隧道爆破中合理微差時間的選擇

李 鵬,呂良哲,陳智山,陳 策

(長沙理工大學(xué)土木與建筑學(xué)院, 湖南長沙 410114)

隧道爆破中合理微差時間的選擇

李 鵬,呂良哲,陳智山,陳 策

(長沙理工大學(xué)土木與建筑學(xué)院, 湖南長沙 410114)

通過結(jié)合微差爆破的基本原理以及物理學(xué)基本公式,推導(dǎo)出隧道爆破合理微差時間的計算公式,對克服實(shí)際工程中炮眼利用率不高以及傳統(tǒng)隧道爆破作業(yè)時微差時間選擇的盲目性,具有一定的指導(dǎo)意義。

隧道爆破;微差爆破;掏槽眼;輔助眼;微差時間

我國一些地方單純地依靠工程經(jīng)驗(yàn)盲目設(shè)置微差時間,掘進(jìn)效率較低,具體表現(xiàn)為:微差時間過短,掏槽眼爆破后,經(jīng)過極短時間第一圈輔助眼立刻爆破,此時掏槽眼中的巖石還來不及拋擲出去,并未形成爆破漏斗,以致無法為后續(xù)的輔助眼爆破后的碎石提供足夠的補(bǔ)償空間,掏槽眼的掏槽作用不明顯,爆破效果不理想,并且很容易產(chǎn)生“掛門簾”和“留門檻”現(xiàn)象。

本文通過研究隧道爆破過程中巖石破碎及拋擲出去的整個過程,分析計算出每個階段所需的時間,總結(jié)出掏槽眼與第一圈輔助眼的最佳時間間隔。

1 巖石破碎及拋擲過程分析

巖石隧道爆破破壞過程分為 3個階段[1]。第一階段為炸藥爆炸后沖擊波徑向壓縮階段。炸藥起爆后,產(chǎn)生的高壓粉碎了炮孔周圍的巖石,形成了壓碎圈并即將產(chǎn)生裂隙;第二階段為裂隙擴(kuò)展階段,在壓碎圈形成的同時,巖石中的沖擊波衰減為壓應(yīng)力波,在應(yīng)力波作用下,巖石在徑向產(chǎn)生壓應(yīng)力和壓縮變形,而切向?qū)a(chǎn)生拉應(yīng)力和拉伸變形。由于巖石抗拉強(qiáng)度僅為抗壓強(qiáng)度的 1/10～1/50,當(dāng)切向拉應(yīng)力大于巖石抗拉強(qiáng)度時,該處巖石被拉斷,形成與壓碎圈貫通的徑向裂隙,在應(yīng)力波和爆轟氣體共同作用下裂隙擴(kuò)展至自由面,并使巖塊具有初始速度;第三階段為巖石拋擲階段,此時將破碎巖塊看做一整體,以一定的初速度往外拋出,使爆破區(qū)形成一爆破漏斗。

由于隧道爆破只有 1個自由面,所以應(yīng)充分利用掏槽眼爆破所形成的新自由面,哈努卡耶夫認(rèn)為,后爆破炮孔以在先爆破孔剛好形成爆破漏斗,且爆巖脫離巖體,形成裂縫寬度B=0.8～1.0 cm時起爆為宜[2]。于是微差時間 T為:

式中,t1為爆破后形成壓碎圈時間,即爆破后沖擊波傳至粉碎圈邊緣的時間;t2為巖石裂隙擴(kuò)展時間,即從壓碎圈開始形成有里向外的徑向裂隙順爆破漏斗邊緣擴(kuò)展至自由面的時間;t3為被爆巖塊脫離巖體距離 B的時間。

2 巖石破碎及拋擲過程時間計算

2.1 形成壓碎圈時間

炸藥在爆炸后忽略炸藥的傳爆時間,沖擊波形成的壓碎圈半徑為[2]:

式中:R——壓碎區(qū)半徑(m);

Rb——爆破后形成的空腔半徑;

σc——巖石單軸抗壓強(qiáng)度;

ρ——為巖石密度,kg/m3;

cp——巖石縱波速度。

爆破后形成的空腔半徑為:

式中,r——炮孔半徑,mm;

pm——炸藥平均爆壓,Pa,pm=ρD2/8;

D——炸藥爆速;

σ0——多向應(yīng)力條件下巖石強(qiáng)度,Pa,σ0=

則有:

式中,C為沖擊波波速,一般取 3000～5000 m/s。

2.2 巖石裂隙擴(kuò)展時間

爆破后裂隙沿爆破漏斗破裂半徑的方向向外擴(kuò)展,破裂半徑(即裂隙長度)r為:

則:

式中,L——炮眼深度;

β——爆破漏斗錐頂角;

c——裂隙平均擴(kuò)展速度,c=0.1cp[2]。

2.3 被爆巖塊離開巖體距離B的時間

該過程為從裂隙剛好貫通至自由面使被爆巖塊脫離巖體的瞬間開始至離開巖體距離為 B時結(jié)束。掏槽眼爆破裝藥為耦合裝藥,在這種情況下,根據(jù)聲學(xué)近似理論[4]可推得巖石炮孔中初始壓力 P為:

式中,Pc——爆轟壓力,MPa;

ρ0,ρ——分別為炸藥和巖石的密度。

則作用在巖石上的平均壓力為:

式中,Rb為空腔的半徑。

爆破漏斗巖石質(zhì)量為:

式中,β為爆破漏斗錐頂角。

可以假定,在該過程中被爆巖塊始終受到爆轟氣體的平均壓力的作用,該壓力的大小為ηF,η為平均壓力損失系數(shù) 0＜η ＜1,一般可取為 0.5。則此時取爆巖作為研究對象,爆巖在平均壓力的作用下作勻加速運(yùn)動。根據(jù)動量守恒定理,有:

則可得:

綜上所述,微差時間 T為:

3 工程計算實(shí)例

大灣子出口隧道炮眼直徑 40 mm,炮眼深度 3 m,最小抵抗線為 0.94 m,巖性為花崗巖(ρ=2600 kg/m3)[3]。Cp=5200 m/s,σc=175 MPa,炮孔半徑r=20 mm。炮孔深度 L=3 m,沖擊波速度 C=5000 m/s,代入式(2)～式(4),可得 t1=0.4 ms;代入式(5)和式(6),得 t2=8.2 ms;V=250 m/s,代入式(7)～式(10)和式(13),得 t3=22.4 ms。則微差時間 T=0.4+8.2+22.4=31 ms。由于我國目前一般的微差雷管尚無 31ms的間隔時間,可取 50 ms的微差間隔時間,與工程實(shí)際間隔時間 50 ms基本相符合,說明此公式是可行的。

分析式(13)可知,選取微差時間關(guān)鍵的是 t3,此時間與炮孔深度和被爆巖塊脫離母體的距離有關(guān),炮孔越深,爆破夾制性越大,要求 t3也越長。關(guān)于裂縫寬度 B取 0.8～1 cm,有一定的經(jīng)驗(yàn)性,并且未考慮不同圍巖的性質(zhì),僅供微差間隔時間選取時參考,也可以說,隧道爆破施工中,微差時間起碼要大于或等于 50 ms。

同時式(13)是以掏槽孔為基礎(chǔ)推導(dǎo)的,后續(xù)炮孔爆破時由于有新的自由面,理論上講微差間隔時間可以短些,但不宜短于掏槽孔爆破的微差間隔時間,建議后續(xù)炮孔還是選微差時間等于 50 ms。

4 結(jié) 語

隧道微差爆破的合理時間間隔選擇一直是 1個值得深入研究的問題。本文結(jié)合普通物理學(xué)知識及爆炸力學(xué)理論進(jìn)行推導(dǎo)分析,提出 1個計算微差間隔時間公式,并用工程實(shí)踐驗(yàn)證了該公式的可行性。當(dāng)然,將來仍需從更多工程實(shí)踐著手,通過大量的工程實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析,完善該公式,從而應(yīng)用于更多的隧道爆破工程實(shí)踐。

致謝:本文得到長沙理工大學(xué)教學(xué)改革研究項(xiàng)目

(JG0849)的資助和吳從師教授的指導(dǎo),在此表示感謝。

[1] 顧毅成,史雅語,金驥良.工程爆破安全 [M].北京:冶金工業(yè)出版社,2001.

[2] 戴 俊,王樹仁.爆破工程[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2010.

[3] 王海亮.工程爆破[M].北京:中國鐵道出版社,2009.

[4] 戴 俊.柱狀裝藥爆破的巖石壓碎圈與裂隙圈計算[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2001,(2).

2011-07-06)

李 鵬(1990-),男,湖南岳陽人,隧道與地下工程專業(yè) 08級本科生。