多边界石方爆破药量计算原理与应用研究.pdf

第2 7 卷第3 期 爆破 V o l 2 7N o 3 2 0 1 0 年9 月 B L A S T I N G S e p ．2 0 1 0 m l 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 0 ．0 3 ．0 0 2 多边界石方爆破药量计算原理与应用研究冰 高文学1 ，徐树焕1 ，刘民2 ，万佳文1 ，邓 磊1 1 ．北京工业大学建筑工程学院，北京1 0 0 1 2 4 ；2 ．北京路桥集团瑞通养护中心十处，北京1 0 2 1 0 0 摘要不同边界条件下爆破破岩物理过程极不相同，并将影响炸药爆炸能量在介质内部的分布、介质的 破碎和抛掷规律。在分析多边界条件下爆破作用规律的基础上，探讨了不同边界条件下药量计算原理和方 法。研究表明建立在平坦地形基础之上的集中药包计算公式，不能满足多边界条件下爆破作用的要求；地 形、地质条件的变化，不但影响爆破作用效果，而且影响炸药爆炸能量的有效利用率；多边界条件下的药量计 算公式，应包含地形、地质条件与爆破效果的关系。基于多边界石方爆破药量计算原理，提出了深孔爆破药 量计算公式；结合路堑边坡岩体爆破工程，进行深孔控制爆破技术研究，爆破效果得到有效改善。 关键词多边界；爆破作用；药量计算；路基边坡；深孔爆破 中图分类号T D 2 3 5 ．3 7文献标识码A文章编号1 0 0 1 - 4 8 7 X 2 0 1 0 0 3 0 0 0 4 0 5 R e s e a c ho nP r i n c i p l eo fC h a r g eA m o u n tC a l c u l a t i o ni n M u l t i l a t e r a lB o u n d a r yR o c ka n di t sP r a c t i c e G A 0W e n ．X U ．e 1 ，X uS h u h u a n l ，L i uM i n 2 ，W a nJ i a w e n l ，D e n gL e i l 1 ．B e i j i n gU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y ，B e i j i n g1 0 0 1 2 4 ，C h i n a ； 2 ．B J R B ，R u i t o n gM a i n t e n a n c eC e n t e r ，B e i j i n g1 0 2 1 0 0 ，C h i n a A b s t r a c t T h ep h y s i c a lp r o c e s so fr o c kb r o k e nb yb l a s ti sq u i t ed e f f e r e n tf r o md i f f e r e n tb o u n d a r yc o n d i t i o n ，a n d w h i c ha l s oa f f e c tt h ed i s t r i b u t i o no fe x p l o s i o ne n e r g ya n dt h eb r o k i n ga n dt h r o w i n go fr o c k ．O nt h eb a s i so fa n a l y z i n g t h eL a wo fb l a s t i n gO nd i f f e r e n tb o u n d a r yc o n d i t i o n s ，t h i sp a p e rd i s c u s s e dt h ep r i n c i p l eo fe x p l o s i v ea m o u n tc a l c u l a - t i o n ．T h er e s e a c hs h o w st h a tt h ef o r m u l ao fc o n c e n t r a t e dc h a r g eb a s e do nf i a tf o u n d a t i o nC a nn o tu s ef o rb l a s t i n gi n m u l t i l a t e r a lb o u n d a r yc o n d i t i o n ；t h ec h a n g e so ft h et e r r a i na n dg e o l o g yn o to n l ya f f e c t st h eb l a s t i n gr e s u l t ，h u tt h eu t i l i z a t i o no fe x p l o s i o ne n e r g y ．S ot h ec h a r g ea m o u n tc a l c u l a t i o no nm u l t i l a t e r a lb o u n d a r yc o n d i t i o ns h o u l dc o n s i d e rt h e a f f l u e n c eo ft e r r a i na n dg e d o g yc o n d i t i o n ．A tl a s t ，b a s e do nt h e i sp r i n c i p l e ，w ep u tf o r w a r dt h ec a l c u l a t i o nf o r m u l ao f d e e ph o l ec h a r g e ，a n dt a k et h ec o n t r o lb l a s t i n gt e c h n o l o g yh o l eb yh o l ei nc u t t i n gs l o p eb l a s t i n g ，t h eb l a s tr e s u l t sg e t e f f e c t i v ei m p r o v e m e n t s ． K e yw o r d s m u l t i l a t e r a lb o u n d a r y ；b l a s t i n ge f f e c t ；c h a r g ea m o u n tc a l c u l a t i o n ；c u t t i n gs l o p e ；d e e ph o l eb l a s t i n g 0 引言 山岭重丘区公路 特别是高等级公路 的建设， 收稿目期2 0 1 0 0 2 0 4 作者简介高文学 1 9 6 2 一 ，男，湖北仙桃人，博士、教授，主要从事 路桥基础工程和隧道工程方向的教学和科研工作，E m a i l W x g a o b j u t ．e d u ．c n 々 基金项目国家自然科学基金重点项目 5 0 6 3 8 0 3 0 ；北京市教委科 技发展计划项目 K M 2 0 0 7 1 0 0 0 5 0 0 4 通常石方工程量大、地质条件复杂、边坡稳定性难以 保证。这对提高爆破技术、控制路堑边坡病害提出 了更高的要求。然而，长期以来各类工程爆破大多 以经验公式为指导，没有形成系统的、因地制宜的爆 破理论和相应的爆破方法，仍处于借用平坦地形爆 破经验的水平，即不考虑地形边界条件的变化，或将 微地形变化作为一种对爆破效果有影响的因素来考 虑。在斜坡地形，基于鲍氏公式计算的药量，一般比 万方数据 第2 7 卷第3 期高文学，徐树焕，刘民，等多边界石方爆破药量计算原理与应用研究用 5 实际的要大的多。大量富余的爆能，对路堑边坡的 稳定构成了极大的危害引。 在分析多边界条件下爆破作用规律的基础上， 探讨了水平边界、倾斜边界以及多边界条件下药量 计算原理。研究表明，建立在平坦地形基础之上的 集中药包计算原理和方法，不能满足多边界条件下 爆破效果的要求；地形、地质条件的变化，不但影响 到爆破效果的主要指标抛掷率，而且影响到炸 药爆炸能量的有效利用率。因此，在药量计算公式 中，应包含地形、地质条件与爆破效果的关系。基于 多边界石方爆破药量计算原理，提出了多边界条件 下深孔爆破装药量计算公式；结合路堑高边坡岩体 爆破工程，进行了深孑L 控制爆破应用研究，爆破效果 得到有效改善。 1 多边界条件爆破作用规律 多边界条件是指微地形边界条件，相对水平边 界条件而言，是属于外形几何形状条件。由于现代 工程爆破，特别是公路石方爆破，大多在山岭重丘区 微地形变化十分复杂的条件下进行，而很少在单一 水平边界条件下进行，因此，爆破在多边界条件下的 作用规律、爆破破岩规律与爆破方法的研究就变得 十分重要。 基于理论分析与试验研究引，多边界条件下爆 破破岩物理力学过程如图l 所示。对于平坦地形， 鼓包运动垂直地表，并以最小抵抗线形为对称轴， 内腔呈椭球体，外形呈抛物线体；倾斜地形，鼓包运 动仍垂直于地表，并具有口 9 0 。一a a 为地面坡 度 的有利抛射角，鼓包运动不以形为对称轴，内腔 呈向形下方偏态的椭球体，如图l b ，b 。 b ，外形 亦呈向形下方偏态的抛物线体；凸形多面临空地形 则大不相同，各临空面均有垂直于地表倾斜向上的 鼓包，具有有利的抛射角，外形呈马鞍型；垭口地形 与平坦地形有些相似，鼓包运动垂直向上，但受地形 的夹制作用，鼓包不易向两侧发展，内腔被拉长近似 呈柱状椭球体，外形则接近于“山字型”。 由此可见，在其他条件 药量、介质和最小抵抗 线 均相同的条件下，各种地形边界条件下鼓包运 动的内腔和外形都极不相同，并强烈地影响爆炸能 量在介质内部的分布、介质的破碎以及抛掷运动规 律‘1 - 引。 2 多边界条件爆破药量计算原理 2 ．1 水平边界条件药量计算 对于水平边界条件，通常采用鲍列斯阔夫公式 计算㈨ Q K 旷 O ．4 0 ．6 n 3 1 式中Q 为装药量，k g ；形为药包的最小抵抗线，I l l ；，t 为爆破作用指数；K 为标准爆破漏斗单位耗药量， k g ／m 3 。 令屣、一 a 水平边界 b 倾斜边界 c 凸形多面临 d 凹形边界 空边界 图l多边界条件下鼓包运动示意图 公式 1 假定形成爆破漏斗时破碎岩石所需的 功比在破碎过程中移动岩石所需的功大得多，即不 考虑重力影响因素。工程实践表明，在最小抵抗线 形小于2 5i n 时，重力影响表现不明显，可以用公式 1 进行药量计算，但当形大于2 5i n 时，重力影响 就显现出来了，相应药量计算修正式为H 1 斤万 Q K 旷 o ．4 0 ．6 n 3 ．偿 2 V-J 2 ．2 倾斜边界条件药量计算 对于斜坡地面爆破，因重力影响因素与斜坡地 面倾角a 有关，在公式 1 的基础上，建议采用 ，；；，一 ／等进行修正㈨，即 Y - ．， ；■一 Q K W h 0 ．4 0 ．6 n 3 ．／鼍半 3 V- 一 原苏联波克罗夫斯基 r ．M ．I I O K p O B C K u 矗 ，在 公式 1 的基础上考虑地面坡度的影响曾先后提出 2 个修正公式[ 2 】 Q K 矿 O ．4 0 ．6 n ’ ／c o sa 4 Q K 矿 0 ．4 0 ．6 n 3 C O Sa 5 国内有关部门在大量工程实践的基础上，针对 不同岩性，在公式 1 的基础上提出经验公式b 1 Q K 矿 0 ．4 0 ．6 n 3 ∥ 理 6 式中／ a 为斜坡地面爆破漏斗体积增量函数，对 坚岩 厂 a 0 ．5 0 ．2 5 4 a 3X1 0 “ 0 ‘5 ，对软岩， 厂 理 - - - 0 ．5 O ．2 5 1 6 0 1 0 6 o ～。 2 ．3 多边界条件药量计算 2 ．3 ．1 基本原理 在多边界条件下，认为抛坍一定量同类介质所 需的能量是不变的。该能量包括药包爆炸所提供的 动能和介质本身所含的位能。在水平和陡坡地形边 界条件下，动能和位能分别对爆破效果起主要作用。 万方数据 6爆破2 0 1 0 年9 月 动能与位能作用的变化，则取决于边界条件的变化。 在一般边界条件下，爆破效果通常是动能和位能共 同作用的结果。其中，介质本身潜在位能的作用，相 当于炸药有效爆炸能量的提高．2J 。 2 ．3 ．2 多边界药量计算公式 根据能量守恒原理以及基本假定，得到基于理 论和经验的多边界药量计算公式’2 】 Q K g , r 3 F E ，a 7 式中，F E ，a 为药包性质指数，可由下式计算 F E ，a 妒 E 以a 8 式中E 为抛掷率，％；妒 E 为抛掷率的函数，一般 可按妒 E O ．4 5 1 0 n0 1 2 9 E 计算，对于抛坍爆破，取 妒 E 1 以仅 为抛坍系数，可表示为 ．．．2 八a j1 。赢或c 。sa ，a 3 0 。后，C O Sa 值偏大，当口 6 0 0 后则计算的药量急剧减少，且达 到不合理的程度。 比较式 7 和式 8 ，对于抛坍爆破，厂 a 与 l ／f a 的计算结果如图2 。在软岩中，1 ／f a 与抛 坍系数八a 接近，误差在7 ％以内；但在硬岩中，随 着坡角a 的增大，1 ／7 “ a 值明显偏大。 基于上述分析，集中药包的计算原理和方法，大 都建立在平坦地形基础之上，即不考虑地形边界条件 的变化，或将微地形变化作为一种对爆破效果有影响 的修正因素来修正。大量实践证明，仅作为一种附加 于爆破理论和爆破方法之外的因素来考虑，这是不够 的。因为地形的变化不但影响到爆破效果的主要指 标抛掷率，而且影响到计算破坏范围内的爆破作 用指数以及炸药爆炸能量的有效利用率。 1 ．坚岩1 ／f a ；2 ．软岩1 ／．f a ；3 ．抛坍系数f a 图2 “a 与l ／y a 计算比较 多边界条件下药包的爆破作用同时考虑了各种 微地形和地质条件的变化；爆破理论以炸药提供的 爆炸能量和介质中潜在的位能共同作用为基础，控 制不同地形条件下的多余爆能以及过多的炸药用 量，减少被介质吸收或不做功的能量；建立因地制宜 的并与各类地形边界条件相适应的爆破设计方法； 在药量计算公式 7 中，直接包含地形边界条件与 爆破效果，即建立了炸药量、地形边界条件和爆破效 果三者的函数关系，便于在工程爆破中直接应用和 检验‘1 ，2 1 。 3 工程应用 3 ．1 工程概况 西铁路位于延庆县东南部山区，道路起于西二 道河，途径瓦庙村、西沙梁村、终于铁炉村，道路全长 1 5 ．8 9k m 。该工程是延庆西莲路与大铁路的连接 线，同时肩负着交通与防火通道的功能。道路等级 为三级公路，设计速度为3 0k m ／h ，路基全宽7 ．5m 。 西铁路大部分路段为半挖路堑，现状地形坡度 口 4 5 8 0 0 ，路基边坡设计坡比为l 0 ．7 5 ，开挖深 度为5 2 0m 。 西铁路地处山前区及山岭重丘区。丘陵区地势 较为平缓，地形由丘陵及沟渠组成，沟渠与丘陵之间 分布有梯田及林木区，丘陵区地质表土为亚粘土，土 层以下由主要由花岗岩组成；山岭重丘区山脉连绵 起伏沟壑与山峰相依，地形变化大。工程地理位置 大部分路段地势陡峻，路线两侧岩体比较稳定，表层 下为花岗岩组成，节理、裂隙发育。 3 ．2 路基开挖爆破设计 1 爆破设计方案 O 8 6 4 2 O 1 O O O 0 一H厂‘8JSH 万方数据 第2 7 卷第3 期高文学，徐树焕，刘民，等多边界石方爆破药量计算原理与应用研究用 7 根据开挖路段的设计资料、周边环境以及工程 地质条件，对于半挖路堑，采用抛坍爆破设计方法； 对于全挖路堑，采用沿中心线首先开槽，然后两侧向 中问逐排起爆的方法，即爆破时首先起爆路堑中间 炮孔，以便为后续炮孔的起爆创造自由面和岩石碎 胀空间，然后依次起爆路堑两侧炮孔心J 。为了进一 步降低爆破振动对路堑边坡稳定性的影响，对于孔 深大于1 2m 的炮孔，采用孑L 内与孑L 外延时相结合的 方法来控制最大段别的起爆药量；临近设计边坡，采 用缓冲爆破技术，通过控制孑L 网参数和单孔装药量， 最大限度地减缓主炮孔爆破对路堑边坡的破坏。 2 深孔爆破参数选择 炮孔直径采用潜孔钻机，孔径西 9 0m i l l 。 钻孔深度孔深 根据路堑边坡开挖高度和超 钻深度确定，一般开挖深度为5 ～2 0m 。钻孑L 设计 时，采取一次钻孑L 、一次爆破达到设计深度；临近路 堑边坡，兼顾边坡设计、控制岩体损伤来布置钻孔。 孔网参数结合现场地形、地质条件，设计最小抵 抗线形 2 ．5 3 ．0m ；孔距口 2 ．5 ～3 ．5m ；排距 b 2 ．0 3 ．0m ；钻孔倾角7 5 。。对于临近路堑边坡的 缓冲孑L ，其与主炮孑L 的间距取主炮孔间距的0 ．7 倍。 堵塞长度根据岩石性质和周边环境，堵塞长度 控制在 0 ．8 1 ．2 形左右，同时加强堵塞质量。 典型半挖路堑横断面炮孔布置如图3 所示。 1 ．缓冲孔；2 ．主炮孑L 图3 路堑典型横断面炮孔布置示意图 3 装药量计算 基于多边界药量计算公式，对于深孑L 爆破，单孔 装药量由式 1 0 进行计算。对于多排孑L 爆破，从第 2 排起，考虑岩体结构的夹制作用，每孑L 装药量增加 1 0 ％～1 5 ％。 基于花岗岩的物理力学性质和现场试爆，取标 准抛掷爆破单位耗药量K 1 ．6 1 ．8k g ／m 3 ；自然 地面坡度a 5 5 0 一7 5 0 ，设计采用抛坍爆破。根据 公式 1 0 ，计算得到不同深度主炮孔装药量，如表 1 ；缓冲炮孑L 药量约为表1 中主炮孑L 药量的一半。 表1 深孔爆破参数表 3 ．3 爆破效果与分析 采用毫秒延期爆破技术，排间延期时间为5 0 ～ 1 0 0m s 。同时在路堑横断面上边坡方向2 0 5 0n l 范围内布置振动监测点。现场监测表明，距离爆区 2 0m 处质点振动峰值速度为3 4 ．9 6 4e m ／s ，2 4m 处 为2 1 ．2 1 7e m ／s 如图4 。参照爆破振动速度控制 标准一J ，可以推断路堑边坡岩体在0 ～2 5m 范围内 局部有轻微的拉裂破坏现象，但不会影响边坡整体 的稳定性。 测点距离爆源2 4m 图4 路堑边坡振动监测波形图 9 2s 图5 为爆破时半挖路堑边坡岩体松动、崩塌作 用过程照片。由于路堑边坡岩体爆破设计充分考虑 了地形、地质条件的变化及周边环境因素的影响，路 堑开挖范围内岩体得到了充分破碎，爆破飞石得到 有效控制，爆破对紧临路线下边坡一侧的电缆线等 未构成危害。 图5 路堑爆破作用过程 万方数据 8爆破 2 0 1 0 年9 月 4 结语 在分析多边界条件下爆破作用规律的基础上， 探讨了水平边界、倾斜边界以及多边界条件下药量 计算原理与应用研究，得到如下结论 1 不同边界条件下爆破破岩物理过程极不相 同，并强烈影响爆炸能量在介质内部的分布、介质的 破碎以及抛掷规律。 2 建立在平坦地形基础之上的集中药包计算 方法，难以满足多边界条件下爆破作用的要求；地 形、地质条件的变化，不但影响到爆破效果的主要指 标抛掷率，而且影响到炸药爆能的有效利用。 3 多边界条件药量计算公式同时考虑了地形、 地质条件的变化；岩石爆破理论以炸药提供的爆能 和介质中潜在的位能共同作用为基础，同时控制不 同边界条件下富余爆能对周边环境的影响。 4 基于多边界条件药量计算原理，结合路堑高 边坡岩体爆破，进行了深孔控制爆破技术研究，爆破 效果得到有效改善。 谨以此文深切缅怀为我国公路工程爆破事业 做出重要贡献的刘运通教授 参考文献 [ 1 ] 王鸿渠．多边界石方爆破工程[ M ] ．北京人民交通出 版社，1 9 9 4 ． [ 2 ] 刘运通，高文学．现代公路工程爆破[ M ] ．北京人民 交通出版社，2 0 0 6 ． [ 3 ] 陈建平，高文学．爆破工程地质学[ M ] ．北京科学出 版社，2 0 0 4 ． [ 4 ]露天大爆破编写组．露天大爆破[ M ] ．北京冶金工业 出版社。1 9 7 9 ． [ 5 ]张志毅，王中黔．交通土建工程爆破工程师手册[ M ] ． 北京人民交通出版社，2 0 0 2 ． [ 6 ]高文学，刘运通．路堑高边坡岩体多边界爆破理论及 其应用[ J ] ．岩石力学与工程学报，2 0 0 7 ，2 6 S 1 3 3 9 7 ． 3 4 0 1 ． [ 7 ] B A U E RA ，C A L D E RPN - O p e np i ta n db l a s ts e m i n a r [ R ] ．C o u r s eN o6 3 2 2 1 ，K i n g s t o n ，O n t a r i o ，C a n a d aM i n i n g E n g i n e e r i n gD e p a r t m e n t ，Q u e e n sU n i v e r s i t y ，1 9 7 8 ． 上接第3 页 式中，r 为拟合曲线相关系数，其它符号意义同上。 从上述结果可以看出①各频段的主频与比例药量 成反比，与比例速度成正比；②指数／3 在一3 左右， 相关系数在9 7 ％以上。 4 结论 采用量纲分析和小波包变换相结合的方法对爆 破振动频率进行研究，得到了爆破振动主频的预测 方程，并进行了工程验证。主要得到如下结论 1 采用量纲分析的方法对爆破振动频率进行 分析，得到了振动主频与主要影响因素的函数表达 式笔蜊 灞4 。实测振动数据的回归分析表 明，该公式中各参数有较好的一致性。 2 爆破振动频率预测公式能较好地反映振动 频率变化规律，相关系数在9 7 ％以上，衰减系数届 在一3 左右，这表明主频与比例药量成负相关关系， 与比例速度成正相关关系。 参考文献 [ 1 ] W I L T O NH i l l s ．B l a s tv i b r a t i o nm o n i t o r i n go na n c b o r e d 弛． t a i n i n gw a l l sa n dw i t h i nb o r e h o l e s [ c ] ／／P r o cC o n fR o c k E n ga n dE x c a v a t i o ni nU r b a nE n v i r o n m e n t ，1 9 8 6 4 2 1 - 4 2 7 ． 孟海利，郭峰．爆破地震波主频率的试验研究[ J ] ． 铁道工程学报，2 0 0 9 ，1 1 1 1 8 l - 8 3 ． 宗琦，汪海波，周胜兵．爆破地震效应的监测和控制 技术研究[ J ] ，岩石力学与工程学报，2 0 0 8 ，2 7 5 9 3 8 - 9 4 5 ． 史秀志，陈寿如．爆破振动时频特征的段药量及抵抗 线效应[ J ] ．煤炭学报，2 0 0 9 ，3 4 3 3 4 5 3 4 9 ． 中国生，房营光，徐国元．基于小波变换的建 构 筑物 爆破振动效应评估研究[ J ] ．振动与冲击，2 0 0 8 ， 2 7 8 1 2 1 ．1 2 9 ． 陈明，卢文波，舒大强，等．爆破振动作用下边坡极 限平衡分析的等效加速度计算方法[ J ] ．岩石力学与 工程学报，2 0 0 9 ，2 8 4 7 8 4 - 7 9 0 ． 胡昌华，张军波，夏军，等．基于M A - 兀A B 的系统分 析与设计一小波分析[ M ] ．西安西安电子科技大学 出版社．1 9 9 9 ． 杨建国．小波包分析及其工程应用[ M ] ．北京机械工 业出版社，2 0 0 5 ． ，J 1 J 1 J 1 J 1 J ，J 1 J 陋 口 ． ． b № 口 竺| 万方数据