水下爆破聚能药包设计与布设工艺

陈寿峰，刘殿书，薛士文，聂一杰，王永桓，张 雷

（中国矿业大学（北京）力学与建筑工程学院，北京 100083）

在远离大陆水深小于2.0m的岛礁工程中，受风浪、潮汐变化影响，钻孔爆破受到制约，而聚能爆破无需钻孔机械，布药机动灵活，效率高［1］。水下聚能药包设计研究主要包括：1）合理选择和确定装药的品种类型、装药高度及装药当量；2）合理选择和确定聚能罩的材质、外形及尺寸等技术参数；3）聚能罩隔水设计；4）聚能药包组装成型设计。潜水布设聚能药包工艺简单、安全可靠［2］。

1 聚能爆破机理分析

1.1 聚能爆破破岩机理分析

聚能爆破破碎岩石不同于普通的聚能射流侵彻过程，二者作用的主要区别在于：射流侵彻过程中起作用的主要部分是聚能爆破形成的高速金属射流；而聚能爆破破岩过程则可以看作是聚能射流和集中药包接触爆炸的共同作用，高速金属射流、金属罩压垮形成的速度较低的杵体以及炸药在试件表面的接触爆炸都起着非常重要的作用［3］。

聚能爆破破岩过程大致可以分为4个阶段［4］。第一是冲击波作用阶段，爆炸后的冲击波作用于和炸药直接接触的岩石表面，产生极大的压力，使岩石发生破坏。第二是聚能射流开坑阶段，聚能射流头部碰击静止的岩石，产生百万大气压的压力。从碰撞点向岩石和射流中分别传入冲击波，岩石自由界面处崩裂，岩石和射流残渣飞溅。第三是射流侵彻准定常阶段，射流对处于三高区状态的岩石穿孔，射流的能量分布变化缓慢，破岩参数和穿孔直径都变化不大。第四是杵体及应力波作用阶段，此阶段金属射流速度已相当低，岩石强度的作用愈来愈明显，破岩速度和扩孔能力明显下降，后续射流推不开前面已经释放能量的射流残渣，射流的破岩作用基本停止［5］。

1.2 金属射流穿孔机理分析

聚能装药爆炸后，爆轰波的波阵面沿金属罩外表面通过，爆轰产物高温、高压、高速地压迫金属罩向其对称轴方向运动，并在对称轴上发生碰撞，形成高温、高速、高能流密度的金属聚能射流，具有强大的穿透作用［6］。

金属射流头部碰撞岩石，可产生百万大气压的压力，随后在岩石中形成高温、高压、高应变率的三高区域，射流相继对处于三高区的岩石穿孔，碰撞压力下降到2.026×106～3.039×106Pa。而一般岩石的抗拉强度只有1～36MPa，即使最坚硬的花岗岩，极限抗压强度也远小于聚能射流的压力，因此聚能射流可以在极坚硬的岩石上穿一个较深的孔。金属射流以极大的冲击压力射孔，并不能消耗其全部能量，在射流穿孔过程中，部分能量同时产生侧压力，具有扩大孔径的作用。

当相邻成组聚能装药同时起爆后，聚能金属射流将同时以极大的压力射向岩体。在射流和侧压力作用下，应力波在相邻炮孔间还会发生应力叠加和应力集中作用，增强爆破的破岩效果［7］。

2 聚能装药设计

2.1 炸药选择

炸药的爆炸威力对聚能装药的爆破破碎效果有很大的影响。理论分析和实验研究表明：影响穿透和破碎威力的主要因素是爆压；随着爆压的增加，穿透深度和破碎体积都增加；爆速高的炸药爆压也高。根据爆压的一般计算公式可知，爆压跟炸药密度的一次方、爆速的二次方成正比。而炸药密度又对炸药爆速有很大影响。因此，应保证一定的装药密度，并保证稳定的高爆轰速度［8］。

另外，根据岛礁工程环境特点，炸药必须满足两方面的要求：一是必须具有良好的防水性能；二是在高温、高盐、高湿环境条件下要求爆轰性能稳定。为提高聚能爆破破岩穿透深度效果，经与炸药厂研究和改良配方，发现采用密度大于1.20g／cm3，爆速达到6 500m／s以上的高性能岩石乳化炸药可以满足聚能破岩的要求。

2.2 聚能罩设计

2.2.1 聚能罩材质

聚能罩的作用是把炸药的爆炸能转化为罩体的射流动能，从而提高其穿透和切割能力。聚能罩的材料必须满足4点要求，即可压缩性小、密度高、塑性和延展性好、在形成射流过程中不会汽化［9］。

聚能装药穿孔时，采用不同材质的聚能罩的穿孔效果不一样。紫铜材质的聚能罩的穿孔深度最大，其后依次为铸铁、钢、硬铝、陶瓷等。采用聚能装药爆破岩石可以增大破碎深度，但破碎范围减小了，这符合能量平衡原理。聚能爆破破碎效果不仅要有适宜的深度，而且需要有一定的破碎范围，而不是单纯追求破碎深度［10］。从这一点看，聚能流很强的金属紫铜未必是最佳选择。也可以采用普通的金属材料，如生铁、钢、铝。考虑到材料加工和成本等因素，大量水下聚能爆破时采用硬铝作为聚能罩材料，设计厚度取1.0～2.0mm。

2.2.2 聚能罩形状

聚能罩的剖面形状有角锥形、半球形、半椭圆形、抛物线形、双曲线形和喇叭形，常用的有圆锥形和半球形聚能罩。半球形聚能罩形成的射流比圆锥形聚能罩的粗，但其射流速度略低。试验发现，对于破碎中等强度的介质，使用半球形聚能罩破碎效果较好［11］。穿孔或破碎岩石的聚能装药是轴对称的。从加工工艺来说，铝质聚能罩采用半球形加工比较方便。且半球形聚能罩与圆锥形的相比，穿孔的孔径比较大，也就是说，在破碎岩石时，其破碎范围会稍大，锥形罩的破碎深度较深。因此，聚能罩形状设计为半球形与锥形复合形状，如图1所示。

2.2.3 支架高度与隔板

研究表明，水深2.2m不变时，随着药包深度从0.1m至1.5m增加，水底岩土中的爆破破碎漏斗直径和深度都逐渐增大［12］。就是说一定条件下药包越接近爆破介质，则破碎范围和体积增大。聚能装药爆炸时，装药与靶板间保持一定的距离，称为炸高。与最大穿孔深度相对应的炸高，称为有利炸高。但考虑到水下的装药隔水问题，同时考虑加工药包便利以及药包安放的稳定性，综合考虑确定支架高度为零，即药包直接置于需要爆破岩石的水平表面上。

隔板的作用是改变爆轰波的传播路线，从而控制爆轰波到达聚能罩的时间。因而在一定条件下，隔板能提高聚能装药的穿透作用。同时，隔板的作用大小与药包外壳有一定关系，研究和试验发现在有外壳约束的条件下，从爆破横向体积考虑，增加隔板有时起不到增强爆破穿孔的作用或作用不是很明显。因此，从整体考虑聚能装药设计中不设隔板。

图1 半球形-锥形复合型聚能罩设计Fig.1 Hemispherical-tapered composite shaped cover design

2.3 聚能装药成型设计

在装药底部安设好聚能罩就形成聚能核心体，一定当量的聚能核心体已经具有射孔破岩威力。为方便运输与使用，聚能装药组装成型方面必须做好核心体装药高度设计、聚能穴隔水和聚能装药径向约束设计，要求加工运输安全可靠、现场使用方便简单，以提高施工工效［13］。本文提出一种24kg聚能药包设计方案，见图2。

图2 24kg聚能药包设计图Fig.2 24kg shaped charge design

2.3.1 核心弹体装药高度设计

考虑到爆破的目的不仅仅是穿孔，因此药包高度不宜过大。按药包直径大约为高度的0.74～0.95倍设计药包［14］。

2.3.2 聚能穴隔水设计

针对设计选用的不同当量的聚能药包，根据炸药密度，专门设计、加工带盖的聚乙烯塑料桶，将核心体直接在炸药厂装填、压铸到桶内。为达到聚能穴隔水的目的，在核心弹体与塑料桶之间布设1层塑料布，将核心弹体包裹密封。将聚能装药药包在炸药厂组装成一体，克服了炸药、聚能穴和包装桶分开运输不便的问题，现场直接将雷管插入设计好的雷管孔内，套好配重即可方便使用。

2.3.3 聚能弹径向约束与配重设计

增强药包的径向约束，在没有隔板的情况下，对提高聚能装药爆破效果非常有利，有利于爆炸能量的充分利用。根据计算和现场使用条件，确定采用一定壁厚混凝土管壳作为径向约束，同时也起配重的作用。考虑爆破的安全性，现场应用中选用35～40mm厚的C50混凝土管壳作为径向约束及配重，实例照片见图3。

图3 混凝土管壳配重的聚能药包Fig.3 Concrete shell counterweight shaped charge

3 聚能弹布设工艺

南海珊瑚礁盘低潮时大部分露出水面，高潮时水深1.5～2.0m左右，适于潜水员水下作业，因此采用潜水敷设法布设聚能弹。具体工艺如下。

3.1 测量放标

采用GPS准确定位，现场放标圈定出爆破开挖区域上口线与下口线，确定爆破范围。

3.2 布药小艇导驳

小艇吃水深度较小，机动灵活，每次将10个左右装配好雷管的聚能弹运至布药区域机动待命。每个小艇安排2人，1人负责操船，1人负责给潜水员传递药包。为防止布药时出现混段，每个小艇一次只能导驳一个雷管段别的聚能弹。

3.3 药包布设

聚能弹布设前，潜水员在爆破范围内水底最少铺设2条测绳。其中1条平行于航道中线，另1条垂直于中线，长度不小于10m。并且在测绳上按设计的间排距做好标记，并将标记处的泥沙、碎石清理干净，目的是确保水下布药定位准确、接触牢靠。

测绳布设完毕后，潜水员将小艇上的聚能弹逐个安放在测绳做好的标记处，并压沙袋等重物固定。

3.4 检查调整

对于地形平坦的地段，聚能弹布设按设计的雷管段别逐排进行。对于沟壑地形，可以根据地形条件适当调整聚能弹的位置，尽可能将其布设在沟壑中，可以提高爆破效果。

4 工程应用

南沙群岛位于中国南海南部，是扼太平洋通往印度洋海上航线的咽喉，具有重要的军事、航运价值。中国的南海诸岛几乎全部是由珊瑚礁构成的，其基本特点是疏松、多孔、低硬度、低强度以及脆性。珊瑚礁岩样的单轴受压变形破坏过程与其内部原生裂隙的压密，新裂隙的产生、扩展、贯通等演化过程密切相关，实际破坏形式较复杂。随着珊瑚礁岩石密度的增大，岩石的纵波波速有着显著的增长［15］。而饱水前后珊瑚礁的纵波波速也有变化，饱水后的纵波波速要比干燥状态下有所下降。岩石初始损伤、含水率以及含泥量是影响珊瑚礁强度的主要因素。

在西南中沙渔业补给基地及交通工程中，采用上述聚能装药设计原理，研究开发了8，12，16和20kg系列聚能弹，并采用潜水布药工艺和电雷管-导爆索-导爆管雷管混联网路的起爆方法，成功完成复杂环境条件下15万m3的航道与港池爆破开挖任务。

5 结 语

水下聚能爆破无需钻孔设备，施工工艺简单，安全可靠，无需大型设备，受风浪与潮汐变化影响小，在岛礁爆破工程中效率较高。根据不同环境条件，选用不同规格的聚能药包，潜水员根据地形特点机动灵活地布置药包，可提高爆破效果。

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