基于C型聚能管的聚能水壓光面爆破技術原理及應用?

李 淮 孫衛星 宋鵬偉 楊新安

①中交第三航務工程局有限公司(上海，200030)

②同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室(上海，201804)

③同濟大學交通運輸工程學院(上海，201804)

引言

目前，鉆爆法是隧道施工的主要方法。光面爆破技術雖然在施工中也得到普遍應用，但是仍然存在著許多不足，如常規光面爆破中炮眼間距小、鉆孔時間長、超挖和欠挖嚴重、對保留巖體擾動大等。傳統的光面爆破技術已經不能滿足現階段隧道精細化、綠色施工等的要求。近年來，聚能水壓光面爆破技術開始在隧道施工中應用，顯著減少了鉆孔數量和作業時間，提高了施工效率，改善了爆破效果及施工環境，具有良好的社會經濟效益[1]。

對于聚能水壓光面爆破，目前，有一些學者進行了研究。張盛等[2]進行了D型聚能管井下爆破試驗研究，最終確定了合理的預裂爆破參數。熊炎林等[3]采用數值模擬和現場試驗，對聚能爆破在隧道開挖成型控制中的作用進行了研究。結果表明，采用聚能水壓光面爆破技術可有效減小超挖和欠挖，改善爆破效果。何滿潮等[4]分析了雙向聚能拉伸爆破的技術特點、破巖機理及力學模型，并進行了現場基礎試驗研究。魏垂勝[5]分析了線性聚能光面爆破的原理并通過現場試驗證明，線性聚能光面爆破技術具有成本低、工效高、爆破效果好的特點。梁洪達等[6]基于理論分析與數值模擬，對單孔爆破、間隔爆破爆炸應力波的傳播形式和裂紋擴展規律進行了研究。徐風等[7]利用數值仿真及理論驗證，對聚能罩不同錐角及不同藥、罩距離下的爆炸能量輸出進行了對比分析。劉海波[8]闡述了基于W型聚能管的聚能水壓光面爆破技術的原理、裝藥結構、裝填方法與程序，并分析了聚能水壓光面爆破的經濟效果。

綜上，關于聚能水壓爆破的破巖理論大多比較籠統，缺乏系統研究。另外，目前研究大都基于D型、W型(異性雙槽型)等第一代聚能管，關于第二代C型聚能管的研究與應用分析較少。其中，D型聚能管由主體和蓋板兩部分組成；W型聚能管由兩半壁管相扣而成；兩者均需要對炸藥進行二次加工，裝填操作復雜，且所需時間較長，安全性較差。C型聚能管則能夠較好地克服此類問題，具有一定的研究價值。

基于此，本文中，以欒盧高速公路碾盤隧道為研究對象，結合理論分析和現場試驗，對聚能水壓光面爆破技術的成縫機理和破巖過程進行分析，并進一步研究基于C型聚能管聚能水壓光面爆破技術的應用效果。

1 聚能水壓光面爆破技術原理

聚能水壓光面爆破技術是在隧道爆破施工的周邊眼中采用C型聚能管裝置代替普通光面爆破裝藥結構，并在炮孔上部增設水袋，利用水砂袋(非牛頓流體)代替炮泥來堵塞炮孔，達到充分利用爆破能量控制爆破振速與圍巖穩定、改善光面爆破效果的目的。對應力波及爆生產物在炮孔、巖體中的傳播過程進行研究，結合破巖過程及成縫機制進一步分析聚能水壓光面爆破技術的原理。

1.1 沖擊波在炮孔內的傳播規律

炸藥在空氣介質中爆炸后，瞬間形成爆炸沖擊波并向外傳播。在沖擊波的作用下，炮孔上部的水袋破裂，水以流體形式分散在空氣外圍，并與巖體接觸，形成空氣-水復合介質。爆炸沖擊波是一種超聲速的強烈壓縮波，衰減速度快。爆炸沖擊波在炮孔內的傳播主要分為在空氣介質中的產生與傳播、在空氣-水界面的反射和透射、在水介質中的傳播以及在水-巖石界面的反射和透射4個部分。

爆炸沖擊波從介質a穿過交界面進入介質b時，由于兩種介質的波阻抗不同，沖擊波會在交界面上發生部分透射和反射[9-10]。

爆炸沖擊波在傳至交界面時，由連續性可得，交界面上同一質點的兩側振動速度相同，即

式中:uI、uR、uT分別為入射波振速、反射波振速及透射波振速。

對于反射波，在交界面上的作用力與反作用力相等，方向相反。由應力平衡可得

式中:σI、σR、σT分別為入射波應力、反射波應力及透射波應力。

以縱波為例，根據波阻抗的定義可得

式中:ρa、ρb分別為介質a、介質b的密度；ca、cb分別為介質a、介質b的縱波波速。

聯立式(1)～式(5)，可求得

式中:F為沖擊波反射系數；T為沖擊波透射系數。

且有

爆破沖擊波首先在空氣介質中傳播，在傳播過程中由于空氣的絕熱壓縮而產生熵減，使爆破能量產生損耗。

爆炸沖擊波傳播到空氣-水交界面時，空氣的波阻抗ρ1c1小于水的波阻抗ρ2c2，所以F>0；且入射沖擊波穿過交界面時會產生反射壓縮波與透射壓縮波，即T＝1＋F>1；另外，沖擊波進入水介質后，振速降低，但應力明顯增大，即σT>σI、uT

爆炸沖擊波在水介質中傳播時，由于水的可壓縮性很小，所以可以認為沖擊波的傳播過程是等熵的，幾乎不會有能量損失。同時，由于振速降低，水中沖擊波會均勻地作用于圍巖，減少圍巖的過粉碎，提高能量的利用率[11]。

爆炸沖擊波傳播到炮孔壁(水-巖石交界面)時，由于水的波阻抗ρ2c2小于巖石的波阻抗ρ3c3，同理可得，入射沖擊波穿過交界面時會產生反射壓縮波與透射壓縮波。沖擊波進入巖石介質后，振速降低，應力明顯增大。

沖擊波在介質交界面的反射和透射過程如圖1所示。圖1中，I表示入射波，R表示反射波，T表示透射波。

圖1 沖擊波在交界面的反射和透射Fig.1 Reflection and transmission of shock waves at the interface

綜上，與常規光面爆破的空氣介質不耦合爆破相比，聚能水壓光面爆破的空氣-水復合介質在不耦合爆破下的圍巖振速降低，應力增大，能量利用率顯著提高。

1.2 聚能水壓爆破作用下巖體成縫過程

在聚能水壓爆破作用下，巖體的成縫過程可分為聚能射流切縫階段、巖體壓碎階段、裂縫發育階段、裂縫擴展階段、最終成縫階段。

1.2.1 聚能射流切縫階段

炸藥爆炸后，爆轟波一方面沿著炮孔軸向進行傳播，另一方面向徑向運動。聚能槽在數千萬帕的爆轟壓力作用下向軸線處擠壓，爆轟產物沿著聚能槽表面外法線方向運動，爆破能量向聚能方向聚集，由此形成了聚能方向上攜帶有聚能罩材料的高壓力、高能量、高速度的聚能射流。聚能射流侵徹入圍巖，在炮孔壁上形成初始導向裂縫。在非聚能方向，由于聚能管本身具有一定的強度，對爆轟產物及沖擊波的傳播起到了抑制作用，一定程度上抑制了非聚能方向的裂隙發育，提高了對保留圍巖的保護。

根據巖石斷裂力學理論，當裂縫端部應力強度因子KI大于巖石斷裂韌性KIc時，巖石開裂；反之，則停止開裂。

聚能射流侵徹巖石之前，應力強度因子[12]為

式中:p為透射到巖體的沖擊波壓力；f為應力強度因子修正系數；α為初始裂紋長度，在鉆孔爆破中從孔中心算起。

根據Cai等[13]統計，對于大多數巖石，KIc與巖石抗壓強度σc有下列關系:

由于聚能方向上的炮孔壓力大于非聚能方向的壓力，所以聚能方向上的炮孔壁率先開裂，形成初始導向裂縫；隨后，爆生氣體進入，聚能方向上的爆生氣體壓力增大，而相應的非聚能方向上的壓力就小，無法支撐裂隙的發育，從而減少了對保留巖體的損傷。

1.2.2 巖體壓碎階段

當透射沖擊波傳播至巖體時，巖體處于混合三向應力狀態，繼續傳播，沖擊波強度衰減為塑性應力波，巖體壓碎區內任一點的應力狀態為

式中:σr、σθ、σz分別為巖體內任一點的徑向應力、環向應力及軸向應力；R為該點到裝藥中心的距離；ra為炮孔半徑；μd為巖體動態泊松比；k為側向應力系數，k＝μd/(1－μd)。

根據Von-Mises屈服準則，巖體內任一點的有效應力強度為

當透射沖擊波作用下巖體所受有效應力強度σi大于巖體的動態抗壓強度σcd時，即σi≥σcd時，巖體被壓碎。

計算可得巖體的壓碎區半徑為

1.2.3 裂縫發育階段

隨著沖擊波在巖體中的傳播，能量不斷被消耗，逐漸衰減為壓縮應力波；此時，其有效應力強度已經無法壓碎巖石，巖體處于拉剪狀態，即徑向受壓縮應力和環向受拉伸應力。巖體裂縫發育區內的任意一點的應力狀態為

應力波作用下，當巖體環向拉應力大于巖體動態抗拉強度σtd時，巖體產生徑向拉伸裂縫。應力波傳播過后，壓力減小，巖體由于前期壓縮所積蓄的彈性變形能得到釋放，從而使巖體向爆破中心運動，產生了反向徑向拉伸應力。當反向徑向拉伸應力高于巖體動態抗拉強度σtd時，巖體產生環向裂縫，由此產生了裂縫發育區。徑向裂縫和環向裂縫的形成原理如圖2所示。

圖2 徑向裂縫和環向裂縫的形成原理Fig.2 Formation principles of radial fissures and circumferential fissures

同理可得，裂縫發育區的半徑為

1.2.4 裂縫擴展階段

隨著應力波的衰減，已經無法使巖體產生裂縫，在爆生氣體的膨脹壓縮作用下，水楔攜帶著大量的爆破能量滲入裂縫之中，使應力集中于裂縫尖端；同時，在爆轟氣體的膨脹壓力以及外部的應力場作用下，在裂縫內部形成準靜態應力場，裂縫得到進一步擴展或延伸。

在本階段，裂縫擴展主要由水楔劈裂作用、爆轟氣體的膨脹作用及應力波作用共同引起。根據斷裂力學理論，此階段的應力強度因子KI2為[9，11-12，14]

式中:KIw、KIa、KIσ分別為水楔劈裂作用下、爆轟氣體作用下及應力波作用下裂縫尖端應力強度因子。

當裂縫端部應力強度因子KI2大于巖石斷裂韌性KIc時，巖體裂縫持續擴展，直至KI2

1.2.5 最終成縫階段

相鄰炮孔的爆破應力波疊加，使巖體內部炮孔連心線上的拉伸應力明顯增大。在水楔劈裂以及爆轟氣體的作用下，聚能方向上裂縫發展最快。相鄰炮孔連心線方向裂縫貫通后，殘余的爆轟氣體將光面爆破層的巖石擠壓出去，并拋擲一段距離，形成光面爆破斷面。

綜上所述，聚能射流侵入巖體后，在孔壁上形成初始導向裂縫；在爆炸沖擊波的作用下，巖體形成壓碎區；在應力波、水楔劈裂以及爆生氣體的作用下，聚能方向上裂縫進一步擴展、延伸，直至貫通，形成最終光面爆破斷面。

根據聚能水壓爆破技術原理，與常規光面爆破技術相比，聚能水壓光面爆破技術下，在孔內空氣-水復合介質作用下，沖擊波到達孔壁時應力增大，圍巖振速降低；在聚能方向上，爆破能量的集中導致非聚能方向上爆生氣體的壓力降低，所以有利于保護保留巖體的強度和穩定狀態。

通過現場試驗，對基于C型聚能管的聚能水壓光面爆破技術與常規光面爆破技術進行對比分析和驗證。

2 C型聚能管裝置及裝藥結構

2.1 C型聚能管裝置及組裝方法

2.1.1 C型聚能管的結構及設計依據

C型聚能管采用PVC材料，為第二代聚能管，長度為1 m，管壁厚為1.2 mm，截面呈C型。聚能管兩側各有一個凹槽，即聚能槽。聚能槽頂角為60°，頂部距離為17.89 mm；在聚能槽外部存在厚度為0.60 mm的薄壁。聚能管上部開口為20.00 mm，外形尺寸為?32.00 mm×26.62 mm。C型聚能管實物圖及截面尺寸如圖3所示。

圖3 C型聚能管實物圖及截面尺寸(單位:mm)Fig.3 C-shaped energy-concentrating tube and its section size(unit:mm)

C型聚能管主要基于諾爾曼效應[15-16](又稱為門羅效應，即Munroe effect)進行設計。利用炸藥爆炸后所產生的爆轟產物沿外法線方向進行散射的基本規律，將聚能管設計為兩側帶有錐形凹槽(即聚能槽)的軸對稱側向聚能裝藥裝置。爆炸時，由于聚能槽的存在，沿聚能方向(聚能槽連線方向)產生高壓、高密度、高速度的聚能射流，從而使爆轟產物聚集，并增加能量密度，提高爆炸穿透能力，形成初始導向裂縫。C型聚能管裝藥爆炸產生的聚能射流示意圖如圖4所示。

圖4 聚能射流示意圖Fig.4 Schematic diagram of shaped jet

2.1.2 C型聚能管的優勢及組裝方法

與第一代聚能管(W型、D型)相比，C型聚能管裝置組裝更方便快捷，不再需要空壓機、注藥槍等設備，也不需要對炸藥進行二次加工，在現場即可進行制備。有利于減少準備時間，降低操作難度，已經漸漸取代了第一代聚能管，得到廣泛運用。

C型聚能管中裝藥形式為間隔裝藥，即縱向不耦合裝藥，需要提前制備。裝藥步驟為:

1)將1卷2＃巖石乳化炸藥沿中間斷開，將炸藥切口處分別對準聚能管兩端口，并套在聚能管上，由此將兩個1/2的藥卷完全塞入聚能管中；

2)用導爆索將聚能管兩端的1/2卷炸藥連接起來，并用小塑料塊將導爆索固定在聚能管中；

3)在聚能管中間纏繞一圈塑料膠條作為限位圈，使聚能管裝置控制在孔中心位置。

C型聚能管裝置結構示意圖見圖5。

圖5 C型聚能管裝置結構示意圖(單位:mm)Fig.5 Structure diagram of C-shaped energy-concentrating tube device(Unit:mm)

2.2 聚能水壓光面爆破周邊眼裝藥結構

經過數值分析和現場試驗，最終確定聚能水壓光面爆破的周邊眼的裝藥結構為:底部加強藥＋3個聚能管裝置＋水袋＋空氣間隔＋孔口水砂袋，具體如圖6所示。

圖6 周邊眼裝藥結構(單位:mm)Fig.6 Charge structure of peripheral eyes(Unit:mm)

裝藥工藝為:

1)在1卷炸藥中插入雷管，并裝填至炮孔底部，緊挨孔底加強藥連續裝填3個C型聚能管裝置；

2)裝填1袋水袋，用炮棍捅至緊挨炸藥處，彼此緊密相連，不得有空隙；

3)用水砂袋堵塞炮孔口。

需要注意的是，裝填聚能管裝置時，聚能槽必須與隧道輪廓面平行，且聚能管開口側朝向光面爆破層巖體。

3 現場試驗

3.1 工程概況

欒盧高速公路碾盤隧道為分離式特長隧道。左線起訖里程為ZK62＋560～ZK67＋011，全長4 451 m，最大埋深約462 m；右線起訖里程為K62＋536～K66＋990，全長4 454 m，最大埋深約470 m；兩線隧道間距20～35 m。隧道的總體風化程度為中微風化～強風化，圍巖級別的范圍為III～V級。隧址區內上覆地層為第四系上更新統(Q3)的粉質黏土，分布不連續，主要分布在坡腳及溝谷底等處；下伏基巖為下元古界陶灣組(Pt)片巖，白云巖為主。隧道III級圍巖采用全斷面法施工。本文中，以III級圍巖作為試驗對象，對常規光面爆破、聚能水壓光面爆破進行對比研究。

3.2 爆破方案

聚能水壓光面爆破與常規光面爆破均采用阿特拉斯·科普柯XE3C三臂鑿巖臺車進行鉆孔，掏槽形式、炮孔布置、炮孔深度、起爆順序、爆破網路等參數相同，均采用2＃巖石乳化炸藥。兩種爆破方式的區別在于周邊眼的間距及裝藥結構。

常規光面爆破周邊眼孔距為0.45 m，采用連續裝藥，每個炮孔裝5節藥卷，雷管位于第3節藥卷。聚能水壓光面爆破周邊孔孔距為0.93 m，具體裝藥結構如圖6所示。

III級圍巖中聚能水壓光面爆破及常規光面爆破裝藥參數如表1所示。具體的炮孔平面布置圖見圖7。表1中，括號內的數值為III級圍巖中常規光面爆破參數。爆破施工采用水平楔形復式掏槽法，左、右各布置3列，掏槽眼1＃與掌子面夾角62°，掏槽眼2＃與掌子面夾角70°；掏槽眼3＃與掌子面夾角79°。周邊眼、底板眼及輔助眼均采用直眼鉆孔，拱頂輔助眼大致成半圓弧形設置。掏槽眼、底板眼及輔助眼均采用連續裝藥形式。聚能水壓光面爆破中炮孔布置:掏槽眼18個，輔助眼29個，底板眼10個，周邊眼25個；常規光面爆破中炮孔布置:掏槽眼18個，輔助眼29個，底板眼10個，周邊眼53個。

圖7 炮孔平面布置圖(單位:m)Fig.7 Arrangement of blasting holes(Unit:m)

表1 III級圍巖聚能水壓光面爆破及常規光面爆破裝藥參數Tab.1 Parameters in shaped energy water pressure smooth blasting and conventional smooth blasting of Grade III surrounding rock

3.3 效果監測

采用TC-4850爆破測振儀對周邊眼爆破時掌子面后40 m拱腰處的爆破振速進行監測。在隧道出渣完成后，采用徠卡TS06plus全站儀對周邊眼進尺、隧道圍巖的超挖、欠挖量進行測量。從而對聚能水壓光面爆破與普通光面爆破的爆破效果進行對比分析。

4 效果對比分析

經過現場實測與統計，單個循環下聚能水壓光面爆破與常規光面爆破各項技術指標對比見表2。

表2 常規光面爆破與聚能水壓光面爆破技術指標對比Tab.2 Comparison of technical indicators of conventional smooth blasting and shaped energy water pressure smooth blasting

1)周邊眼孔距增大，節省鉆孔時間，加快施工進度。與常規光面爆破相比，聚能水壓光面爆破技術周邊眼數量減少約1/2，鉆孔、裝藥時間減少30～40 min。

2)炮孔利用率增大。采用聚能水壓光面爆破技術后，循環進尺增加0.71 m，炮孔利用率達到93.20%，與常規光面爆破相比，炮眼利用率提高約16.69%。

3)半眼痕率提高，超挖、欠挖減小，爆破效果顯著提高。與常規光面爆破相比，采用聚能水壓光面爆破技術時，半眼痕率提高約40.47%，最大超挖降低49.88%，平均超挖降低54.17%，開挖輪廓面更加平順、整齊。兩種爆破技術開挖輪廓面見圖8。

圖8 常規光面爆破與聚能水壓光面爆破下的開挖輪廓面Fig.8 Excavation profile in conventional smooth blasting and shaped energy water pressure smooth blasting

4)有效控制了爆破振動，減少了對圍巖的擾動，有利于圍巖穩定。與常規光面爆破相比，采用聚能水壓光面爆破技術時，圍巖平均峰值合振速可降低約48.96%。

5 結論

利用理論分析及現場試驗對聚能水壓光面爆破技術原理及爆破效果進行研究，主要結論如下:

1)基于斷裂力學與彈塑性理論，聚能水壓侵入巖體后，成縫過程可分為聚能射流切縫階段、巖體壓碎階段、裂縫發育階段、裂縫擴展階段、最終成縫階段。由于導向裂縫的存在，聚能水壓光面爆破的爆生氣體、水楔劈裂作用大都聚集在聚能方向上，非聚能方向上壓力小，可減少對保留圍巖的損傷。

2)與第一代聚能管(W型、D型)相比，C型聚能管的優勢主要體現在:裝置組裝更加方便快捷，不再需要空壓機、注藥槍等設備，并且不需要對炸藥進行二次加工，有利于減少準備時間，降低操作難度，提高施工效率與安全性。

3)聚能水壓光面爆破技術可有效改善爆破效果。半眼痕率可達90%以上，最大超挖控制在20 cm左右，開挖輪廓面更加平順、整齊，并且控制爆破振動效果顯著。相對于常規光面爆破，峰值合振速可降低約48.96%，有利于保持圍巖的穩定性。