間隔不耦合裝藥結(jié)構(gòu)形式及特點分析

康永全，薛 里，孫崔源，郭云龍，孟海利

(中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081)

裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計是爆破技術(shù)方案中的基本組成部分，也是施工中控制爆破危害、改善爆破效果的主要技術(shù)手段?！侗瓢踩?guī)程》(GB 6722-2014)中未對裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行術(shù)語解釋[1]，而在中國爆破行業(yè)協(xié)會團體標(biāo)準(zhǔn)《爆破術(shù)語》(T/CSEB 0007-2019)中給出的定義[2]為“炸藥在炮孔內(nèi)的布置形式”，可具體理解為炮孔內(nèi)藥卷與藥卷之間位置、品種和形狀的關(guān)系。鉆孔爆破中，通過選用合理的裝藥結(jié)構(gòu)方式和裝藥參數(shù)，改變藥卷周圍不同性能的傳爆介質(zhì)，可以有效控制炸藥爆炸能量的釋放、分配和作用過程，從而達(dá)到提高爆破效率、控制有害效應(yīng)、降低爆破成本的目的。因此，為達(dá)到理想的精細(xì)爆破目標(biāo)，進(jìn)行裝藥結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計越來越重要。

1 結(jié)構(gòu)形式及應(yīng)用范圍

1.1 按裝藥品種劃分

目前大多數(shù)工程中使用的主裝藥是具有相同密度的同一種炸藥，稱為單一裝藥結(jié)構(gòu)。與之不同的是在同一炮孔內(nèi)裝入不同種類的炸藥或不同密度的同類炸藥，稱為混合裝藥結(jié)構(gòu)，適用于炮孔內(nèi)巖石性質(zhì)差異較大的露天深孔爆破。例如，在炮孔深度方向節(jié)理裂隙較發(fā)育或抵抗線較小的部位裝填低密度、低爆速的炸藥，可有效避免巖石過度粉碎，爆破能量超限而產(chǎn)生飛石。工程實踐中的一部分飛石事故主要是未提前探明前排炮孔沿軸線的抵抗線變化情況或破碎程度，因此，在臺階爆破臨空面凹凸不平或鉆孔角度出現(xiàn)偏差導(dǎo)致抵抗線過小的情況下，應(yīng)采用混合裝藥結(jié)構(gòu)。

1.2 按裝藥位置劃分

1)按藥卷與炮孔在徑向的關(guān)系，裝藥結(jié)構(gòu)可分為：①耦合裝藥，炸藥直徑與炮孔直徑相同，炸藥與炮孔壁之間不留間隙，如散裝藥或現(xiàn)場混裝炸藥，其特點是將炸藥爆炸能量大部分作用于巖石孔壁介質(zhì)，利于開挖巖體的充分破碎，主要應(yīng)用于邊坡開挖主爆孔和現(xiàn)場混裝機械化裝藥作業(yè)；②不耦合裝藥，炸藥直徑小于炮孔直徑，炸藥與炮孔壁之間留有間隙，炮孔直徑與藥卷直徑之比稱為不耦合系數(shù)D。間隙內(nèi)可充填空氣或其他柔性材料，利用傳爆介質(zhì)的緩沖性能，達(dá)到降低孔壁爆炸峰值壓力、保護圍巖的效果，主要用于光面(預(yù)裂)爆破、緩沖爆破、護壁爆破等輪廓控制爆破施工中。

2)按藥卷在炮孔中軸向的關(guān)系，裝藥結(jié)構(gòu)可分為：①連續(xù)裝藥，炸藥自孔底向孔口形成一定長(高)度連續(xù)藥柱的藥卷形式[2]。這種裝藥方式施工簡單，適用于隧道掏槽孔爆破以及巖性條件比較均勻的深孔爆破；②間隔裝藥，也稱不連續(xù)裝藥(也有人把間隔裝藥稱為軸向不耦合裝藥)，裝入炮孔中的炸藥被分開成若干段，各段炸藥之間用材料或裝置隔開，形成一個非連續(xù)藥柱的裝藥形式?？梢圆捎每諝狻⑺蚱渌嵝圆牧蠈崿F(xiàn)藥卷在炮孔中分段間隔，這種裝藥結(jié)構(gòu)不連續(xù)的藥卷一般設(shè)置成同時起爆，使爆炸能量沿軸線分布更加均勻，從而改善破碎效果，形成規(guī)整的開挖面，主要用于光面(預(yù)裂)控制爆破。

1.3 按藥包形狀劃分

為了精確控制光面爆破巖石斷裂方向，基于聚能爆破理論，提出了聚能藥包定向斷裂控制爆破方法，其原理是利用聚能空心柱或開一定寬度的切縫管，控制爆炸應(yīng)力場的分布和爆生氣體對介質(zhì)的準(zhǔn)靜態(tài)作用，實現(xiàn)爆轟產(chǎn)物的能量聚集，從而沿設(shè)計輪廓線形成定向裂紋，精準(zhǔn)控制爆破面成型規(guī)整。實現(xiàn)聚能效應(yīng)的方式有兩種：一種是將藥包直接加工成聚能藥包；另一種是將炸藥裝入帶有聚能穴結(jié)構(gòu)的裝藥裝置，例如，隧道掘進(jìn)聚能水壓光面爆破裝置是利用注藥槍將乳化炸藥注入由兩個“M”形半壁管組成的聚能管中，“M”半壁管頂部中央向內(nèi)凹陷形成聚能槽[3]，此外，還有“C”型、“Ω”型等型式的聚能管[4]。

2 常用裝藥結(jié)構(gòu)的功能及特點分析

將炮孔中藥卷的品種、位置、形狀進(jìn)行變換組合，可獲得多種裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計形式，以滿足不同爆破功能需求。目前較為常用的裝藥結(jié)構(gòu)為間隔裝藥和不耦合裝藥。

2.1 間隔裝藥

間隔裝藥的填充物在炸藥爆炸時屬于傳能介質(zhì)，其特性影響到爆炸產(chǎn)物對巖體的破壞作用，所以應(yīng)根據(jù)工程要求和填充物的特性選擇填充材料，通常情況下為空氣、水或其他柔性材料。與連續(xù)裝藥相比，采用間隔裝藥有以下優(yōu)點：提高裝藥高度，改善填塞段的破碎效果；避開巖體薄弱部位，防止爆破氣體過早逸出，避免飛石事故；減少炸藥使用量，降低爆破成本。

2.1.1 空氣間隔裝藥

間隔裝藥空氣層的存在產(chǎn)生的主要影響為：可以激發(fā)二次應(yīng)力波，對巖體進(jìn)行二次破壞作用；應(yīng)力波峰值明顯降低；延長了應(yīng)力波作用時間，即將炸藥爆炸能量由集中爆發(fā)的方式調(diào)整為緩慢均勻釋放的過程。因此，空氣間隔裝藥可以有效調(diào)節(jié)炸藥能量的分布，提高爆破效果。

空氣間隔裝藥一般空氣層設(shè)置在中部，首先應(yīng)保證孔口良好的填塞長度和質(zhì)量，采用空氣間隔器、BJQ氣體間隔器或兩端封堵的PVC管等裝置實現(xiàn)中部空氣間隔，由于存在兩個相對沖擊波陣面的相互疊加，沿軸向整個孔壁周圍的巖體得到較均勻破碎，且不致造成過度粉碎而產(chǎn)生飛石。

空氣層的位置確定后，空氣柱長度(軸向不耦合系數(shù))是空氣間隔裝藥的關(guān)鍵，其合理與否直接影響光面爆破效果。王凱等[5]通過建立露天深孔爆破三維模型，對不同空氣間隔比例下炮孔的沖擊壓力進(jìn)行分析，認(rèn)為最優(yōu)的空氣間隔比例為17.5%。梁瑞等[6]通過5種不同空氣柱長度的數(shù)值分析，從減小炸藥段附近單元有效應(yīng)力以及保證空氣柱中部裂縫貫通的角度出發(fā)，認(rèn)為隧道光面爆破較為合理的軸向不耦合系數(shù)為3.5～4.5。由于爆破施工場地條件、炸藥性能、爆破參數(shù)千差萬別，難以用理論公式精確計算最佳的空氣間隔長度，實際應(yīng)用時，可根據(jù)施工條件，按照工程類比、數(shù)值分析、理論計算等方法為不同施工現(xiàn)場空氣柱的長度提供參考值，并通過現(xiàn)場試驗確定最佳比例范圍。

2.1.2 水間隔裝藥

水間隔裝藥也稱為軸向水介質(zhì)不耦合裝藥，與空氣相比，水作為傳能介質(zhì)有以下特點[7]：水的可壓縮性比空氣小，在一般壓力下，水幾乎是不可壓縮的，水本身消耗的變形能小得多，能夠更好地傳遞爆炸能量，減少無用功消耗；孔口布置的水袋相當(dāng)于炮泥，具有一定的堵塞作用；炸藥在水中爆炸后爆生氣體的膨脹速度比空氣中慢得多，爆炸沖擊波作用的強度高、時間長、慣性大，水中爆炸壓力能均勻和平緩地作用在周圍介質(zhì)上，使介質(zhì)破碎較均勻。例如，梯恩梯炸藥爆轟時其爆轟波壓力約為14 000 MPa，在空氣中形成的空氣沖擊波初始壓力不超過80～130 MPa，而在水中形成的水中沖擊波初始壓力比爆轟波壓力僅小30%～35%，可達(dá)10 000 MPa以上。水間隔裝藥不僅能夠有效控制爆破振動、空氣沖擊波、爆破飛石，減少爆破有害氣體的生成量，還利于提高光面爆破、預(yù)裂爆破的成型質(zhì)量。

在隧道爆破中，利用水作為傳能介質(zhì)的應(yīng)用技術(shù)有：掏槽孔、輔助孔采用節(jié)能環(huán)保水壓爆破技術(shù)(見圖1)；周邊孔采用聚能水壓光面爆破技術(shù)(見圖2)。

圖1 水壓爆破裝藥結(jié)構(gòu)Fig.1 Charge structure of water pressure blasting

圖2 聚能水壓光面爆破裝藥結(jié)構(gòu)Fig.2 Charge structure of cumulative water pressure smooth blasting

節(jié)能環(huán)保水壓爆破裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計可選用直徑35 mm，長度200 mm，袋厚0.8 mm，容水量160 ml的水封塑料袋；炮孔底部水袋長度L1取1～2卷藥卷長度；裝藥長度L2取常規(guī)爆破裝藥總長度的80%左右；炮孔上部水袋長度與炮泥長度合適的比例為3/4。與常規(guī)爆破相比，節(jié)能環(huán)保水壓爆破，爆破進(jìn)尺增加12.5%，炮孔利用率提高11.5%，節(jié)省炸藥23%，提高了施工效率，改善了施工環(huán)境，具有顯著的經(jīng)濟和環(huán)保效益[8]。

將聚能爆破和水壓爆破相結(jié)合，用于隧道周邊孔光面爆破，形成聚能水壓光面爆破技術(shù)，其裝藥結(jié)構(gòu)的優(yōu)化是由聚能管替代了常規(guī)光面爆破炮孔中的藥卷和導(dǎo)爆索，通過聚能管的聚能作用使其最大壓力作用于所要求的劈裂面(預(yù)裂縫或光爆面)的方向。聚能水壓光面爆破裝藥流程為：炮孔最底部填裝一個水袋，水袋必須裝到炮孔最底部，不能留有空隙；然后裝填聚能管裝置，聚能管取炮孔深度的70%，聚能管裝置要緊挨著炮孔最底部水袋，聚能槽要與輪廓面一致；然后再裝填兩袋水袋，最后用炮泥填塞(見圖2)。與常規(guī)光面爆破相比，聚能水壓光面爆破具有明顯的節(jié)約成本優(yōu)勢，周邊孔數(shù)量減少50%，鉆孔時間減少30 min，成型效果好，爆破成本降低30%以上[9]。

2.1.3 柔性材料間隔裝藥

炮孔底部柔性材料間隔裝藥是在炮孔底部設(shè)置一定厚度的柔性墊層，根據(jù)炸藥和巖石波阻抗匹配原理，利用柔性墊層的緩沖吸能特性，對爆炸沖擊波進(jìn)行強反射弱透射處理，大大降低傳入炮孔底部的沖擊壓力峰值，從而減少對孔底巖石的破壞，這種裝藥結(jié)構(gòu)已被廣泛用于孔底以下基巖需要保護的水利水電工程和核島開挖工程中，柔性墊層可用鋸末、泡沫材料或高阻抗材料做成。復(fù)合消能爆破在白鶴灘水電站壩基開挖中的應(yīng)用表明[10]，炮孔底部巖體的爆破振動降低幅度達(dá)30%以上，最大能達(dá)到56.5%，可有效降低孔底爆破損傷范圍，平整度、超欠挖合格率達(dá)到93%以上。

2.2 徑向不耦合裝藥

徑向不耦合裝藥是利用居中器將藥卷置于炮孔中心位置，在隧道工程中，通常采用導(dǎo)爆索將藥卷串聯(lián)，然后捆綁于竹片上制成“藥串”?？諝獠获詈辖橘|(zhì)對爆破過程的影響為：爆炸瞬間產(chǎn)生的作用力首先要通過炮孔和藥卷之間的空氣間隙緩沖后再作用于炮孔壁面上，進(jìn)而大幅降低了作用在孔壁上的沖擊波峰值壓力；同時，空氣被壓縮和膨脹的過程，增加了爆生氣體的作用時間。因此，不耦合裝藥的作用為：一是改善炸藥能量用于破碎或拋擲巖石能量的比例，提高炸藥能量的有效利用率；二是能有效保護爆破時形成的新自由面；三是降低爆破振動強度。

研究表明：孔壁上切向應(yīng)力最大值與不耦合系數(shù)呈指數(shù)關(guān)系，因此，確定最佳不耦合系數(shù)也就是選擇合適的藥卷直徑至關(guān)重要。所謂最佳不耦合系數(shù)，是指經(jīng)空氣介質(zhì)削減后孔壁壓力既不造成巖石過度粉碎，還能保證有足夠的能量破碎、松動直至拋擲巖體；藥卷直徑還應(yīng)滿足起爆時臨界直徑的要求，要確保炸藥能很快達(dá)到穩(wěn)定爆轟[11]。根據(jù)傳爆介質(zhì)性質(zhì)的不同，常采用空氣或柔性材料實現(xiàn)徑向不耦合。

2.2.1 空氣不耦合裝藥

在深孔臺階爆破中，根據(jù)炮孔各部位夾制作用(爆破阻力)的不同，裝藥底部采用耦合裝藥，裝藥長度取1.3倍底盤抵抗線，裝藥上部采用不耦合裝藥，不耦合裝藥的線裝藥密度q2可以取底部裝藥線裝藥密度q1的0.4～0.6倍，既保證了底部的爆破效果，又節(jié)省了炸藥用量，其裝藥結(jié)構(gòu)和參數(shù)分別如圖3和表1所示。由此可以算出當(dāng)采用底部耦合裝藥、上部不耦合裝藥時，不同炮孔直徑上部不耦合裝藥段的藥卷直徑，在實際應(yīng)用中，采用乳化炸藥藥卷時，底部耦合裝藥段可將乳化炸藥藥卷弱化后在底部充滿炮孔。

圖3 深孔爆破裝藥結(jié)構(gòu)Fig.3 Charge structure of deep hole blasting

表1 上部不耦合裝藥藥卷直徑的選擇

對于隧道光面爆破不耦合系數(shù)，可根據(jù)下列公式計算[12]：

(1)

式中：D為不耦合系數(shù)；db為炮孔直徑，cm；de為裝藥直徑，cm；a為爆生氣體分子余容系數(shù)，a=0.395；p0為爆生氣體初始壓力；[σc]為巖石三軸抗壓強度；r為絕熱指數(shù)。

理論與實踐證明，周邊孔控制爆破不耦合系數(shù)在1.5～2.0范圍內(nèi)時[13]，緩沖作用較佳。隧道鉆孔直徑大都為42 mm，常用的2#巖石乳化炸藥成品藥卷直徑為32 mm，此時不耦合系數(shù)為1.31，所以施工現(xiàn)場在無光爆專用炸藥的情況下，應(yīng)進(jìn)行周邊孔裝藥結(jié)構(gòu)改進(jìn)。

2.2.2 柔性材料偏心不耦合裝藥

目前，在巖石開挖應(yīng)用光面爆破技術(shù)時，其裝藥結(jié)構(gòu)大多數(shù)都是偏心不耦合裝藥，藥卷并非位于炮孔中心，這種偏心效應(yīng)如果利用得當(dāng)，可以有效引導(dǎo)爆炸能量用于破碎開挖巖體(見圖4)。泡沫材料不耦合裝藥結(jié)構(gòu)的要點是利用柔性泡沫材料良好的沖擊防護性能，最大限度地降低對預(yù)留保護圍巖的爆破損傷，適用于隧道光面護壁爆破施工，可實現(xiàn)周邊孔裝藥一致化、簡便化、預(yù)制化[14]。根據(jù)點不耦合系數(shù)的定義，即孔壁某點與藥卷中心的連線長度與該連線藥卷長度之比，圖4中裝藥結(jié)構(gòu)最大點不耦合系數(shù)可達(dá)3.79(PVC管徑38 mm，藥卷直徑32 mm)。由爆炸力學(xué)和應(yīng)力波透反射理論，對于開挖側(cè)，爆轟產(chǎn)物直接作用于孔壁，發(fā)生一次透反射，透射系數(shù)T1=1.37，對于護壁側(cè)，爆轟產(chǎn)物先作用于泡沫材料，再作用于孔壁，經(jīng)過兩次透反射，透射系數(shù)T2=0.4，作用在開挖側(cè)和護壁側(cè)的孔壁壓力相差3.4倍(泡沫材料和巖石參數(shù)如表2所示)，較好實現(xiàn)了破碎和保護的爆破目標(biāo)。

圖4 泡沫材料不耦合裝藥結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of foam decoupling charge

表2 泡沫材料和巖石參數(shù)

3 結(jié)語

隨著精細(xì)爆破理念的提出和踐行，對爆破效果的預(yù)設(shè)目標(biāo)提出了更高要求，而影響爆破效果的因素有很多，比如炸藥性能、裝藥結(jié)構(gòu)、爆破條件、地質(zhì)條件等，其中調(diào)整裝藥結(jié)構(gòu)是一種簡單、有效的技術(shù)途徑，爆破技術(shù)人員應(yīng)重視炸藥性能和巖石性質(zhì)相匹配以及裝藥結(jié)構(gòu)科學(xué)化的設(shè)計研究，對降低爆破成本、提高施工效率具有重要的實際意義。