雙向聚能光面爆破周邊眼參數確定的新方法

耿大新，陶彪，于洋，黃龍華

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雙向聚能光面爆破周邊眼參數確定的新方法

耿大新，陶彪，于洋，黃龍華

(華東交通大學 土木與建筑學院，江西 南昌 330013)

爆破時周邊眼屬于兩端封閉結構，從經典的薄壁內壓圓筒理論著手，推導應變能方程與聚能狀態下能量分配關系，根據破壞準則對該法周邊眼參數進行設計，提出一種隧道聚能光面爆破周邊眼參數的確定方法。以張家界吳家邊隧道為例，利用此新方法計算其周邊眼參數，并結合現場實際的光爆效果，探討該方法的可行性和計算精度問題。研究結果表明：當聚能裝置上聚能縫寬度增大時，往聚能切縫縫兩側匯聚的能量越多，周邊眼炮孔間距越大，相同藥量作用下破巖效果更佳；聚能影響因素增大時，即聚能裝置剛度越強，可使周邊眼間距顯著增大。若取相同周邊眼間距，在有聚能裝置存在的情況下可減少炸藥用量來達到相同光爆效果；圍巖等級越高，巖石抗拉強度越強時，周邊眼間距明顯減小，隨聚能影響因素增大，周邊眼間距略有增加。在使用該方法計算周邊眼間距時，爆破后產生的殘余炮孔占95%左右，光面爆破效果良好，可為類似工程提供參考。

周邊眼間距；應變能；聚能管；光面爆破

一般光面爆破采用不耦合裝藥，不耦合裝藥時，爆轟波首先壓縮聚能管與巖壁之間間隙內的空氣，引起空氣沖擊波，而后再由空氣沖擊波作用于巖壁[1]。但是這種方法不能避免孔壁周圍產生的隨機徑向裂縫，因此常常不能獲得理想的光爆效果。聚能光面爆破是在周邊炮眼采用聚能裝置裝藥，使炸藥爆炸能量集中，巖體沿開挖輪廓線爆出。聚能光面爆破采用特殊的裝藥結構，如圖1所示。以PVC管為聚能裝置，在聚能裝置中部上下兩側切割2條通透縫，有切縫處無間斷均勻的填充乳化炸藥。尾部空出適當距離填充炮泥，形成兩端封閉結構，使炸藥爆炸時釋放的能量可沿著切縫槽穴匯集，在切縫槽穴處產生具有超強穿透能力的高壓、高溫射流。從而對巖石進行切割，獲得較為平整的輪廓面。現階段，爆炸聚能效應控制巖石定向斷裂的研究大都集中在切縫藥包、孔內定向斷裂等方面。國內外已有許多學者做了相關研究。王樹仁等[2?3]通過實驗以及建立相應的模型探究來聚能爆破機理、爆破力學行為與其在工程中的運用。在以往的光面爆破中，周邊眼的參數往往是同實踐經驗類比推出的，如：當炮眼直徑為32~40 mm時，周邊眼間距為320~700 mm。羅勇等[4]按巖石裂紋拓展力學原理，考慮炸藥直徑，不耦合裝藥系數，裂隙尖端的應力強度因子等作用的影響，提出新的裝藥預裂切縫的方法。徐振洋等[5]利用光滑粒子流體動力學方法對有利炸高進行選取，驗證了劈裂形態控制的可行性。在試驗方面，劉健等[6?7]對定向聚能爆破下應力特征以及裂縫發展進行研究，表明在聚能爆破下產生的裂縫長度遠大于非聚能方向。郭德勇等[8]對堅硬頂板下的聚能爆破分析了射流侵徹現象。YANG等[9?10]進行試驗，先后分析了切縫藥包解耦裝藥時的爆破動態斷裂特性與對爆破參數選取進行優化，使之獲得良好的爆破效果。LI等[11?12]進行了切縫藥包爆破現場實驗，分析了開槽焊縫的累積效應，通過對比實驗確定了側孔最佳爆破裝置和裝藥結構。大多數學者分析了聚能光面爆破下的力學特征，應力分布形式以及裂紋發展等。對于周邊眼參數計算往往根據爆炸后的光面效果進行調整，缺乏準確的計算方法。為此建立一種計算有聚能裝置影響下的周邊炮孔間距準確算法，不僅具有理論意義并且更具實用價值。本文首先從經典的薄壁內壓圓筒理論著手，推導出應變能方程，通過與傳統爆破下產生的能量相同相對比，提出一種隧道聚能光面爆破周邊眼參數的確定方法。并以張家界吳家邊隧道為例，利用此新方法計算其周邊眼間距，結合對比現場的光面爆破效果與傳統光面爆破參數，從而對此方法準確性進行評價。并予其他類似隧道爆破工程參考。

圖1 聚能光面爆破裝藥結構

1 理論推導

1.1 聚能光面爆破力學分析

由爆破后產生能量的特點可知，炸藥能量是沿四周均勻傳遞的。為分析問題方便起見，假定炸藥爆炸時對巖壁的壓力是作用在一個兩端封閉的薄壁圓柱形圓筒內，爆轟產物的傳播是在圓筒內均勻傳播，爆轟產物在容器內產生的內壓為，根據隧道爆破技術平均轟壓理論，可以近似給出孔壁受到的內壓與炸藥密度，爆速及其體積的關系[14]：

在求作用于巖壁載荷時，假定爆炸產物在間隙內的膨脹為絕熱膨脹，其膨脹規律3等于常數，遇巖壁激起沖擊壓力，并在巖石中引起爆炸應力波；忽略間隙內空氣的存在(間隙較小)；爆轟產物開始膨脹時的壓力按平均爆轟壓力m計算。其中0為炸藥密度；為炸藥爆速；c為炸藥體積；b為炮孔體積；b為炮孔直徑；c為炸藥直徑；b為炮孔長度；c為裝藥長度，爆轟產物撞擊炮孔巖壁時，壓力將明顯增大，為增大倍數8~11。此時炮孔壁受到的爆轟壓力可表示為

1.2 聚能光面爆破能量分配與其內壓分布特點

(a) 一般狀態下；(b)聚能狀態下

圖2 2種不同狀態能量的擴散形式

Fig. 2 Spread of the two different state energy forms

將式(5)代入式(3)，得到：

在聚能狀態下裝置積蓄的應變能可分為2部分，一部分由內壓2產生，因2僅為沿著聚能縫兩側的集中內壓，此狀態下的單元體處于單軸受拉狀態，故可得應變能方程：

將式(7)整理可得：

另一部分由內壓1而產生，類比于一般狀態下爆破產生的應變能，將應力狀態方程代入式(3)：

通過整理可得：

再將式(6)，(8)和(10)代入式(4)，即可將內壓1和2用函數表示如下：

可以滿足聚能裝置影響因素剛度條件，在=0時，內壓向四周均勻分布，往聚能切縫擴散的內壓2=0。當=1時，完全剛性，內壓完全向縫兩側擴散，向四周擴散的內壓1=0：

=0時，1=，2=0

=1時，1=0

1.3 坐標系定義

對于柱形炮孔結構，將其簡化成圓形。采用極坐標系，表示計算點距離炮孔中心的距離，為極角，表示聚能縫寬度所對應的圓心角，如圖3 所示。

圖3 坐標系定義

如圖4所示，將內壓1作用分為和2個方向。沿軸產生作用力是作用在圍巖側對巖石的壓力，沿軸正向產生作用力是作用在臨空面一側對巖石的拉力。而在軸負向的作用力在巖體內相抵消。此時將內壓1等效為沿軸正向0°~90°均勻擴散的壓力1，可表示為

沿聚能縫匯集的內壓2產生的壓力為

圖4 周邊眼間的巖壁受力狀態

由1作用產生的拉應力可表示為

另一部分，根據巖石力學中劈裂試驗可知巖石在一對徑向的集中壓力作用下，會產生與集中力垂直的一對拉應力。集中力2通過聚能縫作用在兩炮孔間的巖壁上，這部分巖石先受擠壓，然后在軸方向產生拉應力2如圖5所示。

拉應力2可用式(15)表示：

1.4 聚能光面爆破斷裂機理

當炸藥爆炸產生的能量作用于巖石而產生的拉應力大于巖石的極限抗拉強度時，巖石將沿受拉面破壞。巖體在炮孔壁上發生拉斷破壞，根據孔壁壓力分布狀態可知，必然首先發生在聚能裝置的切縫區域內，從而可以建立其破壞條件：

式中：p為巖體的極限抗拉強度；為炮孔壁上的最大向拉應力。

爆轟波首先壓縮聚能管與巖壁之間間隙內的空氣，引起空氣沖擊波。在聚能管開縫的地方爆破能量優先釋放產生定向的集中力，在未開縫的地方產生非定向的均布力。若炮孔間距取值合適，由2種力的疊加作用可形成兩炮孔間的貫通裂縫。

2 工程運用

2.1 不同因素對周邊眼間距的影響

周邊眼的間距e與光面層厚度的關系通常用密集系數來表示，其大小對光面爆破效果有較大影響，通過理論和實踐證明了光面爆破炮眼間距與光面層厚度之比取0.8較為適宜，因此，光面層厚度為[15]

根據工程的實際情況，表達式中各參數的值如表1所示。

表1 各參數的值

將表1各參數值代入表達式，取不同值，可以得到周邊眼的間距與光面層厚度隨聚能影響因素變化的關系，如圖6所示。

圖6為聚能影響因素對周邊眼參數的影響。從曲線上看，在一定范圍內隨著聚能影響因素增大，聚能裝置剛度越大，能量擴散越集中，周邊眼間距也隨之擴大。當由0增大至0.1時，周邊眼參數有一顯著增大過程，此現象表明聚能裝置從無到有，對周邊眼間距有較大影響，聚能裝置的運用極大地增加了炸藥的利用率，提高了爆破效率。當=1時，聚能裝置完全剛性，周邊眼間距會小幅下降，其原因可能是由于爆轟產物完全向聚能縫兩側匯聚，對巖體產生的拉應力略小于非完全剛性時2種拉應力的疊加。

圖6 周邊眼間距隨聚能影響參數變化曲線

圖7 聚能縫寬度對周邊眼間距的影響

圖8 不同抗拉強度對周邊眼間距的影響

圖8反應了不同圍巖下的抗拉強度對周邊眼間距的影響。圖中曲線表明隨巖石的抗拉強度增大周邊眼間距明顯減小。在=0無聚能效果時，巖體抗拉強度越大，相同藥量下的周邊眼炮孔間距越小，爆轟產物作用的范圍越小。當圍巖等級比較差，抗拉強度較低時，周邊眼間距顯著增加。此時，增加，聚能效果越強，周邊眼間距增長速率也相較于/p=0.3，/p=0.5時的曲線越大。

2.2 雙向聚能爆破實際工程運用效果

為了驗證該周邊眼算法在實際工程中的應用效果，在張家界吳家邊隧道進行了實驗研究，吳家邊隧道位于張家界市永定區吳家邊西北側低山丘陵區，其設計為雙線鐵路隧道，隧道內圍巖主要以Ⅲ和Ⅳ為主，其中Ⅲ級圍巖占隧道總長的68%。擬采用PVC管所制聚能裝置，其聚能影響因素暫取=0.1，根據算法所得周邊眼間距為55 cm，炮孔長3.5 m，聚能裝置長2.9 m，炮泥長35 cm，聚能裝置設置兩道切縫了，相互貫穿，長度為200 cm。未使用聚能爆破時，Ⅲ級圍巖最大超挖量50 cm，平均超挖量為20 cm；Ⅳ級圍巖中最大超挖80 cm，平均超挖為45 cm。在采用聚能爆破時，實際工程現場拱頂、拱腰處爆后效果如圖9所示，其中爆破后輪廓面的斷裂面清晰可見，炮眼殘孔率均達95%以上，初步驗證了計算周邊眼間距理論的合理性。

(a) 拱頂處；(b) 拱腰處

2.3 周邊眼間距計算結果比較

為進一步驗證本文計算的正確性，將本文計算結果與文獻[4]結果進行比較，其中聚能因素取=0.1，炸藥參數、土體參數兩者取值相同，如表1所示。計算所得聚能縫寬度變化時，本文與文獻[4]周邊眼間距的分布曲線，如圖10所示。圖10表明本文與文獻[4]結果在趨勢上基本一致，兩者周邊眼間距最大誤差在1%以內，說明了本文計算方法的正確性。

以往針對聚能爆破周邊眼參數設計時，計算大都只考慮裝藥量、切縫寬度、裂紋尖端等因素，而忽略了聚能管剛度對能量流分配的影響。本方法通過引入聚能影響因素來考慮剛度對能量流的影響，使周邊眼參數計算方法更加符合實際工程，并通過上述研究結果表明因素對周邊眼參數影響非常大，不能忽略聚能裝置材質剛度的影響。

圖10 本文周邊眼間距計算結果與文獻[4]結果比較

3 結論

1) 通過采用經典的薄壁內壓圓筒理論計算，可準確地計算出周邊眼間距，在=0時，該方法計算周邊眼間距的結果與未聚能爆破時現場周邊眼間距取值大體一致。在曲線初始階段突然上升，表明有聚能裝置的作用下，能明顯改變能量分布方式。增大周邊眼間距，可節省炸藥用量，改變周邊眼炮孔的分布與數量。

2) 在一定范圍內聚能影響因素增大，聚能裝置剛度增大，聚能效果越好。適量增大聚能裝置切縫寬度能極大增大周邊眼炮孔間距，破巖效果更加明顯，聚能縫寬較小時，聚能裝置剛度增大對周邊眼炮孔的影響不大，破巖效果有限。在圍巖等級增大，抗拉強度增加時，周邊眼間距顯著減小。當聚能裝置剛度越大時，周邊眼炮孔間距隨圍巖抗拉強度增大，減小幅度越大。

3) 本文計算結果直觀，可以為周邊眼參數確定提供依據，然而這些理論上的探討還是初步的，沒有具體討論聚能管剛度等對聚能影響因素的占比與組成有何種影響，后續有待進行大量實驗以確定不同材質的剛度變化對因素的影響。

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New method for calculation of tunnel smooth blasting contour hole parameters

GENG Daxin, TAO Biao, YU Yang, HUANG Longhua

(School of Civil Engineering and Architecture, East China Jiaotong University, Nanchang 330013, China)

When the tunnel is blasting, the surrounding holes belong to the closed structure at both ends, based on the classical thin-walled cylinder theory, the relationship between strain energy distribution in the state of energy accunulation is deduced, by failure criterion on the laws surrounding hole parameters are designed, proposed a tunnel shaped method of determination of parameters of smooth blasting around the eyes. A case study of Zhangjiajie Wu side tunnels, using this new method of calculating the surrounding hole parameters, and actual light burst effects, explored the feasibility of the method and accuracy problems. The results show that when the shaped device shaped seam to seam width increasing, the more energy on both sides together, around the hole spacing is greater, the cock breaking effect is better under the same explosive quautity; increasing factors, namely shaped device stiffness is strong, can make the surrounding eye spacing increased significantly. If we take the same around the eye spacing, the presence of the energy collection device can reduce the amount of explosive to achieve the same effect of smooth blasting; surrounding rock grade is higher, the tensile strength of rock is stronger, the surrounding eye spacing decreases obviously, increase the influence factors of cumulative peripheral hole spacing increased slightly. When using this method to calculate the distance between adjacent eyes, the residual hole produced after blasting accounts for about 95%. Smooth blasting effect is good, which can provide reference for similar projects.

curved ground wall; strain energy; shaped blasting; smooth blasting

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.02.020

TD235

A

1672 ? 7029(2019)02 ? 0435 ? 08

2018?01?31

江西省交通運輸廳科技資助項目(2016D0039)；江西省普通本科高校中青年教師發展計劃訪問學者專項資金資助項目

耿大新(1977?)，男，山東濟南人，副教授，博士，從事隧道與地下工程的教學和科研工作；E?mail：gengdaxin@ecjtu,jx,cn

(編輯 蔣學東)