異形炮孔聚能定向爆破破巖數(shù)值分析與成孔技術(shù)

針對傳統(tǒng)光爆技術(shù)中超挖嚴(yán)重的問題，文章提出了異形炮孔聚能定向爆破技術(shù)。基于理論和數(shù)值分析軟件LS-DYNA分析了異形孔爆破原理，利用切槽口聚能導(dǎo)向作用使周邊眼間形成連線，成孔過程中實現(xiàn)了鉆孔和切槽一體化。研究結(jié)果表明：該技術(shù)可增加周邊眼間距，降低周邊眼數(shù)量，提升鉆爆效率和光爆效果，改善超挖問題。

異形孔；定向爆破；數(shù)值分析；鉆孔切槽

U455.6A501593

0 引言

隧道光面爆破是隧道開挖掘進(jìn)的重要技術(shù)之一，其技術(shù)水平?jīng)Q定了爆破后是否超欠挖，隧道開挖輪廓線是否符合設(shè)計要求，以及能否控制噴射混凝土的消耗量。在混凝土成本顯著增大的趨勢下，提高光面爆破效果，降低混凝土噴射量是控制建造成本的關(guān)鍵。

傳統(tǒng)的光面爆破孔均為圓形，炸藥起爆后能量的傳遞使周圍巖體發(fā)生破壞，在炮孔周邊發(fā)生爆破破壞的概率是相近的，這也導(dǎo)致了不該發(fā)生破壞的圍巖發(fā)生破壞，而該發(fā)生破壞的圍巖沒有發(fā)生理想的破壞，直接影響是對圍巖的擾動大，超挖嚴(yán)重。而目前研究的異形炮孔聚能爆破技術(shù)能夠克服上述問題，提高光面爆破效果。在炮孔爆炸過程中，異形孔的切槽部位可實現(xiàn)應(yīng)力集中，爆破的能量釋放盡可能沿著指定方向傳播，因此可以控制爆破開挖的輪廓線。

對于切槽爆破，在國內(nèi)諸多學(xué)者基于斷裂力學(xué)理論、數(shù)值模擬為手段，對切槽孔和圓形孔進(jìn)行了對比分析。李清等［1］以ABAQUS軟件中XFEM分析法，模擬切槽爆破中不同方向裂紋擴(kuò)展，發(fā)現(xiàn)切槽方向處的爆生裂紋延伸速度顯著快于其他方向，其長度是其他方向的3倍；楊仁樹等［2］利用數(shù)字激光動態(tài)焦散線實驗系統(tǒng)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)切槽方向裂紋擴(kuò)展速度同樣比非切槽方向早10 μs。切槽裂紋的發(fā)展變化離不開力的變化，于是大量的國內(nèi)學(xué)者對切槽孔產(chǎn)生的裂紋與切槽孔產(chǎn)生的應(yīng)力之間的關(guān)系進(jìn)行了研究。學(xué)者們基于斷裂力學(xué)理論，提出了爆破中滿足斷裂控制的基本標(biāo)準(zhǔn)及巖石斷裂控制方式，驗證了切槽爆破的裂紋擴(kuò)展符合斷裂控制的基本原則，同時發(fā)現(xiàn)裂紋長度越長，其應(yīng)力強(qiáng)度因子值越大［3-4］。然而，盡管試驗和理論有了一定的發(fā)展，但切槽工序復(fù)雜，鉆孔效率低，因此隧道鉆爆法施工中應(yīng)用較少，亟須新的技術(shù)和理論。

1 異形炮孔聚能定向破巖機(jī)理

爆破是一個瞬間過程，極大的能量從單一或多種的傳遞形式作用在周圍巖體上，在此過程中常伴隨著力學(xué)效應(yīng)。爆破作用在巖體上的主要兩種形式為：爆轟沖擊波和爆轟壓力。異形炮孔的裂紋的發(fā)展主要受兩方面影響：

（1）沖擊波在傳遞過程中由于異形光爆孔的導(dǎo)向作用將尖端處的應(yīng)力波進(jìn)行了疊加，如圖1所示［5］。1#波與2#波的波速大小相同，兩波的交界處出現(xiàn)在異形光爆孔尖端前方。因此，當(dāng)爆炸產(chǎn)生的沖擊波從異形光爆孔傳播到巖石中，異形光爆孔尖端巖石主要受應(yīng)力波的影響，1#、2#應(yīng)力波在X方向為同向疊加，在Y方向上為反向疊加，等同于在Y方向作用力為拉力，所以在異形光爆孔尖端前方出現(xiàn)一個疊加拉伸區(qū)。當(dāng)該處的動態(tài)抗拉強(qiáng)度小于應(yīng)力波的應(yīng)力時，巖石從Y方向拉伸破壞，導(dǎo)致裂紋從異形光爆孔尖端前方起裂。

（2）爆炸后的沖擊波接觸到巖石后轉(zhuǎn)為應(yīng)力波，隨著應(yīng)力波的傳播，應(yīng)力波的大小隨時間和距離在逐漸減弱，當(dāng)其未達(dá)到巖石的動態(tài)抗拉強(qiáng)度時，裂紋的延伸就將中止，從而出現(xiàn)一段直接斷裂區(qū)。隨著應(yīng)力波的繼續(xù)傳播，雖然無法造成巖石的直接斷裂，但其大小卻能對巖石造成相應(yīng)的損傷破壞，不斷地沿著異形光爆孔尖端的方向發(fā)生破壞，從而產(chǎn)生相應(yīng)的定向損傷區(qū)，導(dǎo)致爆轟氣體的壓力作用在定向損傷區(qū)域。

考慮上述兩者的因素，異形炮孔裂縫范圍Rb的計算方式具體見式（1）：

Rb=（ΨP2/σt）1/αrb（1）

式中：Ψ——巖石的側(cè)向應(yīng)力系數(shù)；

P2——應(yīng)力波壓力值（Pa），P2=BK-απρeQEQTα2；

σt——巖石的抗拉強(qiáng)度（Pa）；

α——應(yīng)力波衰減系數(shù)α=2-μ/1-μ；

μ——巖石泊松比；

rb——炮孔半徑（m）。

2 異形炮孔爆破數(shù)值模擬

利用ANSYS/LS-DYNA軟件研究異形孔定向爆破的聚能導(dǎo)向作用。為簡化其模型大小，使能細(xì)化孔壁周圍巖石單元，建立了相應(yīng)數(shù)值計算模型，如圖2所示。異形光爆孔模型徑向截面圖徑向截面尺寸為3.6 m×3.6 m，炮孔直徑為4.4 cm。模型軸向尺寸為3.6 m×1 m，堵塞土、炸藥、水包、炸藥、巖石軸向厚度分別為20 cm，參見表1。

截取異形光爆孔爆破模型結(jié)果10 μs、40 μs、80 μs、120 μs的壓應(yīng)力云圖進(jìn)行分析（見圖3）。在10 μs時，炸藥開始引爆，炸藥產(chǎn)生的沖擊波均勻作用在孔壁上，孔壁周圍應(yīng)力大小在2.1～3.7 GPa這一區(qū)間。在40 μs時，幾乎沒有出現(xiàn)應(yīng)力分層現(xiàn)象，爆轟壓力和應(yīng)力波共同作用，應(yīng)力值從0.32～0.45 GPa衰減到0.2～0.36 GPa。在80 μs時，相比前兩者爆破方式，可以看到孔壁周圍波形成蝴蝶形，異形光爆孔尖端處和其他位置處的應(yīng)力不等現(xiàn)象，其差值最大為44 MPa，從而導(dǎo)致異形光爆孔尖端巖石出現(xiàn)相對位移，進(jìn)而發(fā)生巖石定向的拉伸破壞，同時初始應(yīng)力波快要到達(dá)邊界區(qū)域。在120 μs時，異形光爆孔處出現(xiàn)了應(yīng)力集中的現(xiàn)象，且能較為明顯地看到，隨著應(yīng)力波的傳遞，壓縮波和稀疏波間隔分布的現(xiàn)象。綜上對比分析，可以看出異形光爆孔應(yīng)力波傳播速度快，能量集中且消耗少。

3 異形炮孔鉆切一體化成孔技術(shù)

常規(guī)的切槽技術(shù)均為二次刻槽，即先利用氣腿鑿巖機(jī)進(jìn)行炮孔鉆孔，隨后拔出鉆桿再利用刻槽器進(jìn)行開槽。主要問題是增加了二次刻槽的工序，耗費時間，不利于快速掘進(jìn)。因此，研發(fā)了鉆切一體化技術(shù)，即在氣腿鑿巖機(jī)鉆孔過程同時實現(xiàn)鉆孔和切槽，該技術(shù)克服了二次刻槽的耗費時間的問題，縮短了鉆孔時間。異形切槽炮孔的鉆切技術(shù)增加了周邊眼的數(shù)量，顯著降低鉆孔時間，提升效率。試驗對比了采用異形炮孔的定向聚能爆破效果與常規(guī)圓形炮孔的光爆效果，可以看出異形切槽孔光爆技術(shù)可以降低超挖50%左右，具有較好的應(yīng)用效果。

4 結(jié)語

本文基于理論和數(shù)值分析闡釋了異性切槽炮孔在爆破過程中的定向聚能機(jī)理和爆破效果。異形孔切槽的技術(shù)可實現(xiàn)爆破能量的導(dǎo)向作用，利用切槽口相對方向可使周邊眼的爆破輪廓線更符合設(shè)計，在成孔過程中可實現(xiàn)鉆孔切槽一次成型，既減少了周邊眼數(shù)量，又增加了鉆爆效率，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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