姜聰宇，周鑫，徐起

（中交上航局航道建設有限公司，浙江 寧波315200）

0 引言

通過研究國內外鉆孔爆破工藝發(fā)現(xiàn)，水下鉆孔爆破普遍采用的連續(xù)柱狀裝藥結構存在爆炸能量利用率低、炸后塊石大塊率高、易產(chǎn)生根底等諸多弊端。通過模型實驗和礦山實踐證明，將連續(xù)柱狀裝藥結構改為軸向空氣間隔裝藥結構，可以使爆炸能量得到有效利用，從而提高巖石破碎率、降低巖石過度粉碎、降低大塊率，取得理想的爆破效果[1]。龔杰等[2]在礦山開采中運用空氣間隔器形成中部空氣間隔，大塊率、粉礦率均有所下降。王凱等[3]通過模擬和現(xiàn)場試驗發(fā)現(xiàn)中部空氣間隔裝藥能夠提高巖石破碎率、降低大塊率。陳玉凱等[4]通過現(xiàn)場試驗發(fā)現(xiàn)孔底空氣間隔裝藥有利于克服根底、減少超深。辜大志等[5]通過試驗發(fā)現(xiàn)孔底空氣間隔裝藥具有降震效果，降震率可達10%～15%。

廈門新機場運輸航道工程主要施工任務為水下炸礁，設計工程量高達106.5萬m3，是福建地區(qū)歷史上最大的炸礁項目。本工程具有以下幾個特點：

1）火工品用量大，一旦發(fā)生意外，危險性大、后果嚴重。

2）航道與其它已建航道及航線交錯，船流密集，通航環(huán)境較為復雜。

3）施工地點位于國家一級保護動物、素有“海上大熊貓”之稱的中華白海豚的外圍活動區(qū)域，社會關注度高，政府監(jiān)管嚴格。

本文結合工程實際情況，通過建立模型，旨在針對不同的空氣間隔裝藥結構在水下鉆孔爆破中的爆破效果進行分析，尋求合適的水下空氣間隔裝藥結構，對水下鉆孔爆破工藝進行調整優(yōu)化，減少火工品用量，降低對施工區(qū)域周邊環(huán)境的影響。

1 材料模型與狀態(tài)方程

由于LS-DYNA程序適用于高速碰撞、爆炸沖擊作用下的大變形等特性，因此廣泛應用于爆炸模擬[6]。模型所涉及的材料中，空氣、炸藥和海水采用ALE算法進行模擬，而巖石和堵塞采用Lagrange算法。

1.1 巖石材料模型

由于Holmquist-Johnson-Cook（HJC）模型能夠很好地描述工程材料在大應變、高靜水壓力和高應變率下的動態(tài)力學行為，因此在工程材料沖擊爆炸數(shù)值分析中得到廣泛應用[7]。

HJC強度模型以特征化等效應力描述的表達式為：

式中：σ*為特征化等效應力（σ*≤Smax，Smax取7.0）；Aa、Ba、N統(tǒng)稱為極限面參數(shù)，其中Aa取0.79，Ba取1.6，N取0.61；D為損傷變量；p*為特征化壓力；Ca為應變率影響參數(shù)，取0.007；ε˙*=ε˙/ε˙0為特征化應變率，實際應變率ε˙取1.0 s-1，參考應變率ε˙0取1.0 s-1。

HJC損傷模型的表達式為：

式中：Δεp、Δμp為一個計算循環(huán)內單元的等效塑性應變增量和塑性體積應變增量；εpf+μpf表示當前積分步下的塑性應變；損傷常數(shù)D1取0.04，D2取1.0；T*=T/fc為材料所能承受的最大特征化拉伸壓力，材料拉伸強度T取0.005 2 GPa，準靜態(tài)單軸抗壓強度fc取0.072 GPa；EFMIN為材料斷裂時的最小塑性應變，取0.01。

1.2 炸藥材料模型

炸藥材料模型采用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN，并采用JWL狀態(tài)方程進行爆轟壓力計算[8]，壓力可表示為：

式中：V為相對體積，取1；Eb為初始內能，取4.192 GPa；Ab、Bb、R1、R2、ω為表征炸藥特性的常數(shù)，本工程采用的是2號巖石乳化炸藥，Ab取214.4 GPa，Bb取0.182 GPa，R1取4.2，R2取0.9，ω取0.152；ρ為密度，取1 150 kg/m3；D0為爆速，取3 500 m/s。

1.3 水狀態(tài)方程

采用Gruneisen狀態(tài)方程描述水在高壓下的行為特性，它定義的壓縮材料壓力和膨脹材料壓力分別為：

式中：ρ0為材料密度；Cc為材料中的聲速，取1 480 m/s；μ=ρ/ρ0-1；γ0為Gruneisen系數(shù)，取0.5；α為對γ0的一階體積修正量，取0；S1、S2、S3為沖擊波速度μs-μp曲線斜率的系數(shù)，其中S1取2.56，S2取-1.986，S3取0.226 8；Ec為材料單位初始質量的內能，取265 J/kg。

1.4 空氣狀態(tài)方程

空氣的狀態(tài)方程采用線性多項式描述，其表達式為：

式中：μ=ρ/ρ0-1；C0、C1、C2、C3和C6的值取0，C4和C5的值取0.4。

2 模型建立與分析

2.1 計算模型

根據(jù)工程現(xiàn)場實際情況，模型基本參數(shù)包括鉆孔深度5.5 m、孔徑145 mm、炸藥和空氣段直徑130 mm、碎石堵塞0.5 m。5種裝藥結構分為2種連續(xù)裝藥結構和3種空氣間隔裝藥結構。其中，連續(xù)裝藥結構分為炸藥段長3.6 m和4.8 m兩種（見圖1（a）、（e））；空氣間隔裝藥結構分為孔底空氣間隔（炸藥段長3.6 m，空氣段長1.2 m，見圖1（b））、中間空氣間隔（炸藥段分成上下2段，每段長1.8 m，空氣段長1.2 m，見圖1（c））和孔底、中間空氣間隔（炸藥段分成上下2段，每段長1.8 m，孔底、中間空氣段各0.6 m，見圖1（d））。

圖1 5種裝藥結構Fig.1 Five kindsof charge structures

5種結構的巖石、炮孔、海水及空氣層模型尺寸均一致，海水深度取8 m，炮孔底部巖石取4 m，炮孔兩側巖石各取6 m，海水上部空氣層取2 m。圖2給出了中間空氣間隔炸藥結構的模型作為典型代表。

圖2 中間空氣間隔炸藥結構的計算模型（m）Fig.2 Calculation model of intermediate air-deck charge structure(m)

為模擬無限大域巖石、海水和空氣層，在巖石底部與兩側、海水兩側和空氣兩側與上部各個面分別施加無反射邊界條件；巖石與炸藥、海水、空氣之間的相互作用采用流固耦合的方法實現(xiàn)。所有模擬數(shù)值單位均采用m-kg-s，此單位制下，力的單位是N，應力單位為Pa。

所有結構均設置2個起爆點，且同時起爆。其中，3.6 m連續(xù)裝藥、孔底空氣間隔和4.8 m連續(xù)裝藥分別在藥柱中心線1/4和3/4的位置各設置1個起爆點；中間空氣間隔與孔底、中間空氣間隔分別在兩段炸藥各自的中心位置設置起爆點。

2.2 應力云圖分析

取各結構的最大范圍應力云圖（t=600μs）進行對比，如圖3所示。對應力場范圍進行測量可知，所有裝藥結構在其徑向的影響范圍相差不大，集中在3.2～3.5 m之間，在裝藥軸向的影響范圍因裝藥結構不同而有所差異。

圖3 5種結構的最大范圍應力云圖Fig.3 Maximum range stressnephogramsof five structures

由圖3（a）可知，3.6 m連續(xù)裝藥結構的爆炸能量主要集中在炮孔中下部，有利于克服炮孔中下部及底部圍巖的夾制力作用，加強中下部及底部破巖作用。然而，由于炮孔上部未裝藥，能量密度低，會導致孔口附近巖石無法正常破碎。

由圖3（b）可知，孔底空氣間隔結構的爆炸能量主要集中在炮孔中上部，對該部分有較好的破巖作用，而炮孔底部由于空氣段吸收了部分爆炸能量，周圍巖石的破碎效果相對較弱。

由圖3（c）可知，中間空氣間隔結構與前兩種結構相比，在炮孔軸向的破巖范圍相對更廣。爆炸能量分布于炮孔上、下部，在一定程度上避免了能量的過度集中。空氣段能量密度相對較低，但經(jīng)過空氣壓縮再釋放，以及沖擊波在空氣-炸藥界面的多次反射后，中部巖石的應力也在一定程度上得到提高。

由圖3（d）可知，孔底、中間空氣間隔結構對巖石的損傷范圍基本覆蓋了炮孔整個軸向范圍，且應力大小分布相對均勻?？諝忾g隔的效果是結構2和結構3的綜合：中間空氣間隔起到了避免炸藥能量過度集中的作用；孔底空氣間隔吸收了較多能量，對底部巖石的破巖作用與結構1、3相比有所下降，但與結構2相比有所提高。

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由圖3（e）可知，4.8 m連續(xù)裝藥結構在整個炮孔軸向范圍都具有相對均勻的爆炸能量，但因其炸藥用量大，應力水平較高，易造成孔壁附近巖石的過度破碎，能量在炮孔徑向方向衰減快。

2.3 應力時程分析

為了研究裝藥結構的爆破效果，共選取了7個點進行觀測，分別是：位于炮孔一側距離炮孔中心線1 m處的①、②、③，分別位于結構3炸藥段的上、中、下部位；距離炮孔底部1 m處的④；位于裝藥段中部且垂直于藥柱中心線的單元⑤、⑥、⑦，分別位于孔壁、距離炮孔中心線1.4 m和2.7 m處。測點位置示意圖見圖4。測點測得的峰值應力如表1所示。

圖4 測點位置Fig.4 Location of measuring points

為了對不同裝藥結構的爆破效果進行對比分析，選取測點①、②、③、⑤作為分析對象，分別將每個點測得的5種結構的應力時程曲線進行比較，如圖5所示。

表1 峰值應力統(tǒng)計Table 1 Peak stressstatistics

圖5 5種結構的應力時程曲線Fig.5 Stress time history curvesof five structures

測點①處，3種空氣間隔與4.8 m連續(xù)裝藥結構的應力峰值相差不大，應力時程曲線也基本一致，孔底空氣間隔略大于其他裝藥結構；3.6 m連續(xù)裝藥結構的應力峰值僅為其它的一半，這是由于裝藥段布置在炮孔中下部，爆炸能量集中在中下部的緣故，與應力云圖分析一致。

測點②處，4.8 m連續(xù)裝藥的應力峰值最大，但衰減較快；3.6 m連續(xù)裝藥和孔底空氣間隔裝藥的應力峰值次之，二者應力時程幾乎一致，第1個峰值過后的應力值均大于其他裝藥結構；中間空氣間隔的應力峰值最小，這是因為測點位于中間空氣間隔段的中心位置；孔底、中間空氣間隔的應力峰值較小，因為測點位于炸藥和空氣段的交界面高度上。

測點③處，3.6 m連續(xù)裝藥、中間空氣間隔和4.8 m連續(xù)裝藥結構的應力峰值相差不大，孔底空氣間隔最小。從時程曲線看，第1個峰值過后3.6 m連續(xù)裝藥的應力最大，4.8 m連續(xù)裝藥和中間空氣間隔結構略小，但很接近。

測點⑤處，3.6 m連續(xù)裝藥、孔底空氣間隔和4.8 m連續(xù)裝藥3種結構的應力峰值相同，中間空氣間隔裝藥最小。從時程曲線看，中間空氣間隔結構形成2個應力峰值并持續(xù)較長時間，在其衰減時孔底空氣間隔結構的應力曲線開始上升形成較高的應力并持續(xù)較長時間，而孔底、中間空氣間隔結構的曲線類似前兩者的結合。3 000μs后4.8 m連續(xù)裝藥、孔底空氣間隔和孔底、中間空氣間隔結構的曲線相差不大，均能保持較高應力。

綜合來看，4.8 m連續(xù)裝藥結構在7個測點產(chǎn)生的應力峰值都比較大，但衰減較快，后期的應力時程接近甚至略小于空氣間隔結構，說明空氣間隔結構有減少能量損失的作用；3.6 m連續(xù)裝藥、孔底空氣間隔及中間空氣間隔結構類似，炸藥段的巖石應力較大，非藥段或空氣段的應力相對較?。豢椎?、中間空氣間隔裝藥由于存在兩段空氣間隔，炸藥能量分散較均勻，所有測點的巖石應力也都較均勻，從時程曲線看，均保持一個中等水平的值，沒有過高的峰值，也沒有過快的衰減。

3 結語

1）4.8 m連續(xù)裝藥結構容易造成炮孔壁附近巖石過度粉碎，造成爆破能量的浪費；3.6 m連續(xù)裝藥結構容易導致炮孔上部破碎效果不佳，生成大塊巖石。

2）孔底空氣間隔結構的空氣段過長會導致對孔底巖石的破碎效果不佳，在實際施工過程中容易產(chǎn)生根底；中間空氣間隔裝藥結構在中間空氣段的應力峰值相對較小，但應力作用時間長，能起到一定的破巖效果；孔底、中間空氣間隔裝藥結構綜合了以上2種空氣間隔裝藥結構的爆破效果，應力大小分布相對均勻，且作用時間較長，避免了炸藥能量過度集中，造成巖石過度粉碎。

3）中間空氣間隔裝藥和孔底、中間空氣間隔裝藥結構的破巖范圍基本覆蓋了整個炮孔，與4.8 m連續(xù)裝藥結構相比，爆破范圍相差不大，而炸藥用量減少了25%。

4）通過建立5種不同裝藥結構在水下鉆孔爆破的數(shù)值模型，進行了應力云圖及應力時程曲線圖的對比，最終得出水下鉆孔爆破宜采用孔底、中間空氣間隔裝藥結構。與連續(xù)裝藥結構相比，在不影響破巖效果的前提下，此結構能夠減少火工品的用量、減小爆破對周邊環(huán)境的影響。