线性聚能装药爆破在水下工程的应用.pdf

第2 3卷第 1 期 2 0 0 6年 3月 爆破 BL AS TI NG V0 1 ． 2 3 N o ． 1 Ma r ． 2 o 0 6 文章编号 1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 0 6 0 1 0 0 8 8 0 4 线性聚能装药爆破在水下工程的应用 陈 维 炎 ， 舒 大 强 ， 黄 玉 锋 ， 程 大 春 1 ． 武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室， 湖北 武汉 4 3 0 0 7 2 ； 2 ． 武汉宏伟交通爆破有限责任公司， 湖北 武汉 4 3 0 0 3 6 摘要 通过分析线性聚能幕药在水环境 中应用特性， 说明线性聚能装药比普通药包更适合水下裸露爆 破 ， 提出一套利用线性聚能药包进行水下裸露爆破的设计方法， 并在海底管槽开挖施工中得到成功应用。 关键词 线性聚能装药； 水下裸露爆破 ； 金属射流 中圈分类号 T D 2 3 5 文献标识码 A The Pe n e t r a t i o n M e c ha n i s m o f Li n e a r S h a pe d Cha r g e a n d I t s Ap pl i c a t i o n i n Und e r wa t e r En g i n e e r i n g C H E N We i - y a n - S HU D a ． q i a n g - HU A NG r u -f e 。 C H E NG D a ． c h u n 1 ． S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f Wa t e r R e s o u r c e s a n d H y d r o p o w e r E n g i n e e r i n g S c i e n c e - Wu h a n U n i v e r s i t y - Wu h a n 4 3 0 0 7 2 - C h i n a ； 2 ． T h e H o n g d a B l a s t i n g C o r p o r a t i o n L t d 。 Wu h a n 4 3 0 0 3 6- C h i n a Ab s t r a c t Th e u t i l i z a t i o n i d e n ti t i e s o f li n e a r s h a p e d c h a r g e s i n u n d e r w a t e r b l a s ti n g are a n a l y z e d ．T h e r e s u l t 8 s h o w th a t the s h a p e d c h arg e b l a s t i n g i s mo r e s u i t a b l e t h a n n o r ma l d y n a mi t e i n u n d e rwa t e r e x p l o s e d b l a s t i n g ．On e p r o j e c t of t a k i n g t h e s h a ped c h a r g e b l ast i n g t o i mp l e me n t t h e u n d e rwa t e r b l asti n g i s i n t r o d u c e d ， and i t i s s u c c e s s f u l l y a p p l i e d und e r t h e s e a ． Ke y wo r d s l i n e a r s h a ped c h ar g e s ； u n d e rwa t e r e x p o s e d b l ast i n g ； me t a l - j e t 1 引 言 随着爆破技术的发展， 聚能装药在许多特殊条 件下的工程中得到应用。近年来， 将聚能爆破技术 应用于水下岩体爆破、 水下切割船体、 水下钢筋切割 等方面， 表现出显著的技术经济效果。水环境的特 殊性使得水下钻孑 L 与装药较之陆地要困难得多， 且 普通药包裸褥爆破效果差。通过炸药的聚能技术可 使爆炸作用于介质的能量相对集中， 同时可避免水 下钻孔与装药的困难， 因此具有较好的工程应用前 景 - 。 从分析水介质条件下的炸药爆炸基本特性 出 收稿 日期 2 0 0 51 2 2 5 ． 作者简介 陈维炎 1 9 8 0一 ， 男； 武汉 武汉大学水资源与水电工程 科学国家重点实验室硕士生． 发， 研究聚能装药在水下应用特点和对介质的侵彻 机理， 提出线型聚能药包的设计方法与工艺， 并就具 体水下工程的应用实例进行介绍， 可供类似工程参 考 。 2 水下线性聚能装药特性分析 水下裸露爆破药包仅有一面直接紧贴拟爆物体 表面， 药包的其它各面受水层覆盖。因此， 炸药能量 大部分进入水体， 只有部分炸药能量直接爆炸冲击 破碎物体。 利用爆轰产物运动方向具有与表面垂直这一基 本规律 ， 将药包制成特殊形状， 使爆炸形成的高压、 高速、 气体或金属射流 带金属罩时 在特定方向集 中， 达到爆轰产物积聚和能量密度提高的目的。 这种线性聚能装药相对于扁平状药包， 有以下 维普资讯 第 2 3 卷第 1 期 陈维炎等线性聚能装药爆破在水下工程的应用 特性 1 药包形状使聚能药包能量集中 口 图 1 扁平状药包与线性聚能装药剖面图 图 1 为扁平药包和线性聚能装药示意图， 两药 包单位长度装药量相同。药包爆炸后 ， 爆炸产物沿 药柱表面的法向向四周飞散。对于扁平状药包， 仅 有从底面传播出的爆炸产物向爆破对象方向运动， 其单位长度传播面积为 a 。线性聚能装药单位长度 传播炸药产物的面积为 a c s c 。一般线性聚能装 二 药聚能罩锥角 在 3 O 。 ～ 7 O 。 之间， 则聚能装药能量 使用率为普通条形药包的c s c ， 即 1 ． 4 l ～ 2 倍。 二 2 聚能罩使位能转化为动能 聚能气流中的能量是由两部分组成的。一部分 为气流的位能， 另一部分为动能l 4 J 。 1 ． 1 ． E告 _p 0 D 0 D 1 U 厶_r 式中， P 。 和 D分别代表炸药的密度和爆速。等式右 1 侧第一项为位能， 占 总能量的； 第二项为动能， 占 斗 1 总能量的。 气流在聚能过程中， 动能是能够集中 叶 的， 而位能不但不能集中， 反而起分散作用。如果设 法把能量尽可能转换成动能形式， 就能大大提高能 量的集中程度。提高动能的办法是在锥形孔穴的表 面嵌装一个形状相同的聚能罩。这样爆炸产物在推 动罩壁向轴线运动过程中将能量传递给聚能罩。由 于罩的可压缩性很小， 因此内能增加很少， 能量的大 部分表现为动能形式， 这样就可避免由于高压膨胀 引起的能量分散， 而使能量更加集中， 形成一股速度 和动能比气体射流更高的金属射流。 3 水环境的作用使得聚能药包能量利用率较 高 由于水环境的影响， 在水下普通药包裸露爆破 中， 介质一般先受到应力波作用， 后受到爆生气体的 作用。 还有一部分能量要消耗在克服水压力上， 从而 降低了作功能力； 水介质的存在使爆破气体中的 N O 2 、 S O 、 H S 、 N H 3 等气体溶解于水中， 从而降低了 爆生气体的膨胀压力 ， 这些都会影响介质的爆破效 果。 线性聚能装药利用金属射流侵彻被爆物。只要 在保证侵彻射流未达到侵彻目标前不接触水体， 则 爆轰气体不会被水溶解而降低爆破效果， 其侵彻效 果几乎不受影响。因此和普通扁平药包相比， 聚能 药包在水下应用时， 受水的影响程度相对较小， 能量 利用率较高。 3 水下工程中线性聚能药包的应用设计 3 ． 1 药包设计 3 ． 1 ． 1 炸药的选择 按照流体力学理论， 炸药的爆轰压力可表示 为 ] 1 P c J o D 2 式中， P a 为炸药的爆轰压力； p o 为装药密度； D为爆 速。 式 2 说明， 选用爆速较高， 猛度较大， 密度较 高的炸药， 有利于提高药包的聚能威力。在炸药选 定后， 应力求提高装药密度。不能严格密封的水下 聚能药包还应使用不溶于水且爆炸受水影响小的炸 药。在实际应用中， 可用 I N T和黑索金的混合炸药 或乳化油炸药和黑索金混合炸药制作的聚能药包。 3 ． 1 ． 2 药型罩 药型罩的作用是将炸药的爆炸能量转换成罩的 动能， 用金属射流代替气体射流， 从而提高聚能药包 的聚能威力。因此， 在制作聚能药包时， 必须对制作 药型罩的材料、 药型罩的形状和它的几何参数， 作正 确的选取和设计。 1 药型罩的材料 在选取制作药型罩的材料时， 必须满足以下几 点要求 材料的可压缩性小； 密度大； 塑性和延展性 好； 在形成射流过程中不会产生气化。大量试验表 明 紫铜制作药型罩的效果最好， 其次是铸铁、 钢和 陶瓷。 2 药型罩的形状 药型罩的形状决定聚能效果。线性聚能装药的 药型罩主要有楔形罩和球形罩 2类， 前者炸药爆炸 时能产生一长条形聚能射流， 多用于切割金属板材， 后者能产生的射流较粗， 射流质量较大， 但射流速度 较慢 。 3 药型罩的锥角 维普资讯 爆破 2 0 0 6年 3月 按照流体力学理论， 射流速度 j 和射流质量 m j 的与药型罩锥角 的关系如下 c t g O t 3 ms i n 旦 2 4 上式表明射流速度随着药型罩锥角的减小而增 加， 射流质量则随锥角的减小而减小。小锥角时， 射 流速度较高， 有利于提高侵彻深度， 大锥角时射流质 量提高， 侵彻深度变小， 但侵彻直径增大， 破碎体积 增大。 在具体工程实践中， 根据不同的技术要求选择 锥角大小。 4 药型罩的壁厚 药型罩的壁厚对射流性能和聚能威力有显著影 响。每一种药形罩都存在最佳壁厚， 而最佳壁厚又 随着药型罩的材料、 锥角、 直径以及有无外壳而变 化。总的来说， 药型罩的最佳壁厚是随着药型罩材 料的比重的减小而增加， 随锥角的增大而增加 ， 随罩 的直径的增大和外壳的加厚而增加。 为了改善射流性能， 可采用变壁厚的药型罩， 即 顶部厚、 底部薄或顶部薄、 底部厚的药型罩。前者穿 孔浅但孔V I 较大， 后者孔口较小但穿孔深度较大。 3 ． 2 药包防水措施 在水下施工中， 水的密度、 传热速度和粘度等参 数比空气大得多， 使聚能药包的射流在水中高速运 动时， 摩擦阻力增大， 能量分散， 射流头部运动速度 降低， 导致聚能射流侵彻效果变差或者丧失。因此， 聚能药包要作密封处理， 避免水进入药包从而影响 射流。炸药底部还应设垫层， 垫层的高度为聚能药 包的有利炸高。垫层材料要求密度高， 这样有利于 药包在水下的稳定性， 通常选用水泥为垫层材料 ， 如 图2 所示， 底部加厚部分为水泥垫层。 4 线性聚能装药在水下工程的应用实例 4 ． 1 工程特点 在厦门市小嶝至角屿供水管线修复工程中， 要 求在靠近小嶝一边和灯塔之间， 用水下爆破的方法， 开挖管槽埋设管道。管道的直径为 0 ． 1 m 。水下岩 盘为花岗岩， 岩盘较为平整。水下爆破的管槽全长 大约6 0 0 m 。要求形成宽度约0 ． 5 m， 深约0 ． 5 m的 管槽。 海潮涨落差为 4 ． 5 m左右， 海流较急， 一般 1 ． 0 ～ 1 ． 5 m ／ s ， 不适宜潜水员进行常规的水下钻孔 装药作业， 在海面上还有过往的大小货船和小嶝到 金门的各种旅游快艇， 不定时的穿棱于施工水域。 平时海面有3 4级的风， 月平均有风 日为 1 0 d ， 施 工条件较差， 对施工船舶的抗风浪性、 稳定性以及机 动性要求较高。 4 ． 2 爆破方案及药包设计 通过分析本工程特点后认为， 本工程不适合采 用钻爆船进行水下钻爆， 因为钻爆船施工投资较大， 施工工艺复杂， 费用高， 而且施工效率低， 工期长。 聚能装药使用方便、 能量集中及炸药用量相对 少， 爆能利用及安全性比普通裸露药包好， 劳动强度 比浅眼爆破法低。另外， 用这种方法所需要与之配 套的施工船舶简单， 设备少， 对水下作业人员的技术 素质要求较高， 爆破施工的周期较短。 4 ． 2 ． 1 聚能药包的形状与尺寸 图2 线性聚能装药剖面示意图 单位 e m 根据工程需要， 确定单个药包长度为 1 ． 0 m， 线 性聚能装药药包截面尺寸如图 2 所示， 聚能罩材料 选铸铁。 经现场试验， 聚能罩壁厚为 1 ． 5 m m时， 聚能效 果最好； 在密封条件下， 炸高 8 ib m侵彻效果较佳。 垫层到聚能药包底部的距离为聚能药包有利炸 高， 本工程取为 8 e m。聚能药包外壳为铁皮 ， 这样 可防止海水进入药包； 药包外面再套有塑料布， 以达 到双层防水的效果。底部垫层材料为水泥， 有利于 减少聚能射流能量损失。 4 ． 2 ． 2 炸药的选择和药量的设计 本工程采用黑索金和 T N T混合熔铸型炸药。2 种炸药装药比例为 l l 。 T N T密度 为 1 ． 4 7～1 ． 6 6 g ／ c m ， 爆速为 6 7 0 0 m ／ s ， 黑索金的密度为 1 ． 6 g ／ c m ， 爆速为7 0 0 0 m ／ s 。 通过药包尺寸和 2 种炸药的密度计算， 在填满炸药 后药包重量为2 4 k g ， 此重量的药包便于潜水员水下 搬运和移动。 4 ． 2 ． 3 起爆系统和网路的设计 药包的起爆 ， 是先将导爆索穿过各个药包 ， 再用 维普资讯 第 2 3 卷第 1 期 陈维炎等线性聚能装药爆破在水下工程的应用 9 1 双导爆管直接和导爆索联接， 电雷管引爆簇联的导 爆管。 由于水下岩石起伏不平， 各个药包放置的方向 不一样， 为了避免药包受动水的影响而断路， 在药包 的两头， 各预留2 0 c m长的导爆索。起爆程序为 起 爆器一电雷管一塑料导爆管一导爆索 聚能药包。 4 ． 2 ． 4 安全措施 1 炸药在水面应绑扎结实， 两头预留导爆索的 长度不少于 2 0 c m。 2 潜水员在水下一次最多安放 l O个药包， 这 样能保证装药、 联接、 起爆的安全。 3 施工时， 施工轴线左右 5 0 m内不能有船只、 潜水人员、 游泳者活动。 4 搬运炸药上船时， 不得事先联接起爆雷管， 不得抛摔药包。 5 待潜水员出水后， 警戒完成。装药船撤离施 工水域， 到达安全范围后， 才能起爆药包。 4 ． 2 ． 5 爆破效果分析 在爆破过程中有少量飞石飞出水面， 且都落在 警戒线以内。爆破冲击波未对警戒线以外的人、 船 只、 建筑物造成损害， 整个施工过程中未出现安全问 题。 经铺设管道的潜水员观察， 爆破效果良好， 沟槽 宽度和深度均满足设计要求， 被爆岩石块度小， 易于 移动， 整个铺设管道工程进展顺利。 5 结 论 a ． 线性聚能装药相对于钻孔爆破具有施工方便 的特点； 相对于普通药包， 能量利用率较高， 爆破效 果受水环境影响较小。因而在水下工程如开挖海底 沟槽等类似项 目中具有良好的应用前景。 b ． 炸药种类、 药型罩材料、 形状、 锥角、 壁厚确 定， 以及防水措施对线性聚能装药对水下工程爆破 效果有很大影响。必须根据工程需要确定。 参考文献 [ 1 ] 杨光煦． 水下工程爆破[ M] ． 北京 海洋出版社 ， 1 9 9 2 ． [ 2 ] 张志呈． 定向断裂控制爆破[ M] ． 重庆 重庆出版社， 2 0 0 0 ． [ 3 ] 龙维琪． 特种爆破技术 [ M] ． 北京 冶金工业 出版社， 1 9 9 3 。 [ 4 ] 北京工业学院八系 爆炸及其作用 编写组． 爆炸及其 作用[ M] ． 北京 国防工业出版社， 1 9 7 9 ． [ 5 ] 颜事龙 ， 王尹军， 王昌建． 水下爆炸切割钢板的试验研 究 [ J ] ． 爆破器材， 2 0 0 2 ， 3 3 2 1 5 ～ 1 8 ． [ 6 ] 张双计， 吴廷汉， 张治安 ， 等． 水下爆炸切割实验研究 [ J ] ． 火炸药学报， 1 9 9 9 ， 3 ． 2 1 ～2 4 ． 上接第7 7页 柱为6 孔各用 l 2 枚6 段毫秒导爆管延期雷管并用2 发电雷管起爆； 2 0枚电雷管成串联起爆线路， 用一 部军用 7 8 式点火机起爆。共用 2 0枚电雷管和 2 4 枚导爆管雷管， 岩石炸药 0 ． 7 5 k g 。 6 爆破效果 起爆后约 1 s 后， 水塔沿设计方向倾倒， 水箱准 确倒在预定位置， 未破碎。整个倒塌过程历时6 s ， 落地长为 1 9 ． 2 m， 宽 5 m， 周围建筑物均未受损坏， 达到了预期的目的。 参考文献 [ 1 ] 于亚伦． 工程爆破理论与技术[ M] ． 北京 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