隧道爆破中合理微差時間的選擇

李 鵬,呂良哲,陳智山,陳 策

(長沙理工大學土木與建筑學院, 湖南長沙 410114)

隧道爆破中合理微差時間的選擇

李 鵬,呂良哲,陳智山,陳 策

(長沙理工大學土木與建筑學院, 湖南長沙 410114)

通過結合微差爆破的基本原理以及物理學基本公式,推導出隧道爆破合理微差時間的計算公式,對克服實際工程中炮眼利用率不高以及傳統隧道爆破作業時微差時間選擇的盲目性,具有一定的指導意義。

隧道爆破;微差爆破;掏槽眼;輔助眼;微差時間

我國一些地方單純地依靠工程經驗盲目設置微差時間,掘進效率較低,具體表現為:微差時間過短,掏槽眼爆破后,經過極短時間第一圈輔助眼立刻爆破,此時掏槽眼中的巖石還來不及拋擲出去,并未形成爆破漏斗,以致無法為后續的輔助眼爆破后的碎石提供足夠的補償空間,掏槽眼的掏槽作用不明顯,爆破效果不理想,并且很容易產生“掛門簾”和“留門檻”現象。

本文通過研究隧道爆破過程中巖石破碎及拋擲出去的整個過程,分析計算出每個階段所需的時間,總結出掏槽眼與第一圈輔助眼的最佳時間間隔。

1 巖石破碎及拋擲過程分析

巖石隧道爆破破壞過程分為 3個階段[1]。第一階段為炸藥爆炸后沖擊波徑向壓縮階段。炸藥起爆后,產生的高壓粉碎了炮孔周圍的巖石,形成了壓碎圈并即將產生裂隙;第二階段為裂隙擴展階段,在壓碎圈形成的同時,巖石中的沖擊波衰減為壓應力波,在應力波作用下,巖石在徑向產生壓應力和壓縮變形,而切向將產生拉應力和拉伸變形。由于巖石抗拉強度僅為抗壓強度的 1/10～1/50,當切向拉應力大于巖石抗拉強度時,該處巖石被拉斷,形成與壓碎圈貫通的徑向裂隙,在應力波和爆轟氣體共同作用下裂隙擴展至自由面,并使巖塊具有初始速度;第三階段為巖石拋擲階段,此時將破碎巖塊看做一整體,以一定的初速度往外拋出,使爆破區形成一爆破漏斗。

由于隧道爆破只有 1個自由面,所以應充分利用掏槽眼爆破所形成的新自由面,哈努卡耶夫認為,后爆破炮孔以在先爆破孔剛好形成爆破漏斗,且爆巖脫離巖體,形成裂縫寬度B=0.8～1.0 cm時起爆為宜[2]。于是微差時間 T為:

式中,t1為爆破后形成壓碎圈時間,即爆破后沖擊波傳至粉碎圈邊緣的時間;t2為巖石裂隙擴展時間,即從壓碎圈開始形成有里向外的徑向裂隙順爆破漏斗邊緣擴展至自由面的時間;t3為被爆巖塊脫離巖體距離 B的時間。

2 巖石破碎及拋擲過程時間計算

2.1 形成壓碎圈時間

炸藥在爆炸后忽略炸藥的傳爆時間,沖擊波形成的壓碎圈半徑為[2]:

式中:R——壓碎區半徑(m);

Rb——爆破后形成的空腔半徑;

σc——巖石單軸抗壓強度;

ρ——為巖石密度,kg/m3;

cp——巖石縱波速度。

爆破后形成的空腔半徑為:

式中,r——炮孔半徑,mm;

pm——炸藥平均爆壓,Pa,pm=ρD2/8;

D——炸藥爆速;

σ0——多向應力條件下巖石強度,Pa,σ0=

則有:

式中,C為沖擊波波速,一般取 3000～5000 m/s。

2.2 巖石裂隙擴展時間

爆破后裂隙沿爆破漏斗破裂半徑的方向向外擴展,破裂半徑(即裂隙長度)r為:

則:

式中,L——炮眼深度;

β——爆破漏斗錐頂角;

c——裂隙平均擴展速度,c=0.1cp[2]。

2.3 被爆巖塊離開巖體距離B的時間

該過程為從裂隙剛好貫通至自由面使被爆巖塊脫離巖體的瞬間開始至離開巖體距離為 B時結束。掏槽眼爆破裝藥為耦合裝藥,在這種情況下,根據聲學近似理論[4]可推得巖石炮孔中初始壓力 P為:

式中,Pc——爆轟壓力,MPa;

ρ0,ρ——分別為炸藥和巖石的密度。

則作用在巖石上的平均壓力為:

式中,Rb為空腔的半徑。

爆破漏斗巖石質量為:

式中,β為爆破漏斗錐頂角。

可以假定,在該過程中被爆巖塊始終受到爆轟氣體的平均壓力的作用,該壓力的大小為ηF,η為平均壓力損失系數 0＜η ＜1,一般可取為 0.5。則此時取爆巖作為研究對象,爆巖在平均壓力的作用下作勻加速運動。根據動量守恒定理,有:

則可得:

綜上所述,微差時間 T為:

3 工程計算實例

大灣子出口隧道炮眼直徑 40 mm,炮眼深度 3 m,最小抵抗線為 0.94 m,巖性為花崗巖(ρ=2600 kg/m3)[3]。Cp=5200 m/s,σc=175 MPa,炮孔半徑r=20 mm。炮孔深度 L=3 m,沖擊波速度 C=5000 m/s,代入式(2)～式(4),可得 t1=0.4 ms;代入式(5)和式(6),得 t2=8.2 ms;V=250 m/s,代入式(7)～式(10)和式(13),得 t3=22.4 ms。則微差時間 T=0.4+8.2+22.4=31 ms。由于我國目前一般的微差雷管尚無 31ms的間隔時間,可取 50 ms的微差間隔時間,與工程實際間隔時間 50 ms基本相符合,說明此公式是可行的。

分析式(13)可知,選取微差時間關鍵的是 t3,此時間與炮孔深度和被爆巖塊脫離母體的距離有關,炮孔越深,爆破夾制性越大,要求 t3也越長。關于裂縫寬度 B取 0.8～1 cm,有一定的經驗性,并且未考慮不同圍巖的性質,僅供微差間隔時間選取時參考,也可以說,隧道爆破施工中,微差時間起碼要大于或等于 50 ms。

同時式(13)是以掏槽孔為基礎推導的,后續炮孔爆破時由于有新的自由面,理論上講微差間隔時間可以短些,但不宜短于掏槽孔爆破的微差間隔時間,建議后續炮孔還是選微差時間等于 50 ms。

4 結 語

隧道微差爆破的合理時間間隔選擇一直是 1個值得深入研究的問題。本文結合普通物理學知識及爆炸力學理論進行推導分析,提出 1個計算微差間隔時間公式,并用工程實踐驗證了該公式的可行性。當然,將來仍需從更多工程實踐著手,通過大量的工程實際數據進行統計分析,完善該公式,從而應用于更多的隧道爆破工程實踐。

致謝:本文得到長沙理工大學教學改革研究項目

(JG0849)的資助和吳從師教授的指導,在此表示感謝。

[1] 顧毅成,史雅語,金驥良.工程爆破安全 [M].北京:冶金工業出版社,2001.

[2] 戴 俊,王樹仁.爆破工程[M].北京:機械工業出版社,2010.

[3] 王海亮.工程爆破[M].北京:中國鐵道出版社,2009.

[4] 戴 俊.柱狀裝藥爆破的巖石壓碎圈與裂隙圈計算[J].遼寧工程技術大學學報(自然科學版),2001,(2).

2011-07-06)

李 鵬(1990-),男,湖南岳陽人,隧道與地下工程專業 08級本科生。