CO2氣爆水擊波與地震波效應(yīng)試驗(yàn)研究*

范懷斌,陸少鋒,莫崇勛,覃才勇,刁 約,楊 超

(1.廣西新港灣工程有限公司,南寧 530200;2.廣西新港灣 汪旭光院士工作站,南寧 530200;3.廣西壯族自治區(qū)水下破巖工程研究中心,南寧 530200;4.廣西大學(xué) a.土木建筑工程學(xué)院;b.資源與環(huán)境學(xué)院,南寧 530004;5.桂林理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,桂林 541004)

水下炸礁施工中孤石清除通常采用巖石裸露爆破的方式,通過爆炸后的爆轟對(duì)巖石局部產(chǎn)生壓縮、粉碎和擊穿作用。裸爆能量利用率低、炸藥單耗高、噪音和水擊波大。但是其具有爆破作業(yè)簡(jiǎn)單,不需要鉆孔及其他機(jī)械設(shè)備,施工速度快的特點(diǎn)。

水下炸礁對(duì)附近建筑物和水體會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的震動(dòng)效應(yīng)和水擊波。在已有文獻(xiàn)中,國內(nèi)趙根團(tuán)隊(duì)梳理了水下爆破技術(shù)的發(fā)展脈絡(luò),從水下爆破機(jī)理及爆破方案設(shè)計(jì)優(yōu)化方面,為水下爆破技術(shù)在港口碼頭建設(shè)、水運(yùn)航道疏浚及交通橋梁水下爆破施工領(lǐng)域提供了實(shí)踐和理論支撐[1]。趙根等為實(shí)現(xiàn)深水條件下的巖塞鉆孔爆破貫通與成型,系統(tǒng)研究深水條件下巖塞鉆孔爆破的貫通機(jī)理[2]。趙根等通過爆破試驗(yàn)以及對(duì)監(jiān)測(cè)資料的分析,得到了高能、普通乳化炸藥的水中爆炸沖擊波傳播規(guī)律[3]。趙根等設(shè)計(jì)采用了大型非電接力式起爆網(wǎng)路[4]。趙根通過多種方式相結(jié)合的研究方法,系統(tǒng)研究了深水條件下圍堰拆除爆破理論,分析了水深對(duì)爆破效果的影響,建立了水下爆破設(shè)計(jì)裝藥量與陸地爆破設(shè)計(jì)裝藥量之間的關(guān)系式,解決了深水條件下圍堰拆除爆破諸多關(guān)鍵技術(shù)問題,提出了適合水下爆破的塊度預(yù)測(cè)模型,建立了水下爆破炸藥單耗與爆破塊度的關(guān)系[5]。趙根等從準(zhǔn)爆率、延時(shí)精度、安全可靠性等方面進(jìn)行綜合分析和比較,分析了各項(xiàng)性能優(yōu)異的電子雷管起爆系統(tǒng)[6]。吳新霞等以工程案例的形式分析了特殊水工巖體結(jié)構(gòu)的爆破拆除技術(shù)[7]。杜少卿等結(jié)合襄陽魚梁洲東線沉管隧道對(duì)接端止水墻爆破拆除實(shí)例,介紹了在水深大、壁厚薄且施工作業(yè)面狹窄、距被保護(hù)建筑物近以及存在一級(jí)水保生物等復(fù)雜條件下的止水墻爆破拆除施工作業(yè)技術(shù)[8]。吳新霞等建立了爆破有害效應(yīng)監(jiān)測(cè)公共信息分級(jí)管理系統(tǒng)[9]。張馨等通過簡(jiǎn)化分析爆炸氣體體積的變化,并基于理想氣體狀態(tài)方程,分別確定了各階段孔壁壓力隨時(shí)間變化的數(shù)學(xué)函數(shù)[10]。

通過對(duì)已有的研究成果分析得知:國內(nèi)學(xué)者在水下爆破能量計(jì)算方面進(jìn)行了一些的探索。然而,對(duì)巖石氣爆的地震波和水擊波超壓峰值傳播衰減規(guī)律分析與設(shè)計(jì)方面還需進(jìn)一步研究。本文以水下水下CO2氣爆為研究對(duì)象,采用水擊波超壓峰值、地震波振動(dòng)數(shù)值監(jiān)測(cè)分析,并通過對(duì)比分析能量分布特征及振動(dòng)衰減規(guī)律進(jìn)行了研究。

1 CO2氣爆破巖系統(tǒng)與試驗(yàn)方法

CO2膨脹爆破簡(jiǎn)稱“CO2氣爆”,以液態(tài)CO2受熱氣化膨脹做功的一種爆破技術(shù),為獲取CO2裸爆技術(shù)參數(shù),進(jìn)行了CO2氣爆水下破巖新技術(shù)的研究。

試驗(yàn)分水下鉆孔CO2氣爆、水下CO2致裂管裸爆、水下鉆孔乳化炸藥爆破,監(jiān)測(cè)相應(yīng)的水擊波超壓、地震波振速。試驗(yàn)地點(diǎn)位于廣西防城港18#～22#泊位碼頭,現(xiàn)場(chǎng)布置見圖1所示。

圖1 試驗(yàn)區(qū)域?qū)崨r圖(單位:m)Fig. 1 Layout of test area(unit:m)

2 試驗(yàn)監(jiān)測(cè)

(1)CO2氣爆的致裂管長(zhǎng)1.3 m,直徑76 mm,抗壓強(qiáng)度為90～100 MPa,每根致裂管充裝5 kg液態(tài)CO2。試驗(yàn)起爆網(wǎng)路連接采用串聯(lián)方式,孔內(nèi)氣爆的炮孔直徑115 mm,孔距1.25 m,每孔安裝一根致裂管,采用水下速凝水泥堵孔。

(2)CO2裸爆將充裝液態(tài)CO2后的致裂管放入水下巖面進(jìn)行水底裸爆試驗(yàn)。

(3)乳化炸藥爆破試驗(yàn),每次試驗(yàn)起爆12個(gè)炮孔,炮孔直徑115 mm,孔距1.25 m,每孔裝乳化炸藥2.3～2.7 kg,裝藥結(jié)構(gòu)為不耦合裝藥形式,使用普通毫秒延期電雷管,采用毫秒延時(shí)逐孔起爆方式,每孔為一個(gè)段別,采用并聯(lián)起爆網(wǎng)路連接。連接塊用低密度聚乙烯樹脂注塑而成。連接塊中心孔插入一發(fā)8號(hào)傳爆雷管,中心孔四周均勻分布一層或兩層導(dǎo)爆管,傳爆雷管與導(dǎo)爆管間都用塑料隔開,其距離不得小于1 mm,連接塊外壁與外層導(dǎo)爆管間的壁厚不小于2 mm。

(4)本次使用數(shù)碼電子雷管為廣西金建華爆破器材工有限公司生產(chǎn)的三碼合一普通毫秒延期電雷管,在控制子系統(tǒng)中集成設(shè)計(jì)了高精度延時(shí)計(jì)時(shí)模塊以及耐沖擊延時(shí)計(jì)時(shí)模塊,二者相互協(xié)作,有效保證了水下電子雷管精確、穩(wěn)定延時(shí)計(jì)時(shí)起爆;在爆破開始時(shí),基于高精度延時(shí)計(jì)時(shí)模塊的晶體振蕩器高精度計(jì)時(shí)的特點(diǎn),對(duì)耐沖擊延時(shí)計(jì)時(shí)模塊中具有耐沖擊性能的諧振振蕩器的計(jì)時(shí)精度進(jìn)行校正,在確保電子雷管延時(shí)計(jì)時(shí)精確的基礎(chǔ)上,有效提升了電子雷管耐沖擊能力。如圖2所示。

圖2 電子雷管控制子系統(tǒng)Fig. 2 Control subsystem of electronic detonator

采用PCB-W138型水下壓力傳感器監(jiān)測(cè)CO2氣爆和乳化炸藥爆炸產(chǎn)生的水擊波,采用TC-4850爆破測(cè)振儀監(jiān)測(cè)地震波振速。試驗(yàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如表1～3所示。

表1 水下鉆孔CO2氣爆水擊波監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)Table 1 Detection data of CO2 gas explosion water hammer wave in underwater borehole

2.1 水下鉆孔CO2氣爆

通過水下鉆孔CO2氣爆水擊波監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表1可知:

1)4次試驗(yàn)測(cè)得9個(gè)水擊波超壓數(shù)據(jù),距離從0.5 m增加到12.5 m的過程中,水擊波超壓值變化28倍,超壓值隨距離的增加下降趨勢(shì)明顯。

2)距離為1 m時(shí),單雙排水擊波超壓變化2.58倍;距離為12.5到13 m之間,單雙排孔水擊波超壓值變化為3.19倍～6.7倍。水擊波超壓因爆破孔數(shù)的增加而增大。

2.2 水下CO2裸爆

從表2可知,三次試驗(yàn)測(cè)得13個(gè)水擊波超壓數(shù)據(jù),水擊波超壓峰值最大值為第六次試驗(yàn)1#測(cè)點(diǎn)的0.5509 MPa,最小值為第五次試驗(yàn)5#測(cè)點(diǎn)的0.01762 MPa。1#測(cè)點(diǎn)～5#測(cè)點(diǎn)至爆區(qū)距離分別為2.3 m、3.8 m、5.56 m、8.1 m、14.3 m,水擊波超壓分別為0.2308 MPa、0.1319 MPa、0.0702 MPa、0.0386 MPa、0.01762 MPa,水擊波超壓因距離增加而下降趨勢(shì)明顯,最大變化幅度達(dá)13倍。圖3為不同瓶數(shù)氣體裸爆壓力時(shí)程圖。

表2 水下CO2氣爆水擊波監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)Table 2 Underwater CO2 gas explosion water hammer wave detection data

圖3 不同瓶數(shù)氣體氣爆壓力時(shí)程圖Fig. 3 Time history diagram of gas explosion pressure of different number of bottles

通過壓力時(shí)程可知:

1)超壓峰值與液態(tài)CO2相變?yōu)槌R界CO2的反應(yīng)時(shí)間呈正相關(guān)關(guān)系;在管體破裂前相變時(shí)間越長(zhǎng),超壓峰值越大;管體破裂后壓力很快降至負(fù)壓。

2)水擊波正壓持續(xù)時(shí)間基本為16 ms,負(fù)壓持續(xù)時(shí)間為139 ms,隨后出現(xiàn)脈動(dòng)響應(yīng),第一次脈動(dòng)響應(yīng)周期為204 ms。當(dāng)兩瓶氣體相變致裂間隔時(shí)間小于水擊波作用時(shí)間時(shí),壓力相互干擾情況顯著。例如,當(dāng)?shù)诙繗怏w在第一瓶氣體負(fù)壓區(qū)起爆時(shí),極大地削減超壓峰值。

3)水中爆炸和空中爆炸一樣,水中爆炸沖擊波形成后,將不斷向外傳播,強(qiáng)度隨著距離增加衰減。其衰減規(guī)律用理論求解比較困難。經(jīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)推導(dǎo)總結(jié)CO2水下氣爆水擊波超壓衰減規(guī)律。

經(jīng)驗(yàn)公式

式中:P為水擊波超壓峰值,MPa;Q為CO2氣爆裝氣量,kg;L為炮孔至水擊波測(cè)點(diǎn)的水平距離,m。

2.3 乳化炸藥水下鉆孔爆破

從表3可知,水擊波超壓峰值最大值為1#測(cè)點(diǎn)的1.8649 MPa,最小值為5#測(cè)點(diǎn)的0.1451 MPa。

表3 水下乳化炸藥鉆孔爆破水擊波監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)Table 3 Water hammer wave detection data of underwater emulsion explosive drilling and blasting

比較3個(gè)測(cè)點(diǎn)的至爆區(qū)距離和水擊波超壓,1#測(cè)點(diǎn)、3#測(cè)點(diǎn)、5#測(cè)點(diǎn)至爆區(qū)距離分別為6 m、12.1 m、21 m,水擊波超壓分別為0.7238 MPa、0.3284 MPa、0.1853 MPa,水擊波超壓因距離增加而下降趨勢(shì)明顯,最大變化幅度達(dá)3.9倍。

3 試驗(yàn)監(jiān)測(cè)成果對(duì)比分析

3.1 水下鉆孔CO2氣爆和乳化炸藥爆破水擊波對(duì)比分析

1)由表4可知,選取距離相近的幾組監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù):6.8 m、6.0 m、7.25 m,對(duì)應(yīng)的水擊波超壓為:0.0137 MPa、0.7238 MPa、1.8649 MPa,相同開挖規(guī)模(炮孔參數(shù)相同)的乳化炸藥爆破與CO2氣爆相比,乳化炸藥的水擊波超壓是CO2氣爆水擊波超壓的52.8～136倍。

表4 水下鉆孔CO2氣爆和乳化炸藥爆破水擊波監(jiān)測(cè)Table 4 Underwater drilling CO2 gas explosion and emulsion explosive blasting water hammer wave detection

2)選取距離相近的幾組監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù):13 m、12.5 m、13.1 m、12.1 m、13.35 m,對(duì)應(yīng)的水擊波超壓為:0.0094 MPa、0.0021 MPa、0.001 MPa、0.3284 MPa、0.3305 MPa,相同開挖規(guī)模(炮孔參數(shù)相同)的乳化炸藥爆破與CO2氣爆相比,乳化炸藥的水擊波超壓是CO2氣爆水擊波超壓的34.9～330倍。

通過上述對(duì)比分析,同等規(guī)模的爆破條件下,CO2氣爆相對(duì)乳化炸藥水擊波超壓降低效果是34.9～330倍。

3.2 水下鉆孔CO2氣爆和CO2水下裸爆水擊波對(duì)比分析

1)從表5中選取測(cè)點(diǎn)距離為2.3～2.5 m的幾組測(cè)試數(shù)據(jù),2.3 m處CO2裸爆實(shí)測(cè)水擊波超壓分別為0.2308 MPa、0.5509 MPa、0.3963 MPa,2.5 m處水下鉆孔CO2氣爆實(shí)測(cè)實(shí)測(cè)水擊波超壓為0.0257 MPa,由此可見相同氣瓶條件下,水下CO2裸爆的水擊波超壓是水下鉆孔CO2氣爆水擊波超壓的8.98～21.4倍。

表5 水下鉆孔CO2氣爆和CO2水下裸爆水擊波監(jiān)測(cè)Table 5 Underwater drilling CO2 gas explosion and emulsion explosive blasting water hammer wave detection

2)選取距離相近的幾組監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù):3.76 m、3.8 m、3.8 m、3.8 m,對(duì)應(yīng)的水擊波超壓為:0.0088 MPa、0.1319 MPa、0.3523 MPa、0.2269 MPa。CO2裸爆與水下鉆孔CO2氣爆相比,相同氣瓶條件下,水下CO2裸爆的水擊波超壓是水下鉆孔CO2氣爆水擊波超壓的15～40倍。

3)選取距離相近的幾組監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù):13 m、12.5 m、13.1 m、14.3 m、14.3 m,對(duì)應(yīng)的水擊波超壓為:0.0094MPa、0.0021 MPa、0.0010 MPa、0.01762 MPa、0.0419 MPa,CO2裸爆與水下鉆孔CO2氣爆相比,相同氣瓶條件下,水下CO2裸爆的水擊波超壓是水下鉆孔CO2氣爆水擊波超壓的1.87～41.9倍。

通過上述對(duì)比分析,說明使用相同氣瓶條件下,水下CO2裸爆是水下鉆孔CO2氣爆水擊波超壓的1.87～41.9倍。

3.3 水下鉆孔CO2氣爆與乳化炸藥爆破振動(dòng)對(duì)比分析

水下CO2孔內(nèi)氣爆和水下乳化炸藥孔內(nèi)裝藥爆破,在5.5～8.5 m之間的測(cè)距范圍內(nèi),水下CO2孔內(nèi)氣爆試驗(yàn)振速為0.227～0.938 cm/s之間,水下乳化炸藥爆破試驗(yàn)振速為2.282～2.724 cm/s之間,在設(shè)定的爆破參數(shù)下,CO2孔內(nèi)氣爆振動(dòng)數(shù)值是乳化炸藥孔內(nèi)爆破數(shù)值的1/10～1/3。CO2氣爆與乳化炸藥爆破試驗(yàn)振速如表6所示。

表6 水下鉆孔 CO2氣爆與乳化炸藥爆破試驗(yàn)振速Table 6 Vibration velocity of CO2 gas explosion and emulsion explosive blasting test

4 結(jié)論

水下爆破含爆轟、水擊波傳播以及水介質(zhì)與結(jié)構(gòu)的相互作用三個(gè)階段。為控制和減少爆破水擊波有害效應(yīng),研究水下爆破振動(dòng)衰減規(guī)律,依托防城港18#～22#泊位碼頭下游船墩前沿爆破施工區(qū)域,開展了水下鉆孔爆破數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè),測(cè)試水擊波超壓峰值、地震波振動(dòng)數(shù)值。

(1)水下CO2氣爆水擊波超壓因距離增加而下降趨勢(shì)明顯,隨著水下裸爆的氣瓶數(shù)增加,水擊波超壓明顯增加。

(2)使用相同氣瓶條件下,水下裸露CO2氣爆是水下鉆孔CO2氣爆水擊波超壓的1.87～41.9倍。

(3)在距離相近、同等開挖規(guī)模條件下,水下鉆孔CO2氣爆產(chǎn)生的振動(dòng)速度值只有水下鉆孔爆破產(chǎn)生的爆破振動(dòng)速度值的1/10～1/3。