隧道光面爆破中炮孔堵塞長度的數值分析

李征文

摘要：隧道工程爆破作業(yè)中，炮孔堵塞長度與最終爆破效果密不可分，是現場爆破控制的重要參數之一。通過對關鍵位置的應力分析結合經典爆破理論，從而獲得堵塞長度最優(yōu)值，可以有效提升最終爆破效果。

關鍵詞：隧道;光面爆破;堵塞長度;

引言

隧道工程施工中，鉆爆法是最為常見的施工方式。我們知道，爆破作業(yè)中，實際炮孔堵塞的長度與爆破效果密不可分，合理的長度設置往往可以使得內部進行充分徹底的化學反應，降低飛石以及空氣沖擊波等的影響，提高炸藥的利用率，提升最終爆破效果。故有必要探討炮孔堵塞長度對隧道光面爆破效果的影響。

1.炮孔堵塞作用原理分析

一般認為堵塞可以有效緩解爆轟氣體過快的從孔內排出，從而增加作用時間，此外還可以改變巖石中的應力作用形式，提升最終爆破效果。現階段普遍認為爆炸所產生的沖擊波以及所產生的氣體之間的相互作用是對巖體介質產生破壞的重要因素，而實際上，在不同的階段依據不同的巖石情況最終兩種作用機理所達到的效果也各不相同。所以，為了進一步提升爆破效果，不僅僅要求炸藥在爆轟時釋放足夠多的能量，同時還需要爆生氣體有充足的時間發(fā)生作用。假定炸藥整個爆轟瞬間完成，且所得到的爆生氣體均為理想氣體;則爆生氣體將在瞬間對炮孔空間各個位置進行作用，堵塞材料被壓縮過程為沖擊壓縮波在整個過程中的傳播方式;堵塞物均為非彈性體，堵塞材料在炮孔內的整體移動與鋼體移動相當。

2.堵塞物移動所需要耗費時間a

實際炮孔堵塞物的整個運動過程主要分為兩個部分，即微觀運動部分和宏觀運動過程。微觀運動主要是指沖擊波對堵塞物進行壓縮的一個過程;而宏觀則主要是指移動的過程。

當爆生氣體對堵塞物進行作用時會逐漸使其內部產生應力波，將堵塞物由炮孔的內側逐漸向外側傳導。相關研究表明，壓力波在巖體中的傳播速率往往高于堵塞物中的傳播速率，且波的作用往往發(fā)生于爆生氣體作用前。由此不難看出，炮孔堵塞物在進行運動前，壓縮粉碎圈已經形成，則堵塞物在開始運動時所耗費的時間a為堵塞物長度和沖擊波傳播速度比值。

3.堵塞物移至炮孔外時間

由于堵塞物自身存在一定的質量以及慣性定律，實際堵塞物沖出排孔往往額外需要一定的時間。當應力波到達堵塞物外緣時，則視整個堵塞物為一個開始移動的完整體。實際堵塞物完全移出炮孔的時間為

（1）

公式中，實際堵塞物移出炮孔所需要耗費的時間t和炮孔堵塞長度ls，實際堵塞物體的密度值ρ以及炮孔中所存在的氣體壓力Pa密不可分。一定程度上增加炮孔的堵塞長度ls與堵塞物的密度值ρ，或者是在可以確定炸藥類型的基礎上，對裝藥結構進行改良，從而設計科學合理的不裝藥耦合系數，科學的降低爆轟氣體的壓力值Pa，也可以有效的增加整個堵塞物在炮孔中的移動耗費時間t，此外使用摩擦系數較高的堵塞物也可以起到較好的增加爆生氣體時間的效果。就公式1中不難看出，增加粉碎區(qū)Db，也可以一定程度上延長總體移出時間t，但增加Db就意味著裝填藥量需要進一步增加，大部分的炸藥能量將會應用到粉碎圈方面。因此，我們必須按照工程的實際需求，科學合理的進行炮孔裝藥參數的設置，避免粉碎去生成以及依據爆破工程的實際情況進行范圍大小控制。

4.堵塞長度分析

如若填充的堵塞材料過短，則會使其過短的移出炮孔，從而無法達到理想的氣楔效果，最終影響爆破質量，而如若堵塞物料長度過長，則會進一步增加炮孔堵塞的工作強度，嚴重制約施工進度與效率，特別在掘進爆破過程中，還會出現掛門簾等情況，對最終的爆破質量產生影響。巷道與隧道掘進爆破通常需要盡可能達到爆碎的效果，因此我們必須要讓整個破碎過程在堵塞物沖出炮孔前完成，即臨界條件需要符合：

（2）

公式中t1指填塞在炮孔內作用所需要的時間;t2指巖石破碎所需要的時間。如前文所述，實際堵塞材料在炮孔中的時間包括堵塞物受到沖擊波壓縮的時間值a與堵塞材料沖出炮孔所需要的時間t，則，

（3）

而因為沖擊波的傳播速率非常快，但堵塞材料在炮孔中的運動速率非常低，因此可以忽略沖擊波壓縮作用的是a，則上述公式可以進一步簡化為

（4）

依據爆炸力學以及應力波相關知識，介質破碎所耗費的時間t2為

（5）

公式中w表示為裝藥的最小抵抗線，Cp與Cr則分別表示為實際被爆的介質其縱向波的傳播速率以及表面瑞利波的傳播速率。對上述公式進行合并，假定堵塞材料在炮孔內部的勻速加速度值為0，則該炮孔的堵塞長度設計為

（6）

5.結束語

此次就炮孔堵塞物的作用原理及其在整個炮孔中的運動機制進行探討，并通過對其它學者研究結果分析表明，無論就技術層面還是經濟層面，隧洞光面爆破堵塞問題均應當引起相關人員重視。爆

生氣體的壓力可以對炮孔空壁與堵塞物之間的摩擦力進行克服，從而推動堵塞物沿著軸向方向運動，堵塞物的運動和堵塞的長度以及炮孔的規(guī)格型號、裝藥量等密不可分。選擇摩擦系數更高的堵塞物，進一步增大彈藥的充填密度以及加長堵塞的長度等均會進一步延長堵塞物停留在炮孔內的時間，并延長應力波與爆生氣體的對被爆價值的時間。而當堵塞物填充合理時，則裝藥量與炸藥單耗可以明顯降低，循環(huán)進尺與炮孔利用程度也能明顯增加，此外還可以有效利用炸藥的爆能，進一步優(yōu)化整個爆破效果，減少過程中所存在的毒氣以及巖塵濃度等的影響，優(yōu)化施工作業(yè)環(huán)境，減少現場人員作業(yè)強度。爆破是隧道施工項目最常見的施工方法，科學合理的爆破設計可以有效解決施工中的難題，并推進項目迅速完工，但缺乏合理設計的爆破同樣也會給整個項目帶來負面影響，因此對于相關人員務必對爆破各項參數進行嚴格把控，尤其是堵塞長度的設計，從而保證爆破質量，提升工程質量。

參考文獻

[1]丁希平，王中黔，馮叔瑜. 堵塞長度對臺階爆破作用影響的數值模擬[J]. 煤炭學報，2001，26（4）.

[2]陳楠，夏小和，葉冠林，et al. 加壓條件下地下爆破的三維數值模擬[J]. 上海交通大學學報，2009（10）：1581-1584.

[3]林杭，曹平. 錨桿長度對邊坡穩(wěn)定性影響的數值分析[J]. 巖土工程學報，2009，31（3）：470-474.

[4]王斌，梁開水，張建華. 高聳建筑物定向爆破中切口長度安全范圍的研究[J]. 中國安全科學學報，2004，14（5）：12-15.