不同因素對水下鉆孔爆破效果的影響研究

摘要：起爆點(diǎn)的位置和孔網(wǎng)參數(shù)對水下巖石鉆孔爆破的爆破效果有較大影響。為了掌握各因素對水下巖石鉆孔爆破效果的影響規(guī)律，文章通過建立不同工況的有限元數(shù)值模型，對比分析了各工況的峰值應(yīng)力和經(jīng)濟(jì)成本。研究表明：不同起爆方式下被爆巖石的應(yīng)力最大值隨著高度的增加，表現(xiàn)為先增大后逐漸減小的趨勢，不同起爆方式下巖石均能產(chǎn)生破碎且應(yīng)力最大值較為接近，表示起爆方式對巖石爆破效果影響較小，在實(shí)際工程中可根據(jù)具體情況選擇起爆方式；對各孔網(wǎng)參數(shù)工況的爆破效果進(jìn)行對比可知，在確保爆破效果前提下最為經(jīng)濟(jì)的孔網(wǎng)參數(shù)為填塞長度1.2 m、排距和孔距均為2.4 m、起爆方式為孔底起爆。

關(guān)鍵詞：孔網(wǎng)參數(shù)；水下巖石鉆孔爆破；有限元數(shù)值模型；應(yīng)力

中圖分類號：U615.6

0 引言

航道工程是水利工程中的重要組成部分，涉及航道的疏浚、整治和建設(shè)等方面。在航道工程中，水下鉆孔爆破技術(shù)是一種重要的工程技術(shù)手段，主要用于航道的炸礁、挖槽、筑壩、疏浚等工程中。水下鉆孔爆破技術(shù)的基本原理是利用鉆機(jī)在巖石或土壤中鉆孔，然后裝填炸藥進(jìn)行爆破，以此達(dá)到有效破碎巖石或土壤，實(shí)現(xiàn)工程施工目標(biāo)［1-2］。盡管在航道工程中水下鉆孔爆破技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，但是在實(shí)際應(yīng)用中也存在一些問題，如鉆孔效率低、爆破效果不理想、存在安全隱患等。其中，地質(zhì)條件、鉆孔角度、鉆孔深度、炸藥孔網(wǎng)參數(shù)等因素對爆破效果具有重要影響。因此，需要針對不同的情況選擇合適的參數(shù)，以提高爆破效果、安全性以及經(jīng)濟(jì)性［3-4］。隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，建設(shè)了大量的港口、碼頭以及航道，使得航道治理、炸礁等工程逐漸增加。與此同時(shí)，水下鉆孔爆破工程也表現(xiàn)出應(yīng)用廣、用藥量大的趨勢。但水下鉆孔爆破作業(yè)的實(shí)施受到水介質(zhì)的影響往往比較困難與復(fù)雜，對水下爆破方案的制定和設(shè)計(jì)也有著較高的標(biāo)準(zhǔn)和要求，如果選擇不合理的孔網(wǎng)參數(shù)，則會嚴(yán)重影響爆破效果，最終增加工程成本，影響工期［5］。所以，在航道治理水下鉆孔爆破時(shí)要優(yōu)化孔網(wǎng)參數(shù)，在確保巖石爆破效果的前提下降低工程造價(jià)。姚方明等［6］為了降低水下鉆孔爆破的有害效應(yīng)，通過對水擊波超壓峰值、鉆孔爆破數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出了水下鉆孔爆破震動衰減趨勢。丁群［7］以實(shí)際項(xiàng)目為例，分析了水運(yùn)工程中鉆孔爆破技術(shù)的應(yīng)用效果。

基于此，本文為了掌握各因素對水下巖石鉆孔爆破效果的影響規(guī)律，通過建立不同工況的有限元數(shù)值模型，對比分析了各工況的峰值應(yīng)力和經(jīng)濟(jì)成本，得出了性價(jià)比最高的爆破孔網(wǎng)參數(shù)，為類似工程提供指導(dǎo)和借鑒。

1 工程概況

擬建來賓西過境線公路跨紅水河大橋于來賓市興賓區(qū)良江鎮(zhèn)塘權(quán)村附近跨越紅水河，擬建橋址上距遷江鎮(zhèn)橋鞏樞紐約11.5 km；下游距來賓市興賓港區(qū)賓港作業(yè)區(qū)約15.5 km、紅水河與柳江匯流的石龍三江口約88.5 km、黔江大藤峽水利樞紐約200.9 km；擬建橋址所在紅水河河段屬于大藤峽水利樞紐庫尾回水變動區(qū)。本橋區(qū)航道按規(guī)劃ⅠⅡ級航道通航2 000噸級船舶單孔雙向通航設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)航道尺度為（4.0×128×600） m（水深×寬度×最小彎曲半徑），航標(biāo)為一類航標(biāo)配布，夜間發(fā)光，晝夜通航配布，并具有遙控遙測（RTU）功能，以及建設(shè)相應(yīng)的配套工程。本工程內(nèi)容包括：航道整治、助航標(biāo)志配布及橋梁警示標(biāo)志設(shè)置等。在航道治理過程中，采用水下鉆孔爆破來清除水下巖石。

2 建立水下鉆孔爆破數(shù)值模型

2.1 基本假設(shè)

由于實(shí)際工程中水下巖石鉆爆時(shí)的影響因素較多，研究鉆爆效果時(shí)無法將所有因素考慮在內(nèi)，為了便于計(jì)算，簡化合并了一些因素后做出了如下假設(shè)：炸藥形狀為長方體，乳化炸藥參數(shù)通過大量試驗(yàn)驗(yàn)證得到；不考慮水體流速、水介質(zhì)阻力的影響；沒有建立空氣模型，通過在水介質(zhì)模型表面施加標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的方式來模擬空氣的影響；忽略將巖石等效為連續(xù)彈塑性體，忽略其裂隙、節(jié)理等構(gòu)造；把水視為填塞介質(zhì)。

2.2 模型的建立

為了提高模型計(jì)算速度和精度，參考對稱性原則將炮孔中軸線作為軸線建立1/4模型，如下頁圖1所示。模型具體包括了填塞物、被爆巖石、水介質(zhì)以及炸藥。模型里巖石的厚度和水深分別為4 m和2.5 m，炮孔深度和直徑分別為2.5 m和100 mm；1 m為填塞長度，炮孔內(nèi)其他空間為炸藥；選擇三角形的形式布設(shè)炮孔，排距和孔距均為2 m。模型中為了保證應(yīng)力有效傳遞于固體、流體之間，按照流固耦合的方法對流體和固體進(jìn)行連接；在底面設(shè)置Z、Y、X軸的角約束和線約束，避免應(yīng)力波不會在底面出現(xiàn)反射而對計(jì)算結(jié)果造成影響；在兩個(gè)對稱面上設(shè)置對稱邊界，另外兩個(gè)面設(shè)置為無反射邊界。模型選擇六面體單元建立實(shí)體，1 500 us為模型終止計(jì)算時(shí)間。

3 不同因素對被爆巖石應(yīng)力響應(yīng)的影響

3.1 起爆方式的影響

為分析起爆點(diǎn)部位對水下巖石爆破效果的影響，在模型中設(shè)置3種爆炸工況進(jìn)行了模擬計(jì)算，起爆點(diǎn)具體部位見圖2。具體工況見表1。同時(shí)以炮孔底部為起點(diǎn)，在粉碎區(qū)內(nèi)設(shè)置了10個(gè)監(jiān)測單元，監(jiān)測巖石的應(yīng)力狀態(tài)，并用Von Mises應(yīng)力進(jìn)行表示。粉碎區(qū)內(nèi)各監(jiān)測單元處于同一垂線上，30 cm為兩監(jiān)測單元間的距離，位于孔壁附近，計(jì)算得到的巖石各監(jiān)測點(diǎn)單元Von Mises應(yīng)力見圖3。

從圖3能夠看出，在粉碎區(qū)周圍，不同工況下被爆巖石的應(yīng)力最大值隨著高度的增加，表現(xiàn)為先增大后慢慢減小的趨勢。這是因?yàn)楸ú▊鬟f到填塞物時(shí)出現(xiàn)反射且強(qiáng)度逐漸減小，在此高度時(shí)各工況的應(yīng)力最大值均有不同程度的減小。對于工況C，應(yīng)力最大值出現(xiàn)在高度130 cm處，與炸藥上部位置相對應(yīng)，2.27 GPa為其應(yīng)力最大值；對于工況B，應(yīng)力最大值出現(xiàn)在高度80 cm處，與炸藥中部位置相對應(yīng)，2.41 GPa為其應(yīng)力最大值；對于工況A，應(yīng)力最大值出現(xiàn)在高度105 cm處，與炸藥中上部位置相對應(yīng)，2.15 GPa為其應(yīng)力最大值。由此能夠發(fā)現(xiàn)，3種工況下巖石的應(yīng)力最大值相差不大，但均能夠使巖石產(chǎn)生破碎，在實(shí)際工程中可根據(jù)具體情況選擇起爆方式。

3.2 填塞參數(shù)和孔網(wǎng)參數(shù)的影響

孔網(wǎng)參數(shù)和填塞長度對水下巖石爆破的成本和效果影響較大，為了得出性價(jià)比最高、爆破效果最好的孔網(wǎng)參數(shù)，此次設(shè)置了8種工況，以對比分析其爆破效果和成本。具體見表2。

因?yàn)榭拙W(wǎng)參數(shù)的不同使模型尺寸有所差異，故為了保證監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性，各工況模型監(jiān)測單元都設(shè)置在炮孔所形成的三棱柱的中心軸線周圍，高度均為35 cm、85 cm、135 cm、185 cm、235 cm。基礎(chǔ)工況為排距、孔距和填塞長度最小的工況 通過與其余工況進(jìn)行對比，分析各工況的起爆效果和成本，并通過增大排距、孔距和填塞長度的方式來控制成本，以此得出性價(jià)比最高的孔網(wǎng)參數(shù)。

工況1～工況3不同監(jiān)測單元的應(yīng)力最大值變化曲線見圖4。從圖4能夠看出，工況1下各監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)力最大值均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于巖石的動態(tài)抗拉強(qiáng)度（30 MPa），能夠使巖石完全被破壞。但此種工況消耗的炸藥過多，成本過高，可通過兩種方式降低成本：（1）提高填塞長度減少炮孔內(nèi)的裝藥量，即工況2；（2）提高孔距在整體上降低裝藥量，即工況3。由圖4可知，在只提高填塞長度時(shí)，監(jiān)測點(diǎn)高度lt;135 cm時(shí)的應(yīng)力峰值有小幅度提高，出現(xiàn)此現(xiàn)象是因?yàn)楹线m的填塞長度能夠提高約束炸藥爆炸作用的能力，延長炮孔中高壓狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間，增強(qiáng)爆炸效果；監(jiān)測點(diǎn)高度gt;185 cm時(shí)的應(yīng)力峰值有明顯降低，降低幅度達(dá)到36.8%，但也能夠使巖石出現(xiàn)破碎。同時(shí)，從圖4中能夠得知，工況2各測點(diǎn)應(yīng)力峰值在僅提高孔距時(shí)均有一定程度的降低，出現(xiàn)此現(xiàn)象是因?yàn)殡S著傳播距離的增加，爆轟波出現(xiàn)了衰減，模型尺寸調(diào)整后增大了監(jiān)測單元與炸藥間的距離。

但比較后發(fā)現(xiàn)，工況2、3各測點(diǎn)應(yīng)力峰值仍遠(yuǎn)大于巖石的動態(tài)抗拉強(qiáng)度，故為了再次降低成本，以工況3為基準(zhǔn)，提高填塞長度到1.2 m，即工況4；提高排距到2.4 m，即工況5，并對比工況3～工況5的測點(diǎn)應(yīng)力值，具體見圖5。

從圖5中能夠看出，在提高填塞長度到1.2 m時(shí)（工況4），監(jiān)測點(diǎn)高度lt;135 cm時(shí)的應(yīng)力峰值有小幅度提高，監(jiān)測點(diǎn)高度gt;185 cm時(shí)的應(yīng)力峰值有明顯降低，降低幅度達(dá)到40.5%，這一規(guī)律和工況2較為接近。同時(shí)能夠得到，各測點(diǎn)應(yīng)力峰值在僅提高排距到2.4 m（工況3）時(shí)均有一定程度的降低，這一規(guī)律和工況3較為接近。由上述所得，工況4、5計(jì)算出的各監(jiān)測單元應(yīng)力峰值仍大于巖石的動態(tài)抗拉強(qiáng)度。

由于工況5計(jì)算結(jié)果中，監(jiān)測單元在35 cm的應(yīng)力值為31.4 MPa，與巖石的動態(tài)抗拉強(qiáng)度較為接近。故再以工況5為基準(zhǔn)，提高填塞長度到1.2 m，即工況6；提高孔距到2.8 m，即工況7，并對比工況5～工況7的測點(diǎn)應(yīng)力值，具體見圖6。

從圖6中能夠看出，工況6各檢測單元應(yīng)力變化趨勢與工況2接近，各測點(diǎn)應(yīng)力最大值均大于巖石的動態(tài)抗拉強(qiáng)度。而工況7在35 cm處的監(jiān)測單元應(yīng)力峰值為28.9 MPa，小于巖石的動態(tài)抗拉強(qiáng)度，故不能使巖石發(fā)生破碎，雖然成本較低，但不滿足工程要求。由上述所得，對不同工況下各監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)力峰值進(jìn)行了對比分析，在保證巖石爆破效果的前提下，最經(jīng)濟(jì)的爆破孔網(wǎng)參數(shù)方案為工況6，即填塞長度為1.2 m、排距和孔距均為2.4 m，起爆方式為孔底起爆。

4 結(jié)語

為了掌握起爆方式、孔網(wǎng)參數(shù)對水下巖石鉆孔爆破效果的影響規(guī)律，本文通過有限元軟件建立數(shù)值模型，設(shè)置不同工況對比分析了各工況的峰值應(yīng)力和經(jīng)濟(jì)成本，主要得出以下結(jié)論：

（1）不同起爆方式下被爆巖石的應(yīng)力最大值隨著高度的增加表現(xiàn)為先增大后逐漸降低的趨勢，且3種起爆方式下巖石的應(yīng)力最大值相差不大，均能夠使巖石產(chǎn)生破碎，在實(shí)際工程中可根據(jù)具體情況選擇起爆方式。

（2）通過調(diào)整排距、孔距和填塞長度的方式來降低成本，對各孔網(wǎng)參數(shù)工況的爆破效果進(jìn)行對比，得出在確保爆破效果前提下最為經(jīng)濟(jì)的孔網(wǎng)參數(shù)為填塞長度1.2 m、排距和孔距均為2.4 m，起爆方式為孔底起爆。

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收稿日期：2023-10-16

作者簡介：韋 凱（1989—），工程師，研究方向：水運(yùn)工程施工及船舶管理。