張慶彬，陽軍生，吳從師，張學(xué)民，梁奎生，劉洪震，方風(fēng)華

(1.長沙理工大學(xué)土木與建筑學(xué)院，湖南 長沙 410004；2.中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075；3.中鐵隧道股份有限公司臺(tái)山核電站取水隧洞工程項(xiàng)目，廣東 臺(tái)山 529228；4.中鐵隧道集團(tuán)科研所，河南 洛陽 471009；5.湖北省宜昌市港航管理局，湖北 宜昌 443000)

上覆巖土條件下孤石爆破預(yù)處理炸藥單耗實(shí)驗(yàn)*

張慶彬1,2，陽軍生2，吳從師1，張學(xué)民2，梁奎生3，劉洪震4，方風(fēng)華5

(1.長沙理工大學(xué)土木與建筑學(xué)院，湖南 長沙 410004；2.中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075；3.中鐵隧道股份有限公司臺(tái)山核電站取水隧洞工程項(xiàng)目，廣東 臺(tái)山 529228；4.中鐵隧道集團(tuán)科研所，河南 洛陽 471009；5.湖北省宜昌市港航管理局，湖北 宜昌 443000)

盾構(gòu)機(jī)在風(fēng)化花崗巖地層掘進(jìn)會(huì)遇到高強(qiáng)度孤石，為降低施工風(fēng)險(xiǎn)、避免刀盤及刀具嚴(yán)重?fù)p壞，常采用地面鉆孔爆破對前方孤石進(jìn)行預(yù)處理，但其炸藥單耗一般由經(jīng)驗(yàn)公式確定，導(dǎo)致爆破效果不理想。結(jié)合實(shí)際工程對爆破塊度小于30 cm的特殊要求，采用爆破模型實(shí)驗(yàn)對炸藥單耗進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：滿足特殊塊度要求的陸地鉆孔爆破炸藥單耗是常規(guī)鉆孔爆破的5.4～6.5倍；上覆地層厚度與炸藥單耗呈線性遞增關(guān)系；實(shí)驗(yàn)得出的炸藥單耗是瑞典經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值的3.4～4.9倍。由此提出滿足工程需要的炸藥單耗修正公式，應(yīng)用于實(shí)際工程并通過驗(yàn)證取得良好效果，為類似工程孤石爆破預(yù)處理炸藥單耗的計(jì)算提供依據(jù)和參考。

爆炸力學(xué)；炸藥單耗；爆破；孤石；盾構(gòu)；預(yù)處理；模型實(shí)驗(yàn)

盾構(gòu)機(jī)穿越堅(jiān)硬花崗巖基巖和孤石地段時(shí)，先通過爆破預(yù)處理后進(jìn)行掘進(jìn)的方案在地下工程中已有成功應(yīng)用，如：深圳地鐵5號線寶翻區(qū)間、翻靈區(qū)間和民五區(qū)間[1]，日本茨城縣日立市下水道工程[2]，臺(tái)山核電引水隧道工程[3-5]等。為保障盾構(gòu)機(jī)出渣系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，臺(tái)山核電引水隧道經(jīng)爆破預(yù)處理后塊度須控制在30 cm以內(nèi)[6]；炸藥用量過低會(huì)導(dǎo)致爆破后塊度過大，增加盾構(gòu)機(jī)出渣難度甚至破壞盾構(gòu)機(jī)刀盤和出渣系統(tǒng)，炸藥用量過大會(huì)增加成本，且會(huì)擠壓周圍軟弱巖層形成較大空腔，增加爆后注漿量及盾構(gòu)機(jī)保壓難度，所以本文中將對此特殊情況的炸藥單耗進(jìn)行研究。

目前各國類似工程炸藥單耗確定以經(jīng)驗(yàn)公式為主，最常用的為水下爆破炸藥單耗經(jīng)驗(yàn)公式，但其研究成果較少，主要有：劉美山等[7]通過10個(gè)混凝土試件的陸地和水下爆破效果對比分析，探討了在25～30 m水深時(shí)炸藥單耗的增量問題；劉慧等[8]從理論上推導(dǎo)了炸藥單耗與爆破塊度分布均勻性指數(shù)的關(guān)系；陳運(yùn)軒[9]通過研究得出了平均塊度增大一倍、炸藥單耗減少一倍的結(jié)論。以上結(jié)論以水下爆破為主要研究對象且都基于分析現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出，都有一定局限性，不能簡單直接套用。本工程的爆破預(yù)處理屬于上覆巖土條件下爆破，與水下爆破存在較大差異。首先被爆體周圍介質(zhì)差異性較大，水下爆破周圍介質(zhì)以水為主而深孔基巖爆破周圍介質(zhì)以土、巖為主；其次對于塊度的要求不同，本工程對爆破后巖塊塊度有小于30 cm的特殊要求，所以需對炸藥單耗的確定進(jìn)行研究。

本文中，依托臺(tái)山核電引水隧道項(xiàng)目，引入爆破實(shí)驗(yàn)相似準(zhǔn)則，結(jié)合基巖和周圍軟弱巖層物理、力學(xué)特性確定相似律，在現(xiàn)場進(jìn)行小比例爆破模型實(shí)驗(yàn)，測量不同埋深條件下滿足特殊塊度要求的炸藥單耗，進(jìn)而分析炸藥單耗和上覆巖層深度的對應(yīng)關(guān)系，將其與常用的炸藥單耗經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行對比，在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)適用于本工程的炸藥單耗經(jīng)驗(yàn)公式，為現(xiàn)場爆破預(yù)處理的炸藥單耗提供計(jì)算依據(jù)。

1 工程概況

臺(tái)山核電站取水隧洞位于陸域腰古咀至大襟島之間的海域中，隧洞全長4 330.6 m，隧洞兩端有陸域側(cè)工作井及大襟島側(cè)工作井各1座。取水隧洞為雙洞取水方式，開挖洞徑為9.03 m，隧洞埋深11～29 m，兩洞中線間距29.2 m。取水隧洞大部分采用泥水平衡盾構(gòu)施工，進(jìn)出洞取水構(gòu)筑物及隧洞硬巖部分采用鉆爆法施工。根據(jù)地勘結(jié)果，隧洞線路內(nèi)有多處花崗巖殘留體和基巖凸起，平均強(qiáng)度約100 MPa，個(gè)別區(qū)段巖石強(qiáng)度甚至達(dá)到180 MPa。

2 模型實(shí)驗(yàn)參數(shù)確定

2.1 爆破相似準(zhǔn)則的建立

模型實(shí)驗(yàn)主要解決無自由面深孔爆破預(yù)處理的炸藥單耗問題，即關(guān)注特定爆破塊度對應(yīng)的炸藥單耗q(或炸藥量Q)，所以相似準(zhǔn)則的建立和各影響參數(shù)的確定主要考慮影響炸藥單耗q(或炸藥量Q)和爆破塊度的參數(shù)。根據(jù)材料相似、幾何參數(shù)相似和實(shí)驗(yàn)的爆破動(dòng)力相似三原則建立[10-15]模型的相似準(zhǔn)則，然后采用π定理及量綱分析法確定現(xiàn)場爆破的相似準(zhǔn)則，模型實(shí)驗(yàn)選取的現(xiàn)場物理量及其量綱和數(shù)值見表1。

表1 模型實(shí)驗(yàn)中選取的現(xiàn)場物理量、量綱及數(shù)值Table 1 Dimensions and values of on-the-site physical quantities in model test

模型實(shí)驗(yàn)炸藥量的影響方程為：

(1)

式中：Q為因變量，其余為自變量，基本量綱為3個(gè)，取v、ρ、R為獨(dú)立量綱量。按π定理及量綱分析法，求得下列量綱為1的相似判據(jù)：

(2)

這些量綱一量滿足：

f=(π1，π2，π3，π4，π5，π6，π7，π8)

(3)

這就是無自由面條件下爆破模型實(shí)驗(yàn)的相似律，其含義和具體數(shù)值見表2。

2.2 模型尺寸及材料確定

按幾何相似比1∶7考慮，模型尺寸為15 cm，由相似準(zhǔn)則得模型實(shí)驗(yàn)的相關(guān)參數(shù)：裝藥半徑為0.68 cm、裝藥長度為13.5 cm；炸藥密度約為1 000 kg/m3，爆速3 200 m/s；試塊強(qiáng)度為53.2 MPa、密度2 200 kg/m3、波速為3 382 m/s；上覆層材料選取波阻抗為4 100 t/(m2·s)的材料，確定為砂子，密度為1 600 kg/m3，波速2 562 m/s。裝藥時(shí)考慮雷管參數(shù)：外徑為6 mm，每發(fā)雷管藥量為0.7 g，雷管長度為7 cm，并考慮實(shí)際操作問題；爆破塊度為4.5 cm。

表2 相似律各參數(shù)含義及數(shù)值Table 2 Parameters and values of similarity law

3 爆破模型實(shí)驗(yàn)

3.1 試塊制作及參數(shù)測定

現(xiàn)場試塊制作時(shí)參照標(biāo)號為C50的混凝土進(jìn)行，通過實(shí)驗(yàn)要求參數(shù)對混凝土試塊進(jìn)行強(qiáng)度、波速和密度測試，不斷調(diào)整其配合比，最終達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求的混凝土配合比，見表3，模型試塊密度在2 200～2 300 kg/m3之間，波速在3 300～3 500 m/s之間，強(qiáng)度范圍為52.0～55.0 MPa。

表3 混凝土試塊配合比(kg/m3)Table 3 Proportions of components in concrete sample (kg/m3)

3.2 模型實(shí)驗(yàn)

模型實(shí)驗(yàn)時(shí)，根據(jù)覆蓋層厚度的不同考慮了6種工況的實(shí)驗(yàn)，分別為上部無覆蓋層、上部覆蓋層厚度分別為30、50、70、100和150 cm的情況，上部無覆蓋層條件時(shí)將試塊按照爆破得出不同厚度覆蓋層條件對應(yīng)的最佳炸藥單耗，并對爆破現(xiàn)象進(jìn)行了記錄整理，見表4，其中：qb為最佳炸藥單耗。

3.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

從以上6種工況的模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果看以總結(jié)出以下規(guī)律：

(1)滿足實(shí)驗(yàn)塊度要求時(shí)的陸地爆破(上部無覆蓋層)炸藥最佳單耗為3.26 kg/m3，為常規(guī)爆破炸藥單耗(0.5～0.6 kg/m3)的5.4～6.5倍；

(2)隨著覆蓋層厚度從無到2倍試塊尺寸，爆破對覆蓋層表面的影響從形成爆破漏斗到覆蓋層表面塌陷，影響區(qū)域逐漸減?。桓采w層從2倍試塊尺寸到3.3倍試塊尺寸(上部覆蓋層50 cm)時(shí)，地表塌陷逐漸消失，地表形成環(huán)形裂紋；

(3)將實(shí)驗(yàn)的覆蓋層厚度(H)和最佳炸藥單耗(qb)通過MATLAB軟件進(jìn)行擬合分析，得到其對應(yīng)關(guān)系為：

qb=1.736 8H+3.385 5

(4)

式中：H為覆蓋層厚度(m)，即巖石埋深；qb為最佳炸藥單耗(kg/m3)。由公式(3)可以得出最佳炸藥單耗和覆蓋層厚度成1.736 8倍的線性增加關(guān)系。

表4 試塊爆破裝藥量及爆后塊度統(tǒng)計(jì)Table 4 Charge weight of samples and fragmentation statistics

(4) 當(dāng)覆蓋層深度達(dá)到或大于4.7倍試塊尺寸時(shí)，試塊爆破不會(huì)對地表產(chǎn)生任何影響，但爆破會(huì)使試塊周邊區(qū)域(主要是試塊上部區(qū)域)的砂層擠密而形成空腔。在實(shí)際工程中，若爆后不處理或處理不到位，爆破導(dǎo)致的空腔會(huì)使盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)到此位置時(shí)產(chǎn)生壓力突變進(jìn)而保壓困難，甚至威脅掌子面的穩(wěn)定和盾構(gòu)機(jī)的壓力平衡系統(tǒng)，導(dǎo)致重大工程事故。

3.4 現(xiàn)場爆破炸藥單耗

根據(jù)模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果和爆破相似準(zhǔn)則可以得出現(xiàn)場爆破對應(yīng)的炸藥單耗，并通過MATLAB軟件對現(xiàn)場爆破的埋深和炸藥單耗數(shù)據(jù)(見表5)進(jìn)行擬合，得出兩者為線性關(guān)系：

qb=0.248 1H+3.385 5

(5)

表5 模型實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場爆破的炸藥單耗Table 5 Explosive consumption in model experiment and on-the-tsite blasting

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)公式的對比及修正

4.1 常用水下爆破炸藥單耗經(jīng)驗(yàn)公式比對

無自由面深孔基巖爆破預(yù)處理時(shí)炸藥單耗的確定無較成熟的經(jīng)驗(yàn)公式或研究成果可以借鑒，只能參考類似情況的爆破。目前各國工程遇到類似情況在確定炸藥單耗時(shí)一般借鑒水下爆破的炸藥單耗公式，常用的經(jīng)驗(yàn)公式見表6，但水下爆破常用的炸藥單耗經(jīng)驗(yàn)公式[16-17]都是在陸地土巖爆破基礎(chǔ)上修正得來的，在參考使用時(shí)難免產(chǎn)生較大誤差。

對水下爆破常用的4個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式對比得出：中國水利系統(tǒng)常用的計(jì)算公式、日本炸藥協(xié)會(huì)公式和瑞典公式3者較相似，均考慮了水深、覆蓋層影響，另外中國水利系統(tǒng)和瑞典經(jīng)驗(yàn)公式形式簡單且較為接近，考慮因素也比較全面，但以上經(jīng)驗(yàn)公式均沒有考慮爆后塊度的特殊要求，都是按照常規(guī)爆破的采、運(yùn)要求為控制指標(biāo)。為對比分析模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果與常用水下爆破炸藥單耗經(jīng)驗(yàn)公式的差別，以及在此基礎(chǔ)上進(jìn)行修正，最終確定采用形式簡潔和應(yīng)用廣泛的瑞典經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行，其計(jì)算公式如下：

q=q1+q2+q3+q4

(6)

式中：q1為基本裝藥量，是一般陸地梯段爆破的2倍，對水下垂直鉆孔，再增加10%；q2為爆區(qū)上方水壓增量，q2=0.01h2，h2為水深；q3為爆區(qū)上方覆蓋層增量，q3=0.02h3，h3為覆蓋層(淤泥或土、砂)厚度；q4為巖石膨脹增量，q4=0.03h，h為梯段高度。

表6 水下爆破炸藥單耗經(jīng)驗(yàn)公式對比Table 6 Comparison of explosive consumption empirical formula in underwater explosion

4.2 經(jīng)驗(yàn)公式與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比

為對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果和瑞典經(jīng)驗(yàn)公式得出的炸藥單耗在實(shí)際工程中的差別，結(jié)合臺(tái)山核電具體工程，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出的式(5)與常用的水下爆破瑞典經(jīng)驗(yàn)公式分別進(jìn)行計(jì)算，得出在不同覆蓋層深度條件下的單耗結(jié)果，并將其數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，對比數(shù)據(jù)見表7，其中：η為瑞典經(jīng)驗(yàn)公式與式(5)的結(jié)果之比。

表7 瑞典經(jīng)驗(yàn)公式和本文擬合公式的炸藥單耗對比Table 7 Comparison of explosive consumption between results of Sweden empirical formula and fitting formula

由表7看出瑞典經(jīng)驗(yàn)公式得出的炸藥單耗小于模型實(shí)驗(yàn)得出的炸藥單耗，究其原因主要是因?yàn)槿鸬浣?jīng)驗(yàn)公式對于爆破塊度僅以常規(guī)的采、運(yùn)為標(biāo)準(zhǔn)，與本工程的不大于30 cm塊度要求出入較大。在無自由面深孔爆破時(shí)，根據(jù)不同埋深情況炸藥單耗為常用的瑞典經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果的3.4～4.9倍。

5 現(xiàn)場爆破預(yù)處理方案及效果驗(yàn)證

5.1 爆破預(yù)處理方案

陸域段施工主要從K0+201向K0+159方向施工，在有孤石或基巖的地段采用地質(zhì)鉆機(jī)垂直鉆孔，鉆孔直徑為90 mm。選用標(biāo)準(zhǔn)直徑為60 mm的乳化炸藥，為了減小爆破振動(dòng), 采用孔內(nèi)分層裝藥和延時(shí)起爆，孔內(nèi)雷管選用毫秒導(dǎo)爆管雷管，地表連接成非電復(fù)式起爆網(wǎng)路，最后采用2發(fā)瞬發(fā)電雷管起爆。裝藥結(jié)構(gòu)見圖1。

5.2 爆破效果

為研究模型實(shí)驗(yàn)在實(shí)際工程中的應(yīng)用效果，在爆破預(yù)處理完成后進(jìn)行了51組巖芯取樣驗(yàn)證(如圖2所示)，取芯結(jié)果表明其爆破后塊度大部分均在30 cm以內(nèi)。

圖1 爆破預(yù)處理裝藥結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Charge structure of blasting pretreatment

圖2 爆破預(yù)處理后芯樣Fig.2 Rock fragmentations after blasting

另外，在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中，對掘進(jìn)參數(shù)中的掘進(jìn)速度、掘進(jìn)推力和掘進(jìn)時(shí)間進(jìn)行了分析，分析結(jié)果證明其應(yīng)用效果良好，盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過程中未發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象，正常通過了孤石和基巖突起區(qū)域。

表8 孤石段與正常段盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)對比表Table 8 Comparison of boulder's driving parameters with those of normal section

從表8可以看出，爆破后孤石段平均掘進(jìn)速度為15.5 mm/min，正常段段掘進(jìn)速度為13.8 mm/min，兩段掘進(jìn)速度差別不大；爆破后孤石段平均每環(huán)掘進(jìn)時(shí)間為121 min，未爆破段平均每環(huán)掘進(jìn)時(shí)間為108 min，兩段平均每環(huán)掘進(jìn)時(shí)間差別不大；爆破后孤石段平均掘進(jìn)推力為18 739 kN，正常段平均掘進(jìn)推力為18 035 kN，兩段平均每環(huán)掘進(jìn)推力差別不大。從盾構(gòu)機(jī)的3項(xiàng)掘進(jìn)參數(shù)來看，孤石段爆破后與正常段掘進(jìn)相差無幾，達(dá)到了理想的效果。

6 結(jié) 論

(1) 根據(jù)模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出在滿足30 cm塊度要求的前提下，陸地爆破炸藥單耗是常規(guī)爆破單耗的5.4～6.5倍。

(2) 從爆破實(shí)驗(yàn)可以看出，不同上覆層厚度會(huì)影響爆破現(xiàn)象。上覆層厚度在被爆體3倍尺寸內(nèi)時(shí)會(huì)對地表產(chǎn)生影響，大于3倍則不會(huì)對地表產(chǎn)生明顯影響。

(3) 水下爆破炸藥單耗的瑞典經(jīng)驗(yàn)公式和實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏差較大。原因有：對爆破后塊度的要求不同、被爆體周圍介質(zhì)不同。

(4) 無自由面深孔爆破預(yù)處理時(shí)，滿足本工程對爆破塊度特殊要求的前提下，炸藥單耗為常用水下爆破瑞典經(jīng)驗(yàn)公式的3.4～4.9倍，基于此提出了適合本工程特殊要求的炸藥單耗修正公式，解決本工程實(shí)際問題的同時(shí)也為類似工程炸藥單耗的確定提供了計(jì)算依據(jù)和參考價(jià)值。

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(責(zé)任編輯 王小飛)

Experiment of explosive consumption by blasting pretreated boulders with overlying stratum of rock-soil

Zhang Qingbin1,2, Yang Junsheng2, Wu Congshi1, Zhang Xuemin2, Liang Kuisheng3, Liu Hongzhen4, Fang Fenghua5

(1.SchoolofCivilEngineeringandArchitecture,ChangshaUniversityofScienceandTechnology,Changsha410004,Hunan,China; 2.SchoolofCivilEngineering,CentralSouthUniversity,Changsha410075,Hunan,China; 3.IntakeTunnelProjectofTaishanNuclearPowerStation,DepartmentofChinaRailwayTunnelStockCo.,LTD,Taishan529228,Guangdong,China; 4.ChinaRailwayTunnelGroupResearchInstitute,Luoyang471009,Henan,China;5.YichangPartandChannelAdministrativeBureau,Yichang443000,Hubei,China)

During the tunneling construction in hard granite strata utilizing shield machines, pretreatment of boulders by blasting was commonly used to prevent the abrading cutter from serious damages and reduce construction risks, but the explosive consumption was usually determined based on empirical formula, resulting in that the blasting effect was often far from satisfactory. In the present work, aiming to meet the special requirement that rock fragments from the blasting should be less than 30 cm in practice, we investigate the explosive consumption using a model test of blasting. The results show that the explosive consumption of land blasting is 5.4-6.5 times that of conventional blasting when the requirement of rock fragmentation is satisfied; the explosive consumption increases linearly with the depth of overlying stratum; and the explosive consumption of model test was 3.4-4.9 times that of the empirical formula. Thus, the revised empirical formula is derived and proved valid based on the on-the-site practice. The revised formula can serve as calculation basis and reference value for similar projects of tunneling construction.

mechanics of explosion; explosive consumption; blasting; boulder; shield; pre-treatment; model experiment

10.11883/1001-1455(2016)05-0695-08

2014-11-10；

2015-06-30

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51508038，51274049,51378505)；湖南省教育廳項(xiàng)目(15C0051)； 長沙理工大學(xué)土木與建筑學(xué)院重點(diǎn)學(xué)科(13ZDXK11)

張慶彬(1980- )，男，博士，講師，cslgzqb@126.com。

O381國標(biāo)學(xué)科代碼：13035

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