀態(tài)，繼續(xù)傳播，沖擊波強度衰減為塑性應力波，巖體壓碎區(qū)內(nèi)任一點的應力狀態(tài)為

式中:σr、σθ、σz分別為巖體內(nèi)任一點的徑向應力、環(huán)向應力及軸向應力；R為該點到裝藥中心的距離；ra為炮孔半徑；μd為巖體動態(tài)泊松比；k為側(cè)向應力系數(shù)，k＝μd/(1－μd)。

根據(jù)Von-Mises屈服準則，巖體內(nèi)任一點的有效應力強度為

當透射沖擊波作用下巖體所受有效應力強度σi大于巖體的動態(tài)抗壓強度σcd時，即σi≥σcd時，巖體被壓碎。

計算可得巖體的壓碎區(qū)半徑為

1.2.3 裂縫發(fā)育階段

隨著沖擊波在巖體中的傳播，能量不斷被消耗，逐漸衰減為壓縮應力波；此時，其有效應力強度已經(jīng)無法壓碎巖石，巖體處于拉剪狀態(tài)，即徑向受壓縮應力和環(huán)向受拉伸應力。巖體裂縫發(fā)育區(qū)內(nèi)的任意一點的應力狀態(tài)為

應力波作用下，當巖體環(huán)向拉應力大于巖體動態(tài)抗拉強度σtd時，巖體產(chǎn)生徑向拉伸裂縫。應力波傳播過后，壓力減小，巖體由于前期壓縮所積蓄的彈性變形能得到釋放，從而使巖體向爆破中心運動，產(chǎn)生了反向徑向拉伸應力。當反向徑向拉伸應力高于巖體動態(tài)抗拉強度σtd時，巖體產(chǎn)生環(huán)向裂縫，由此產(chǎn)生了裂縫發(fā)育區(qū)。徑向裂縫和環(huán)向裂縫的形成原理如圖2所示。

圖2 徑向裂縫和環(huán)向裂縫的形成原理Fig.2 Formation principles of radial fissures and circumferential fissures

同理可得，裂縫發(fā)育區(qū)的半徑為

1.2.4 裂縫擴展階段

隨著應力波的衰減，已經(jīng)無法使巖體產(chǎn)生裂縫，在爆生氣體的膨脹壓縮作用下，水楔攜帶著大量的爆破能量滲入裂縫之中，使應力集中于裂縫尖端；同時，在爆轟氣體的膨脹壓力以及外部的應力場作用下，在裂縫內(nèi)部形成準靜態(tài)應力場，裂縫得到進一步擴展或延伸。

在本階段，裂縫擴展主要由水楔劈裂作用、爆轟氣體的膨脹作用及應力波作用共同引起。根據(jù)斷裂力學理論，此階段的應力強度因子KI2為[9，11-12，14]

式中:KIw、KIa、KIσ分別為水楔劈裂作用下、爆轟氣體作用下及應力波作用下裂縫尖端應力強度因子。

當裂縫端部應力強度因子KI2大于巖石斷裂韌性KIc時，巖體裂縫持續(xù)擴展，直至KI2

1.2.5 最終成縫階段

相鄰炮孔的爆破應力波疊加，使巖體內(nèi)部炮孔連心線上的拉伸應力明顯增大。在水楔劈裂以及爆轟氣體的作用下，聚能方向上裂縫發(fā)展最快。相鄰炮孔連心線方向裂縫貫通后，殘余的爆轟氣體將光面爆破層的巖石擠壓出去，并拋擲一段距離，形成光面爆破斷面。

綜上所述，聚能射流侵入巖體后，在孔壁上形成初始導向裂縫；在爆炸沖擊波的作用下，巖體形成壓碎區(qū)；在應力波、水楔劈裂以及爆生氣體的作用下，聚能方向上裂縫進一步擴展、延伸，直至貫通，形成最終光面爆破斷面。

根據(jù)聚能水壓爆破技術(shù)原理，與常規(guī)光面爆破技術(shù)相比，聚能水壓光面爆破技術(shù)下，在孔內(nèi)空氣-水復合介質(zhì)作用下，沖擊波到達孔壁時應力增大，圍巖振速降低；在聚能方向上，爆破能量的集中導致非聚能方向上爆生氣體的壓力降低，所以有利于保護保留巖體的強度和穩(wěn)定狀態(tài)。

通過現(xiàn)場試驗，對基于C型聚能管的聚能水壓光面爆破技術(shù)與常規(guī)光面爆破技術(shù)進行對比分析和驗證。

2 C型聚能管裝置及裝藥結(jié)構(gòu)

2.1 C型聚能管裝置及組裝方法

2.1.1 C型聚能管的結(jié)構(gòu)及設計依據(jù)

C型聚能管采用PVC材料，為第二代聚能管，長度為1 m，管壁厚為1.2 mm，截面呈C型。聚能管兩側(cè)各有一個凹槽，即聚能槽。聚能槽頂角為60°，頂部距離為17.89 mm；在聚能槽外部存在厚度為0.60 mm的薄壁。聚能管上部開口為20.00 mm，外形尺寸為?32.00 mm×26.62 mm。C型聚能管實物圖及截面尺寸如圖3所示。

圖3 C型聚能管實物圖及截面尺寸(單位:mm)Fig.3 C-shaped energy-concentrating tube and its section size(unit:mm)

C型聚能管主要基于諾爾曼效應[15-16](又稱為門羅效應，即Munroe effect)進行設計。利用炸藥爆炸后所產(chǎn)生的爆轟產(chǎn)物沿外法線方向進行散射的基本規(guī)律，將聚能管設計為兩側(cè)帶有錐形凹槽(即聚能槽)的軸對稱側(cè)向聚能裝藥裝置。爆炸時，由于聚能槽的存在，沿聚能方向(聚能槽連線方向)產(chǎn)生高壓、高密度、高速度的聚能射流，從而使爆轟產(chǎn)物聚集，并增加能量密度，提高爆炸穿透能力，形成初始導向裂縫。C型聚能管裝藥爆炸產(chǎn)生的聚能射流示意圖如圖4所示。

圖4 聚能射流示意圖Fig.4 Schematic diagram of shaped jet

2.1.2 C型聚能管的優(yōu)勢及組裝方法

與第一代聚能管(W型、D型)相比，C型聚能管裝置組裝更方便快捷，不再需要空壓機、注藥槍等設備，也不需要對炸藥進行二次加工，在現(xiàn)場即可進行制備。有利于減少準備時間，降低操作難度，已經(jīng)漸漸取代了第一代聚能管，得到廣泛運用。

C型聚能管中裝藥形式為間隔裝藥，即縱向不耦合裝藥，需要提前制備。裝藥步驟為:

1)將1卷2＃巖石乳化炸藥沿中間斷開，將炸藥切口處分別對準聚能管兩端口，并套在聚能管上，由此將兩個1/2的藥卷完全塞入聚能管中；

2)用導爆索將聚能管兩端的1/2卷炸藥連接起來，并用小塑料塊將導爆索固定在聚能管中；

3)在聚能管中間纏繞一圈塑料膠條作為限位圈，使聚能管裝置控制在孔中心位置。

C型聚能管裝置結(jié)構(gòu)示意圖見圖5。

圖5 C型聚能管裝置結(jié)構(gòu)示意圖(單位:mm)Fig.5 Structure diagram of C-shaped energy-concentrating tube device(Unit:mm)

2.2 聚能水壓光面爆破周邊眼裝藥結(jié)構(gòu)

經(jīng)過數(shù)值分析和現(xiàn)場試驗，最終確定聚能水壓光面爆破的周邊眼的裝藥結(jié)構(gòu)為:底部加強藥＋3個聚能管裝置＋水袋＋空氣間隔＋孔口水砂袋，具體如圖6所示。

圖6 周邊眼裝藥結(jié)構(gòu)(單位:mm)Fig.6 Charge structure of peripheral eyes(Unit:mm)

裝藥工藝為:

1)在1卷炸藥中插入雷管，并裝填至炮孔底部，緊挨孔底加強藥連續(xù)裝填3個C型聚能管裝置；

2)裝填1袋水袋，用炮棍捅至緊挨炸藥處，彼此緊密相連，不得有空隙；

3)用水砂袋堵塞炮孔口。

需要注意的是，裝填聚能管裝置時，聚能槽必須與隧道輪廓面平行，且聚能管開口側(cè)朝向光面爆破層巖體。

3 現(xiàn)場試驗

3.1 工程概況

欒盧高速公路碾盤隧道為分離式特長隧道。左線起訖里程為ZK62＋560～ZK67＋011，全長4 451 m，最大埋深約462 m；右線起訖里程為K62＋536～K66＋990，全長4 454 m，最大埋深約470 m；兩線隧道間距20～35 m。隧道的總體風化程度為中微風化～強風化，圍巖級別的范圍為III～V級。隧址區(qū)內(nèi)上覆地層為第四系上更新統(tǒng)(Q3)的粉質(zhì)黏土，分布不連續(xù)，主要分布在坡腳及溝谷底等處；下伏基巖為下元古界陶灣組(Pt)片巖，白云巖為主。隧道III級圍巖采用全斷面法施工。本文中，以III級圍巖作為試驗對象，對常規(guī)光面爆破、聚能水壓光面爆破進行對比研究。

3.2 爆破方案

聚能水壓光面爆破與常規(guī)光面爆破均采用阿特拉斯·科普柯XE3C三臂鑿巖臺車進行鉆孔，掏槽形式、炮孔布置、炮孔深度、起爆順序、爆破網(wǎng)路等參數(shù)相同，均采用2＃巖石乳化炸藥。兩種爆破方式的區(qū)別在于周邊眼的間距及裝藥結(jié)構(gòu)。

常規(guī)光面爆破周邊眼孔距為0.45 m，采用連續(xù)裝藥，每個炮孔裝5節(jié)藥卷，雷管位于第3節(jié)藥卷。聚能水壓光面爆破周邊孔孔距為0.93 m，具體裝藥結(jié)構(gòu)如圖6所示。

III級圍巖中聚能水壓光面爆破及常規(guī)光面爆破裝藥參數(shù)如表1所示。具體的炮孔平面布置圖見圖7。表1中，括號內(nèi)的數(shù)值為III級圍巖中常規(guī)光面爆破參數(shù)。爆破施工采用水平楔形復式掏槽法，左、右各布置3列，掏槽眼1＃與掌子面夾角62°，掏槽眼2＃與掌子面夾角70°；掏槽眼3＃與掌子面夾角79°。周邊眼、底板眼及輔助眼均采用直眼鉆孔，拱頂輔助眼大致成半圓弧形設置。掏槽眼、底板眼及輔助眼均采用連續(xù)裝藥形式。聚能水壓光面爆破中炮孔布置:掏槽眼18個，輔助眼29個，底板眼10個，周邊眼25個；常規(guī)光面爆破中炮孔布置:掏槽眼18個，輔助眼29個，底板眼10個，周邊眼53個。

圖7 炮孔平面布置圖(單位:m)Fig.7 Arrangement of blasting holes(Unit:m)

表1 III級圍巖聚能水壓光面爆破及常規(guī)光面爆破裝藥參數(shù)Tab.1 Parameters in shaped energy water pressure smooth blasting and conventional smooth blasting of Grade III surrounding rock

3.3 效果監(jiān)測

采用TC-4850爆破測振儀對周邊眼爆破時掌子面后40 m拱腰處的爆破振速進行監(jiān)測。在隧道出渣完成后，采用徠卡TS06plus全站儀對周邊眼進尺、隧道圍巖的超挖、欠挖量進行測量。從而對聚能水壓光面爆破與普通光面爆破的爆破效果進行對比分析。

4 效果對比分析

經(jīng)過現(xiàn)場實測與統(tǒng)計，單個循環(huán)下聚能水壓光面爆破與常規(guī)光面爆破各項技術(shù)指標對比見表2。

表2 常規(guī)光面爆破與聚能水壓光面爆破技術(shù)指標對比Tab.2 Comparison of technical indicators of conventional smooth blasting and shaped energy water pressure smooth blasting

1)周邊眼孔距增大，節(jié)省鉆孔時間，加快施工進度。與常規(guī)光面爆破相比，聚能水壓光面爆破技術(shù)周邊眼數(shù)量減少約1/2，鉆孔、裝藥時間減少30～40 min。

2)炮孔利用率增大。采用聚能水壓光面爆破技術(shù)后，循環(huán)進尺增加0.71 m，炮孔利用率達到93.20%，與常規(guī)光面爆破相比，炮眼利用率提高約16.69%。

3)半眼痕率提高，超挖、欠挖減小，爆破效果顯著提高。與常規(guī)光面爆破相比，采用聚能水壓光面爆破技術(shù)時，半眼痕率提高約40.47%，最大超挖降低49.88%，平均超挖降低54.17%，開挖輪廓面更加平順、整齊。兩種爆破技術(shù)開挖輪廓面見圖8。

圖8 常規(guī)光面爆破與聚能水壓光面爆破下的開挖輪廓面Fig.8 Excavation profile in conventional smooth blasting and shaped energy water pressure smooth blasting

4)有效控制了爆破振動，減少了對圍巖的擾動，有利于圍巖穩(wěn)定。與常規(guī)光面爆破相比，采用聚能水壓光面爆破技術(shù)時，圍巖平均峰值合振速可降低約48.96%。

5 結(jié)論

利用理論分析及現(xiàn)場試驗對聚能水壓光面爆破技術(shù)原理及爆破效果進行研究，主要結(jié)論如下:

1)基于斷裂力學與彈塑性理論，聚能水壓侵入巖體后，成縫過程可分為聚能射流切縫階段、巖體壓碎階段、裂縫發(fā)育階段、裂縫擴展階段、最終成縫階段。由于導向裂縫的存在，聚能水壓光面爆破的爆生氣體、水楔劈裂作用大都聚集在聚能方向上，非聚能方向上壓力小，可減少對保留圍巖的損傷。

2)與第一代聚能管(W型、D型)相比，C型聚能管的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在:裝置組裝更加方便快捷，不再需要空壓機、注藥槍等設備，并且不需要對炸藥進行二次加工，有利于減少準備時間，降低操作難度，提高施工效率與安全性。

3)聚能水壓光面爆破技術(shù)可有效改善爆破效果。半眼痕率可達90%以上，最大超挖控制在20 cm左右，開挖輪廓面更加平順、整齊，并且控制爆破振動效果顯著。相對于常規(guī)光面爆破，峰值合振速可降低約48.96%，有利于保持圍巖的穩(wěn)定性。