双向聚能光面爆破周边眼参数确定的新方法

耿大新，陶彪，于洋，黄龙华



双向聚能光面爆破周边眼参数确定的新方法

耿大新，陶彪，于洋，黄龙华

(华东交通大学 土木与建筑学院，江西 南昌 330013)

爆破时周边眼属于两端封闭结构，从经典的薄壁内压圆筒理论着手，推导应变能方程与聚能状态下能量分配关系，根据破坏准则对该法周边眼参数进行设计，提出一种隧道聚能光面爆破周边眼参数的确定方法。以张家界吴家边隧道为例，利用此新方法计算其周边眼参数，并结合现场实际的光爆效果，探讨该方法的可行性和计算精度问题。研究结果表明：当聚能装置上聚能缝宽度增大时，往聚能切缝缝两侧汇聚的能量越多，周边眼炮孔间距越大，相同药量作用下破岩效果更佳；聚能影响因素增大时，即聚能装置刚度越强，可使周边眼间距显著增大。若取相同周边眼间距，在有聚能装置存在的情况下可减少炸药用量来达到相同光爆效果；围岩等级越高，岩石抗拉强度越强时，周边眼间距明显减小，随聚能影响因素增大，周边眼间距略有增加。在使用该方法计算周边眼间距时，爆破后产生的残余炮孔占95%左右，光面爆破效果良好，可为类似工程提供参考。

周边眼间距；应变能；聚能管；光面爆破

一般光面爆破采用不耦合装药，不耦合装药时，爆轰波首先压缩聚能管与岩壁之间间隙内的空气，引起空气冲击波，而后再由空气冲击波作用于岩壁[1]。但是这种方法不能避免孔壁周围产生的随机径向裂缝，因此常常不能获得理想的光爆效果。聚能光面爆破是在周边炮眼采用聚能装置装药，使炸药爆炸能量集中，岩体沿开挖轮廓线爆出。聚能光面爆破采用特殊的装药结构，如图1所示。以PVC管为聚能装置，在聚能装置中部上下两侧切割2条通透缝，有切缝处无间断均匀的填充乳化炸药。尾部空出适当距离填充炮泥，形成两端封闭结构，使炸药爆炸时释放的能量可沿着切缝槽穴汇集，在切缝槽穴处产生具有超强穿透能力的高压、高温射流。从而对岩石进行切割，获得较为平整的轮廓面。现阶段，爆炸聚能效应控制岩石定向断裂的研究大都集中在切缝药包、孔内定向断裂等方面。国内外已有许多学者做了相关研究。王树仁等[2−3]通过实验以及建立相应的模型探究来聚能爆破机理、爆破力学行为与其在工程中的运用。在以往的光面爆破中，周边眼的参数往往是同实践经验类比推出的，如：当炮眼直径为32~40 mm时，周边眼间距为320~700 mm。罗勇等[4]按岩石裂纹拓展力学原理，考虑炸药直径，不耦合装药系数，裂隙尖端的应力强度因子等作用的影响，提出新的装药预裂切缝的方法。徐振洋等[5]利用光滑粒子流体动力学方法对有利炸高进行选取，验证了劈裂形态控制的可行性。在试验方面，刘健等[6−7]对定向聚能爆破下应力特征以及裂缝发展进行研究，表明在聚能爆破下产生的裂缝长度远大于非聚能方向。郭德勇等[8]对坚硬顶板下的聚能爆破分析了射流侵彻现象。YANG等[9−10]进行试验，先后分析了切缝药包解耦装药时的爆破动态断裂特性与对爆破参数选取进行优化，使之获得良好的爆破效果。LI等[11−12]进行了切缝药包爆破现场实验，分析了开槽焊缝的累积效应，通过对比实验确定了侧孔最佳爆破装置和装药结构。大多数学者分析了聚能光面爆破下的力学特征，应力分布形式以及裂纹发展等。对于周边眼参数计算往往根据爆炸后的光面效果进行调整，缺乏准确的计算方法。为此建立一种计算有聚能装置影响下的周边炮孔间距准确算法，不仅具有理论意义并且更具实用价值。本文首先从经典的薄壁内压圆筒理论着手，推导出应变能方程，通过与传统爆破下产生的能量相同相对比，提出一种隧道聚能光面爆破周边眼参数的确定方法。并以张家界吴家边隧道为例，利用此新方法计算其周边眼间距，结合对比现场的光面爆破效果与传统光面爆破参数，从而对此方法准确性进行评价。并予其他类似隧道爆破工程参考。

图1 聚能光面爆破装药结构

1 理论推导

1.1 聚能光面爆破力学分析

由爆破后产生能量的特点可知，炸药能量是沿四周均匀传递的。为分析问题方便起见，假定炸药爆炸时对岩壁的压力是作用在一个两端封闭的薄壁圆柱形圆筒内，爆轰产物的传播是在圆筒内均匀传播，爆轰产物在容器内产生的内压为，根据隧道爆破技术平均轰压理论，可以近似给出孔壁受到的内压与炸药密度，爆速及其体积的关系[14]：

在求作用于岩壁载荷时，假定爆炸产物在间隙内的膨胀为绝热膨胀，其膨胀规律3等于常数，遇岩壁激起冲击压力，并在岩石中引起爆炸应力波；忽略间隙内空气的存在(间隙较小)；爆轰产物开始膨胀时的压力按平均爆轰压力m计算。其中0为炸药密度；为炸药爆速；c为炸药体积；b为炮孔体积；b为炮孔直径；c为炸药直径；b为炮孔长度；c为装药长度，爆轰产物撞击炮孔岩壁时，压力将明显增大，为增大倍数8~11。此时炮孔壁受到的爆轰压力可表示为

1.2 聚能光面爆破能量分配与其内压分布特点

(a) 一般状态下；(b)聚能状态下

图2 2种不同状态能量的扩散形式

Fig. 2 Spread of the two different state energy forms

将式(5)代入式(3)，得到：

在聚能状态下装置积蓄的应变能可分为2部分，一部分由内压2产生，因2仅为沿着聚能缝两侧的集中内压，此状态下的单元体处于单轴受拉状态，故可得应变能方程：

将式(7)整理可得：

另一部分由内压1而产生，类比于一般状态下爆破产生的应变能，将应力状态方程代入式(3)：

通过整理可得：

再将式(6)，(8)和(10)代入式(4)，即可将内压1和2用函数表示如下：

可以满足聚能装置影响因素刚度条件，在=0时，内压向四周均匀分布，往聚能切缝扩散的内压2=0。当=1时，完全刚性，内压完全向缝两侧扩散，向四周扩散的内压1=0：

=0时，1=，2=0

=1时，1=0

1.3 坐标系定义

对于柱形炮孔结构，将其简化成圆形。采用极坐标系，表示计算点距离炮孔中心的距离，为极角，表示聚能缝宽度所对应的圆心角，如图3 所示。

图3 坐标系定义

如图4所示，将内压1作用分为和2个方向。沿轴产生作用力是作用在围岩侧对岩石的压力，沿轴正向产生作用力是作用在临空面一侧对岩石的拉力。而在轴负向的作用力在岩体内相抵消。此时将内压1等效为沿轴正向0°~90°均匀扩散的压力1，可表示为

沿聚能缝汇集的内压2产生的压力为

图4 周边眼间的岩壁受力状态

由1作用产生的拉应力可表示为

另一部分，根据岩石力学中劈裂试验可知岩石在一对径向的集中压力作用下，会产生与集中力垂直的一对拉应力。集中力2通过聚能缝作用在两炮孔间的岩壁上，这部分岩石先受挤压，然后在轴方向产生拉应力2如图5所示。

拉应力2可用式(15)表示：

1.4 聚能光面爆破断裂机理

当炸药爆炸产生的能量作用于岩石而产生的拉应力大于岩石的极限抗拉强度时，岩石将沿受拉面破坏。岩体在炮孔壁上发生拉断破坏，根据孔壁压力分布状态可知，必然首先发生在聚能装置的切缝区域内，从而可以建立其破坏条件：

式中：p为岩体的极限抗拉强度；为炮孔壁上的最大向拉应力。

爆轰波首先压缩聚能管与岩壁之间间隙内的空气，引起空气冲击波。在聚能管开缝的地方爆破能量优先释放产生定向的集中力，在未开缝的地方产生非定向的均布力。若炮孔间距取值合适，由2种力的叠加作用可形成两炮孔间的贯通裂缝。

2 工程运用

2.1 不同因素对周边眼间距的影响

周边眼的间距e与光面层厚度的关系通常用密集系数来表示，其大小对光面爆破效果有较大影响，通过理论和实践证明了光面爆破炮眼间距与光面层厚度之比取0.8较为适宜，因此，光面层厚度为[15]

根据工程的实际情况，表达式中各参数的值如表1所示。

表1 各参数的值

将表1各参数值代入表达式，取不同值，可以得到周边眼的间距与光面层厚度随聚能影响因素变化的关系，如图6所示。

图6为聚能影响因素对周边眼参数的影响。从曲线上看，在一定范围内随着聚能影响因素增大，聚能装置刚度越大，能量扩散越集中，周边眼间距也随之扩大。当由0增大至0.1时，周边眼参数有一显著增大过程，此现象表明聚能装置从无到有，对周边眼间距有较大影响，聚能装置的运用极大地增加了炸药的利用率，提高了爆破效率。当=1时，聚能装置完全刚性，周边眼间距会小幅下降，其原因可能是由于爆轰产物完全向聚能缝两侧汇聚，对岩体产生的拉应力略小于非完全刚性时2种拉应力的叠加。

图6 周边眼间距随聚能影响参数变化曲线

图7 聚能缝宽度对周边眼间距的影响

图8 不同抗拉强度对周边眼间距的影响

图8反应了不同围岩下的抗拉强度对周边眼间距的影响。图中曲线表明随岩石的抗拉强度增大周边眼间距明显减小。在=0无聚能效果时，岩体抗拉强度越大，相同药量下的周边眼炮孔间距越小，爆轰产物作用的范围越小。当围岩等级比较差，抗拉强度较低时，周边眼间距显著增加。此时，增加，聚能效果越强，周边眼间距增长速率也相较于/p=0.3，/p=0.5时的曲线越大。

2.2 双向聚能爆破实际工程运用效果

为了验证该周边眼算法在实际工程中的应用效果，在张家界吴家边隧道进行了实验研究，吴家边隧道位于张家界市永定区吴家边西北侧低山丘陵区，其设计为双线铁路隧道，隧道内围岩主要以Ⅲ和Ⅳ为主，其中Ⅲ级围岩占隧道总长的68%。拟采用PVC管所制聚能装置，其聚能影响因素暂取=0.1，根据算法所得周边眼间距为55 cm，炮孔长3.5 m，聚能装置长2.9 m，炮泥长35 cm，聚能装置设置两道切缝了，相互贯穿，长度为200 cm。未使用聚能爆破时，Ⅲ级围岩最大超挖量50 cm，平均超挖量为20 cm；Ⅳ级围岩中最大超挖80 cm，平均超挖为45 cm。在采用聚能爆破时，实际工程现场拱顶、拱腰处爆后效果如图9所示，其中爆破后轮廓面的断裂面清晰可见，炮眼残孔率均达95%以上，初步验证了计算周边眼间距理论的合理性。

(a) 拱顶处；(b) 拱腰处

2.3 周边眼间距计算结果比较

为进一步验证本文计算的正确性，将本文计算结果与文献[4]结果进行比较，其中聚能因素取=0.1，炸药参数、土体参数两者取值相同，如表1所示。计算所得聚能缝宽度变化时，本文与文献[4]周边眼间距的分布曲线，如图10所示。图10表明本文与文献[4]结果在趋势上基本一致，两者周边眼间距最大误差在1%以内，说明了本文计算方法的正确性。

以往针对聚能爆破周边眼参数设计时，计算大都只考虑装药量、切缝宽度、裂纹尖端等因素，而忽略了聚能管刚度对能量流分配的影响。本方法通过引入聚能影响因素来考虑刚度对能量流的影响，使周边眼参数计算方法更加符合实际工程，并通过上述研究结果表明因素对周边眼参数影响非常大，不能忽略聚能装置材质刚度的影响。

图10 本文周边眼间距计算结果与文献[4]结果比较

3 结论

1) 通过采用经典的薄壁内压圆筒理论计算，可准确地计算出周边眼间距，在=0时，该方法计算周边眼间距的结果与未聚能爆破时现场周边眼间距取值大体一致。在曲线初始阶段突然上升，表明有聚能装置的作用下，能明显改变能量分布方式。增大周边眼间距，可节省炸药用量，改变周边眼炮孔的分布与数量。

2) 在一定范围内聚能影响因素增大，聚能装置刚度增大，聚能效果越好。适量增大聚能装置切缝宽度能极大增大周边眼炮孔间距，破岩效果更加明显，聚能缝宽较小时，聚能装置刚度增大对周边眼炮孔的影响不大，破岩效果有限。在围岩等级增大，抗拉强度增加时，周边眼间距显著减小。当聚能装置刚度越大时，周边眼炮孔间距随围岩抗拉强度增大，减小幅度越大。

3) 本文计算结果直观，可以为周边眼参数确定提供依据，然而这些理论上的探讨还是初步的，没有具体讨论聚能管刚度等对聚能影响因素的占比与组成有何种影响，后续有待进行大量实验以确定不同材质的刚度变化对因素的影响。

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New method for calculation of tunnel smooth blasting contour hole parameters

GENG Daxin, TAO Biao, YU Yang, HUANG Longhua

(School of Civil Engineering and Architecture, East China Jiaotong University, Nanchang 330013, China)

When the tunnel is blasting, the surrounding holes belong to the closed structure at both ends, based on the classical thin-walled cylinder theory, the relationship between strain energy distribution in the state of energy accunulation is deduced, by failure criterion on the laws surrounding hole parameters are designed, proposed a tunnel shaped method of determination of parameters of smooth blasting around the eyes. A case study of Zhangjiajie Wu side tunnels, using this new method of calculating the surrounding hole parameters, and actual light burst effects, explored the feasibility of the method and accuracy problems. The results show that when the shaped device shaped seam to seam width increasing, the more energy on both sides together, around the hole spacing is greater, the cock breaking effect is better under the same explosive quautity; increasing factors, namely shaped device stiffness is strong, can make the surrounding eye spacing increased significantly. If we take the same around the eye spacing, the presence of the energy collection device can reduce the amount of explosive to achieve the same effect of smooth blasting; surrounding rock grade is higher, the tensile strength of rock is stronger, the surrounding eye spacing decreases obviously, increase the influence factors of cumulative peripheral hole spacing increased slightly. When using this method to calculate the distance between adjacent eyes, the residual hole produced after blasting accounts for about 95%. Smooth blasting effect is good, which can provide reference for similar projects.

curved ground wall; strain energy; shaped blasting; smooth blasting

10.19713/j.cnki.43−1423/u.2019.02.020

TD235

A

1672 − 7029(2019)02 − 0435 − 08

2018−01−31

江西省交通运输厅科技资助项目(2016D0039)；江西省普通本科高校中青年教师发展计划访问学者专项资金资助项目

耿大新(1977−)，男，山东济南人，副教授，博士，从事隧道与地下工程的教学和科研工作；E−mail：gengdaxin@ecjtu,jx,cn

(编辑 蒋学东)