深埋硬岩中光面爆破设计优化及经验公式.pdf
第3 3 卷第2 期 2 0 1 6 年6 月 爆破 B L A S T I N G V 0 1 .3 3N o .2 J u n .2 0 1 6 d o i 1 0 .3 9 6 3 /j .i s s n .1 0 0 1 4 8 7 X .2 0 1 6 .0 2 .0 1 2 深埋硬岩中光面爆破设计优化及经验公式米 吴兰冬1 ,陈灿寿1 ,柏春伟2 ,范鹏贤1 1 .解放军理工大学国防工程学院,南京2 1 0 0 0 7 ;2 .解放军6 5 7 1 5 部队,大连11 6 5 0 3 摘要光面爆破技术是隧道工程中广泛使用的施工技术。将光面爆破简化为平面应变问题,推导了光面 爆破炮孔间距、最小抵抗线、不耦合装药系数和线装药密度等参数的计算公式;采用具有特定内插角度的炮 孔代替传统的垂直钻孔,推导了内插孔的控制角度,优化了斜眼掏槽光面爆破技术。利用改进的斜眼掏槽光 面爆破技术进行了现场试验与施工实践,结果表明改进方案可以有效提高周边孔的炮孔利用率和光面爆破 效果。对5 0 0 0m m 跨、5 5 0 0m m 跨、6 0 0 0m m 跨三种典型断面洞室,对炮孔优化方案进行了现场试验,取得了 炮孔装药量、岩体抗压强度、炮孔间距、最小抵抗线等特征参数的现场数据,并对试验数据进行拟合,得到了 经验公式,该公式对硬岩中光面爆破参数选择具有参考价值。 关键词硬岩;光面爆破;爆破参数;经验公式 中图分类号T D 2 3文献标识码A文章编号1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 1 6 0 2 0 0 6 2 0 5 O p t i m u mD e s i g nM e t h o do fS m o o t hB l a s t i n gT e c h n o l o g y a n dE m p i r i c a lF o r m u l ai nD e e p - b u r i e dH a r dR o c k s W UL a n d o n 9 1 ,C H E NC a n .s h o u l ,B A IC h u n .w e i 2 ,F A NP e n g x i a n l 1 .C o l l e g eo fD e f e n s eE n g i n e e r i n g ,P L AU n i v e r s i t yo fS c i e n c e T e c h n o l o g y , N a n j i n g2 1 0 0 0 7 ,C h i n a ;2 .A r m yN o .6 5 7 1 5 ,D a l i a n11 6 5 0 3 ,C h i n a A b s t r a c t T h es m o o t hb l a s t i n gw a sw i d e l yu s e di nt u n n e l i n ge x c a v a t i o n .B ys i m p l i f i e dt ob ep l a i ns t a i np r o b l e m , t h es m o o t hb l a s t i n gp a r a m e t e r si n c l u d i n gt h eh o l es p a c i n g ,t h er a i n b u r d e n ,t h ed e c o u p l ec o e f f i c i e n ta n dt h el i n ed e n s i t yo fc h a r g ew e r ed e d u c e d .T h et r a d i t i o n a lv e r t i c a ld r i l l i n gw a sr e p l a c e db yt h ed e d u c e ds p e c i f i ca n g l ed r i l l i n g ,b y w h i c ht h es m o o t hb l a s t i n gw i t hi n c l i n ec u th o l eg o ti m p r o v e d .I n - s i t ut e s t sw e r ec o n d u c t e di nt h r e et y p i c a lt u n n e l s , w i t h5 0 0 0m m ,5 5 0 0m ma n d6 0 0 0m ms p a nr e s p e c t i v e l y .T e s tr e s u l t si n d i c a t et h a tt h eu t i l i z a t i o ne f f i c i e n c yo fc o n t o u rh o l e sa n ds m o o t hb l a s t i n gq u a l i t yw e r ea p p a r e n t l yi m p r o v e db yt h eo p t i m u md e s i g n .A ne m p i r i c a lf o r m u l aw a s o b t a i n e db yf i t t i n gt h ed a t ao ft h et e s td a t a ,w h i c hp r o v i d e sag o o dr e f e r e n c ef o rs m o o t hb l a s t i n gt u n n e l i n gi ns i m i l a r c o n d i t i o n s . K e yw o r d s h a r dr o c k ;s m o o t hb l a s t i n g ;b l a s tp a r a m e t e r ;e m p i r i c a lf o r m u l a 光面爆破技术发源于瑞典,2 0 世纪6 0 年代中 期开始在我国推广应用[ 1 ] 。光面爆破具有地质条 收稿日期2 0 1 6 0 2 2 6 作者简介吴兰冬 1 9 8 8 一 ,男,硕士研究生,主要从事地下工程方 面的学习和T 作, E m a i l 3 9 0 1 2 2 3 9 1 q q .c o m 。 通讯作者范鹏贤 1 9 8 3 一 ,男,博士,主要从事地下防护工程和岩 石力学方面的研究T 作, E - m a i l f a n .p x 1 3 9 .c o n 。 基金项目国家自然科学青年基金资助项目 5 1 3 0 4 2 1 9 ;中国博士 后科学基金资助项目 2 0 1 3 M 5 4 2 4 2 7 件适应性强、隧道成型规整、对围岩损伤较小等优点 极大地提高了隧道施工能力旧J 。光面爆破要求爆 破后沿开挖轮廓线产生光滑平整的开挖面。 研究岩石在爆破载荷下损伤和破碎,一是要正 确合理地评估岩石的损伤积累,二是要准确地分析 测定岩石破裂的范围。宗琦等的研究表明∞ 4J ,岩 石介质中冲击波主要消耗在爆腔的初始扩张,引起 岩石弹性变形和扩展裂隙,认为要保证光面爆破的 万方数据 第3 3 卷第2 期吴兰冬,陈灿寿,柏春伟,等深埋硬岩中光面爆破设计优化及经验公式 6 3 效果,一是要保证岩石孔壁上的初始压力峰值不高 于岩石抗压强度,防止孔壁岩石压缩破坏,二是要保 证孔壁岩石上的初始拉力峰值要尽可能的高于岩石 抗拉强度,保证孔壁岩石起裂。 采用光面爆破技术掘进,理论上可在隧道周边 形成一个光滑平整的边壁,使隧道断面既符合设计 轮廓要求,同时保持围岩的完整性和承载能力。但 由于工程地质条件复杂多变,爆破参数的合理选择 比较困难,很多工程中光面爆破的效果并不理 相[ 5 ] J q 、o 工程上预裂爆破设计计算依据主要是考虑线装 药密度与岩石的抗压强度、炮孑L 间距以及炮孔直径 之间的关系,通过试验数据拟合得到的经验计算式。 在相关理论的基础上,推导了裂缝长度与孔壁爆破 初始压力峰值的关系式,提出了炮孔优化设计方案, 结合现场试验和施工实践,提出了一个深部硬岩中 光面爆破的单孑L 装药经验公式。 1 关键参数的确定 1 .1 孔壁初始冲击压力 对于空气不耦合装药爆破,可将爆轰等熵绝热 膨胀过程分两阶段考虑,孔壁初始冲击压力按等熵 流动计算∞’“,即 P o 器 专r 聆只 。 1 舻尸。 专卜。 R 式中P 0 为孑L 壁初始冲击压力;P ,表示爆轰产物的 初始压力;R 为临界压力;戈为某一瞬时孔壁的位移 量;尸。为平均爆轰压力;矶为炸药密度;D 。表为炸 药爆速;D 。为等熵指数,一般取3 ;y 为绝热指数,一 般取1 .3 ;为爆轰气体压力的放大系数。 采用不耦合装药时,对于隧道工程建设中常用 的乳化炸药,爆生气体的初始压力峰值往往达不到 临界压力,因此可假定孔壁不发生压缩破坏,在忽略 孑L 壁压缩弹性变形情况下,取式 1 中算 0 ,则爆炸 后气体充满整个炮孔时,初始压力可改写为 耻P 。 字 i 长 ‘ ㈦ 耻P 。{ 暑[ 半一∥一’ 3 P 。 赤% 4 式 2 一式 4 中f 表示炸药的爆热;K 表示 装药体积;圪表不炮孔体积。 1 .2 炮孑L I B I 距 鉴于一般工程实际使用炸药类型、装药结构和 起爆方式,可将炮孔裂缝扩展简化为平面应变问题 P o S 7 P S 2 b a 7 5 式中P 。为爆生气体的初始入射应力峰值;尸为爆 生气体压力;5 为炮孑L 截面积;b 和a 分别为裂纹的 宽度和长度。 对时间t 求导,可得 相d t xS 2 y b P 害 卜切面d a 。 6 令u 面d a 裂缝扩展瞬时值 ,可得 u 一瀑滞警 7 u 一恭P 了嵩 7 爆生气体压力变化规律可用下式表示] P 咄 若‰ 。 ㈩ 式中C 。为爆生气体中的音速;A 、B 为常数;厶为炮 孑L 长度;“为衰减指数。随着爆生气体的膨胀O /接 近y 值,计算时可取a 1 .5 5 。 将式 8 代人式 7 可得 u 堕塑止挚立 9 2 r b 、£A j ’ 近似地以a 衰减至y 时的速度作为裂缝扩展 的极限速度k ,有 k 盖 1 0 式中,S 为炮孔截面积。 裂缝扩展的极限速度为‘7 1 k 0 .3 8 C 。 1 1 式中,e 为岩石的弹性纵波波速。 因此,裂缝宽度为 6 丽S 瓦瓦C o 1 2 以S ,r r d 2 b /4 d 6 为炮孑L 直径 和A 0 .2 7 代 人。得 ⋯.8 2 毒譬 ㈤, 裂缝止裂时有下式成立‘7 3 耻志 1 4 式中P 。为止裂时的爆生气体压力;K 和黾分别为 岩石静、动态断裂韧性;o 。为裂缝的最终长度。 万方数据 爆破2 0 1 6 年6 月 同时,止裂时J P 。和a 。又满足下式 P o S 7 P 。 5 2 b a 。 7 1 5 联立式 1 3 ~式 1 5 可求出初始入射应力峰 值P 0 与裂缝的最终扩展长度a 。之间的关系式 即L 丽等而 5n 鲋毒釉7 1 6 为了形成贯通裂缝,就必须使得每单个炮孔爆 生裂缝的长度大于等于炮孔间距E 的一半,炮孔间 距的约束关系式可描述为 E ≤2 a 。 d 6 1 7 1 .3 最小抵抗线 当周边孔最小抵抗线形较大时,爆破后岩体碴 块破碎的块度过大,有可能造成欠挖;最小抵抗线过 小时,会造成开挖轮廓线外围岩的破坏与剥落。光 面爆破层起到屏蔽反射应力波的条件为随] 2 百W ≥百E 1 8 C 。’U ”⋯ 炮孔密集系数因此应满足 m 苦≤2 百U 1 9 m2 面≤百 L 拶’ 若以极限速度k 代入可得m ≤O .7 6 。 在此条件下可计算最小抵抗线 形丝 2 0 q 式中g 。表示炮孑L 装药集中度,即线装药密度;g 表 示单位炸药消耗量,可据有关定额或经验值确定。 1 .4 不耦合装药系数 爆生气体膨胀至炮孔孔壁时,冲击压力正入射 于孔壁,经透射后的孑L 壁径向和切向动压力分别为 f P r 卢P 。 2 1 t p o A f l P o 式中/3 为透射系数,1 3 1 0 ;A 为切向应力和径向应 力的比例系数。 以K 孥和K 华代人式 2 中,炮孔 气体压力P 。为 耻P * ∽∽㈢ ㈣, 式中d 。和L 。为装药直径和装药长度。 由于炮孔长度乙为装药长度£。和空气柱长度 L 。之和。在不考虑炮泥长度影响时,装药不耦合系 数K 。 d b /d 。代人式中可得 P o - ”K o 7 蟛- 2 - /, P 。 鲁 考 2 3 据对装药结构的要求,要保证孑L 壁岩石不造成 压缩破碎,就必须使P ,小于岩石的动态抗压强度; 同时要保证孑L 壁起裂又必须使得K P o 大于岩石的 动态抗拉强度。即 P , R 2 4 由此求得合理的不耦合系数取值范围是 【警] 耳 每 巧 址【耵JI 瓦J 引h 气 [ 墼字R 监n 每P 耳 2 5 L J \ } , 式中K 。为动荷作用下岩石的强度系数,通常取 K 。 1 0 ;尺。为岩石静态单轴抗压强度;如R 。表示岩 石动态抗压强度。 R 表示岩石动态抗拉强度,因其受加载速度影 响较小,可认为R l - R 。,R 。是岩石的静态抗拉强度; K 表示由于相邻炮孔导向而在孔连心线方向产生 的应力集中系数,其值与炮孔间距和炮孔直径有关, 当炮孔间距大于炮孑L 直径的1 0 倍时可取疋 2 。 根据求解不耦合系数的同样方法可求得合理的 空气柱长度比例系数应满足下式 [ ㈧K 2 、K 矾o R c ,i 了∽】 K 筹 3 6 g B zy “ 式中,Q 一表示最大装药量。 图1 爆破抵抗线不意图 F i g .1B l a s t i n gb u r d e n 由于第二圈光爆孑L 内插角很小,Q ⋯/q E 取值一 般大于第一圈和第二圈光爆孔孑L 底之间的距离。 通常的光面爆破中没有考虑光爆层不均匀的情 况对爆破效果的影响。由于优化后孑L 底处最小抵抗 线大于孑L 口处的最小抵抗线,因而要对第二圈周边 孔的内插角度进行控制,以确保孔底位置的最小抵 抗线也满足相应的要求。 如果孔口处最小抵抗线等于最小抵抗线的下 限,底孔处最小抵抗线等于最小抵抗线的上限,则第 二圈周边眼的控制角度为 p a r c t a n f 坠一竺1 3 7 \E q L2 l ,。L , 此角度为第二圈光爆孔的最大倾斜角度。实际 工程中,需控制第二圈光爆孔的内插角略小于该控 制角度。当第二圈光爆孑L 以直孑L 钻进时,炸药消耗 量最小,当第二圈光爆孑L 以最大控制角度掘进时,炸 药消耗量最大,但理论上都可以实现光面爆破。当 第二圈光爆孑L 钻进角度大于最大控制角度时,则无 法实现光面爆破。 3 现场试验结果和经验公式 3 .1 现场试验 某隧道工程位于江西上饶市,原岩为砂质砾岩, 完整性较好,受地质构造影响,有少量软弱结构面或 万方数据 爆破2 0 1 6 年6 月 微隙节理,岩体质地较为坚硬,属Ⅱ、Ⅲ类围岩。现 场试验证明,优化炮孔布局后的光面爆破施工可以 使周边孔炮孔利用率达到9 8 %以上、半孔率9 6 %以 上、毛洞幅员最大超挖小于6c m ,达到优良质量标 准;在整条隧道的现场试验与施工实践中,未发生作 业安全事故及人员设备、材料损坏等情况,达到安全 施工要求。图2 是该隧道工程隧道壁面的光面爆破 效果图。 图2T 程施工实际照片 F i g .2 P i c t u r eo fe x c a v a t e dt u n n e l 基于预留非均匀光爆层的光面爆破设计方案承 继了光面爆破技术中周边孑L 不耦合空气柱间装药爆 破的做法,有效克服了普通爆破掘进过程中的超挖 质量通病,采用留置不均匀光爆层的方法,通过调整 与控制爆破药量来保证周边孔炮孑L 利用率的同时, 实现不均匀光爆层光面爆破。 3 .2 经验公式 现场试验中,对5 0 0 0m m 跨、5 5 0 0m m 跨、 6 0 0 0m m 跨i 种典型断面,分别设定了三种钻爆布 孑L 方案。其中5 0 0 0m m 跨的断面周边孑L 间距取值 4 5c m ,最小抵抗线约5 0c m ;5 5 0 0m m 跨断面的周边 孔间距和最小抵抗线均为5 0c m ;6 0 0 0m m 跨的断 面布孑L 中周边孑L 间距取值5 0c m ,最小抵抗线约 5 5c m 。收集整理了爆破试验时周边孔炮孑L 利用率在 9 5 %以上的循环中的参数,统计了周边孔单孑L 装药 量、周边孑L 孑L 深、岩石的抗压强度、炮孔间距以及周 边孑L 最小抵抗线,共1 5 组数据,详见表1 。 为量化分析单孑L 装药量、岩体单轴抗压强度、炮 孑L 间距、最小抵抗线及周边眼炮孑L 深度等特征参数 之间的关系,根据表1 中三种典型断面的测试参数 数据,建立目标函数 Q K ⋯f 半1 8 L 3 8 、 Z / 式中,K 、仅、届为经验系数。 对两端取对数,目标函数变为线性拟合 l 。g 孚l 。gK 礼g 吒 l o g 芈 3 9 根据测试数据作拟合分析,可得相关参数的经 验公式 Q 0 .0 2 2 盯。 嘶f 芈r 6 L 4 0 、 Z / 基于现场试验拟合得到的单孔装药量、岩体单 轴抗压强度、炮孔间距、最小抵抗线及周边眼炮孔深 度等特征参数的经验公式,可以对各特征参数之间 的非线性关系作定量描述。 表1 典型断面实测数据汇总表 T a b l e1T e s td a t ao ft y p i c a ls e c t i o n 4 结论 光面爆破技术是我国隧道掘进施工中的最重要 和最常用的技术手段,在前人理论基础上,主要工作 和结论如下 1 推导了炮孔问距、最小抵抗线、不耦合装药 系数和线装药密度等参数需要满足的关系式。 2 采用具有特定内插角度的炮孑L 代替传统的 垂直钻孑L ,优化了斜眼掏槽光面爆破技术,并给出了 控制角度计算公式。 3 利用改进的斜眼掏槽光面爆破技术进行了 现场试验与施工实践,并对炮孑L 的装药量、岩体抗压 强度、炮孔间距、最小抵抗线等特征参数数据进行拟 合,得到了一个经验公式,该公式对硬岩中光面爆破 具有一定的参考价值。 下转第8 6 页 万方数据 爆破2 0 1 6 年6 月 振动进行实时监测,依据测量结果适时调整爆破规 模和方案,都对设计方案的合理性起到了关键性的 作用。 2 在复杂环境下爆破,通过在合适位置采用 小孑L 实施开槽台阶爆破,形成有序的台阶爆破,然后 再采用中深孑L 爆破进行爆破,这样既保证最小抵抗 线的方向朝向相对开阔的方向,又增加了自由面。 3 施工中使用分段分区的爆破方法,通过划 分不同的爆破区域,设计不同的爆破参数,对保证工 期,可靠安全起爆起到了极大的促进作用。 4 在爆破施- T 中根据岩石硬度和构造特征适时 调整爆破参数,保证堵塞长度和堵塞质量,从而能够 保证无爆破飞石的产生并且提高了炸药能量利用率 和爆破效果。 [ 2 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 4 ] 参考文献 R e f e r e n c e s E 5 ] 李付安,李献稳.中孔径浅孑L 爆破施T 技术[ j ] .爆破, 2 0 1 3 ,3 0 3 8 l - 8 2 . 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