周邊空孔效應對爆破振速及圍巖損傷的影響研究

滿 軻，劉曉麗

(1. 北方工業大學土木工程學院，北京 100144；2. 清華大學水沙科學與水利水電工程國家重點試驗室，北京 100084)

瑞典自20 世紀50 年代，率先研究一種能按設計輪廓線爆破巖體，使開挖壁面相對平整的控制爆破技術，即光面爆破技術。由于該技術能夠有效控制圍巖損傷，并且實現高效破巖，因此該施工技術獲得了大量的推廣，被越來越多的應用于工程實際中。其中，爆破參數如何選取至關重要，國內外學者對此基于不同的研究出發點，以及不同的爆破機理分析方法，進行了大量的分析與研究[1 ? 10]。尤以光面爆破和預裂爆破應用更為廣泛，因為無論是光面爆破還是預裂爆破，此兩種工法均能夠更好的保持圍巖的開挖穩定，實現良好的爆破效果[11 ? 17]。尤其以爆破周邊眼空孔數目的選擇與空孔位置的分布是研究與施工的熱點與難點[18 ? 20]。付佳佳等[21]采用理論與數值結合的方法分析了“空孔效應”對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力場，“空孔效應”使得炮孔附近的應力增大，且切向拉應力的極大值出現在孔心連線方向，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”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展，同時利用空孔補償巖石的位移。關于空孔的研究，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問題，而在實施爆破過程中，對周邊眼中含有空孔效應的問題研究不是很多。岳中文等[23]采用數字激光動態焦散線試驗系統，對爆炸荷載作用下空孔周圍的動應力場分布及空孔對爆生主裂紋擴展行為的影響進行了研究。段衛東等[24]針對巖體爆破單孔的爆破參數與裝藥孔和鄰近空孔的理論炮眼間距計算，認為破裂區和空孔周邊的應力集中區重合時為炸藥最大利用率，由此獲得了空孔的理論最優間距。但研究成果仍較少，獲得的部分結論尚需進一步的驗證。

甘肅北山坑探設施作為我國高放廢物地質處置的工程技術型研究設施，與其它地下工程的顯著區別是其對開挖質量要求很高，周邊圍巖損傷必須控制在盡量小的范圍內，確保地下工程建成后，能夠保持數萬年的長期安全，核素不會從工程圍巖遷移至自然界，因此，對圍巖的爆破施工技術提出了更高的要求。本文針對甘肅北山坑探設施爆破試驗現場實際工況，設計了鉆爆法試驗的爆破參數，并側重在周邊孔布設了若干間距的空孔予以間隔，進而研究爆破試驗下的空孔效應，尋求其能否達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。鑒于此，本文從“空孔效應”研究的角度出發，對該區域花崗巖體的周邊孔間距這一爆破參數進行分析、設計、試驗與探討。

1 空孔效應的破巖機理

實現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裝載的炸藥破碎巖石，充分發揮炸藥的沖擊爆熱性能，利用其沖擊波、發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施。并且，空孔給巖石的破碎提供了一個補償空間，爆破產生的巖石可以擠壓在空孔內，有利于巷道周邊輪廓的爆破形態，形成更好的半孔率。空孔和裝藥孔一般布置是間隔布置，既能充分發揮炸藥性能，又能產生空孔效應，起到良好的爆破效果，并節省火工消耗。特別是針對堅硬的巖石，空孔的布設更有必要。

從爆破機理分析，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作用，其改變了爆破作用下巖石的破壞機理。對于巖石這種準脆性材料，其抗壓強度遠遠大于其抗拉伸強度，至少為一個數量級的差異。其抗壓強度一般為數百兆帕，而抗拉強度一般為數十兆帕。因此，如想高效的破壞或者破碎巖石，需要盡可能的使其產生拉伸受力狀態。空孔炮孔壁面裂紋的起裂主要是由于壁面巖體質點受到切向應力而引起的，并且裂紋的擴展行為除了受到爆炸應力波之外，爆生氣體亦起到了裂紋擴展的主要驅動作用。

無論是室內巖石的單軸壓縮、三軸壓縮，還是直接拉伸或者間接拉伸試驗，其破壞機理要么是拉伸破壞，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力波的壓力傳導至巖石的壓力，是純粹的壓應力，只有當波傳遞至自由面的時候，發生了反射，產生了拉伸卸載波，才會產生拉伸應力，有利于巖石的剝裂。但是在靠近裝藥孔的巖壁上，產生的是壓縮破壞，巖壁被爆炸波破損為巖粉。由于空孔的存在，其在巖體中產生了一個自由面，爆炸應力波在此會產生應力集中現象，此處的應力遠遠大于其它處巖石中的應力，并且在空孔與裝藥孔之間的巖石受到的不僅有沖擊壓力，還有拉伸應力。根據文獻[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，是最大拉應力產生的地方，使得裝藥孔與空孔之間產生裂紋，并且互相貫通，更易發生由拉伸應力導致的巖石破壞。

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

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，起到了很好的導向作用，有利于發揮炸藥的性能。

2 空孔參數的設計

本文擬定以空孔效應的研究作為鉆爆工程施工過程參數優化的選項之一。

對炮眼間距，分別采取理論計算和半經驗半理論分析方法對其進行了量化。巷道巖石堅固性系數取f=8，縱波波速cp=3500 m/s；周邊眼使用乳化炸藥，將每節藥卷平均剪成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

根據彈性理論，空孔附近P點處的應力狀態可表示為[13]：

圖1 中，A為裝藥孔，B為空孔，P點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域巖石質點破壞采用的是最小拉應力破壞準則，同時該準則采用了巖石動態拉伸強度值。

其中，裂隙區半徑Tk及裝藥孔與空孔間距E計算公式為[21]：

當巖石的動抗拉強度與空孔附近的抗拉強度一致時，破碎區面積最大，孔壁裂紋起裂擴展充分，空孔與裝藥孔之間的裂紋相互貫通，炸藥利用最為高效。根據上述公式計算，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

在爆破現場，根據實地巖石工程地質情況，采用改變周邊眼間距的方法，驗證不同爆破參數下光面爆破的效果。可借助于巷道超欠挖、周邊孔半孔率等進行衡量當次的爆破效果。其中，對周邊孔的左側進行了空孔效應的研究，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 為相應的爆破參數。具體試驗論述如下。

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 個孔作為空孔不裝藥，右幫所有周邊眼都裝藥，對爆破后的效果進行比較，圖3 為爆破前進行炮孔的定位工作及炮孔打眼情況。

根據爆破后效果，左側有空孔時，光面爆破的半孔多且長，且無明顯的超欠挖現象，爆破效果較好。爆破施工后，爆破掘進面左幫進尺2.2 m，右幫巖石掘進進尺2.1 m；并且左幫巖石半眼率數目更多，半眼長度更長，半眼痕率較高，如圖4所示。

由圖4 可知，對同一掌子面而言，采用空孔間隔設計周邊眼間距時(300 mm)，爆破效果較佳；未采用空孔間隔時，爆破效果一般。此外，未布置空孔的右側，還浪費了炸藥等爆品耗材。需說明的是：本次試驗，掌子面內巖石硬度較高。可見，周邊眼之間進行空孔間隔施工，不僅可形成有效的導向孔，利于爆破成型，并且還能夠節省炸藥、雷管、導爆索等耗材，達到合理經濟開挖的目的。因此，合理的在周邊孔間距中布設空孔對光面爆破效果影響至關重要，特別是在硬巖掘進過程中。

表1 爆破參數表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

結合上述空孔效應試驗，同時進行了爆破振動監測，并在爆破后對周邊圍巖的損傷予以了監測。通過爆破最大振動速度、主頻以及圍巖損傷區范圍，綜合評價空孔間隔裝藥一側與正常裝藥一側的爆后效果。

4.1 爆破振動速度分析

爆破振動測試可對該次循環的爆破效果進行綜合評價，通過振動速度、爆破主頻、振動持續時間等參數對爆破效果予以刻畫，是爆破工程中常用的監測手段。本次爆破監測選用成都中科測控有限公司生產的TC-4850 爆破振動記錄儀，從距爆破掌子面10 m 位置布置測點，在巷道左側幫部和右側幫部各設置1 個傳感器。

周邊孔正常裝藥與空孔間隔裝藥的爆破振動信號波形圖如圖5 所示。

圖5 周邊孔普通裝藥和空孔間隔裝藥時爆破測點信號波形Fig. 5 Vibration waveform of usual charge and empty charge for surrounding holes

通過該次爆破試驗獲得的空孔間隔裝藥最大振速，以及上次循環周邊眼正常裝藥時獲得的最大爆破振速，對比分析，可得到距離爆源10 m 處，普通裝藥側產生的質點最大振動速度為20 cm/s，而空孔間隔裝藥側所監測到的最大振動速度為12 cm/s。空孔間隔布置一側，裝藥量比普通裝藥布置一側的裝藥量少約1/2，其爆破振速與單段最大裝藥量密切相關，相應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的爆破振動信號頻譜如圖6 所示。可見，正常裝藥側爆破信號更為復雜，峰值峰谷變化更為頻繁劇烈，不利于工程設施的穩定。

同時，發現周邊眼普通裝藥、周邊眼空孔間隔裝藥爆破振動信號在0 Hz～250 Hz 間的能量占該信號總能量的百分比分別為91.65%、63.08%。對于地下工程而言，爆破振動信號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。普通裝藥時能量主要集中在250 Hz 以內，其中0 Hz～125 Hz 能量占58.11%，125 Hz～250 Hz 能量占33.54%，而空孔間隔裝藥時能量主要集中在0 Hz～500 Hz 范圍內，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爆破信號頻譜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，頻率在主振帶上分布更為集中。這主要是因為在臨空面較好的條件下，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，從而導致信號更加集中于低頻段的主振頻帶。兩種裝藥形式所在測點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超過了空孔裝藥條件下，這表明在爆破的近區，空孔裝藥降振效果明顯。

4.2 圍巖損傷分析

爆破振動監測表明爆破擾動對近區圍巖的力學屬性改變明顯。但是，對該次爆破循環，左右兩側周邊孔不同的裝藥結構，決定了左右兩側圍巖的損傷是不一致的。鑒于此，開展了圍巖損傷監測，通過雷達測試法和聲波測試法，用以評價爆破后巖體的損傷特性及范圍。

采用美國生產的GSSI 1.5 GHz 高頻空氣耦合天線雷達測試設備，用高頻天線圈定高度損傷區EDZ 的范圍，并對測線圈定的EDZ 深度進行統計，如圖7 所示為其中一次探地雷達測試結果。

圖7 高頻1.5 GHz 雷達測試結果Fig. 7 Test result of ground penetrating radar of 1.5 GHz

通過高頻雷達探測結果，發現對于空孔間隔裝藥的左側，其EDZ 平均厚度為22 cm，而其右側普通藥包處，EDZ 平均厚度為27 cm。需要說明的是，空孔間隔布置一側，裝藥量比普通裝藥布置一側的裝藥量少約1/2，其爆破振速和EDZ值亦有較大程度的減弱。

進一步的，通過單孔波速及跨孔波速測試，對圍巖損傷特性予以佐證。聲波層析成像結果顯示：在距離開挖面30 cm 范圍內波速降低為原巖的10%，該范圍內裂隙密度顯著高于未擾動巖體，認為該區域為圍巖爆破損傷區。據此，我們可擬定該次爆破試驗圍巖未產生明顯損傷的范圍不超過30 cm。這與上述高頻探地雷達的測試結果(分別為22 cm 和27 cm)保持一致，也充分說明了空孔效應對爆破的有益效果，降低了圍巖損傷范圍。

5 結論

本文設計了甘肅北山坑探設施項目光面爆破施工的爆破參數，并研究了周邊孔在空孔間隔情況下的炮眼布置方案，通過理論分析及現場爆破試驗，獲得了如下結論：

(1)基于光面爆破原理，對甘肅北山坑探設施項目進行了光面爆破的爆破參數設計，特別是結合空孔效應原理，在同一斷面的周邊孔中，間隔布設了若干數量的空孔，用以研究空孔效應。

(2)從爆破原理出發，結合巖石爆破拉伸破壞的強度判據，計算了本實施項目的裝藥孔與空孔炮眼間距值為30 cm 時較為適宜。并進一步實施了在同一巷道掌子面情況下，于不同左、右幫部位置處空孔間隔的光面爆破試驗，根據爆破效果，驗證了上述方法計算得到的空孔間距是合理的，具有空孔的時候較未布置空孔的情況下光爆效果更佳。

(3)通過爆破振動監測和圍巖損傷測試，進一步的衡量爆破效果。爆破振動測試結果顯示，空孔間隔時的最大振速(12 cm/s)小于普通藥包時的最大振速(20 cm/s)。并且圍巖損傷測試亦表明，空孔間隔裝藥的左幫爆破導致的圍巖損傷范圍(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，影響因素眾多。本文爆破試驗獲取數據限于本實施工程，并且試驗次數亦有限，本研究成果是對空孔效應的初步探索，可對后續工程開挖提供相應的試驗數據與理論支撐，其對于深部地下工程的爆破開挖及高放廢物的深地質處置，有一定的理論指導意義。