切縫套管裝藥的聚能光面爆破技術在隧道掘進中的應用

【摘 要】本文分析了當前施工中光面爆破技術存在的不足及聚能光面爆破技術的優點，為提高爆破效果，介紹了基于切縫套管裝藥結構的聚能光面爆破技術在隧道掘進中的應用。

【關鍵詞】切縫套管裝藥；聚能光面爆破；應用

1 當前施工中普通光面爆破技術存在的不足

普通光面爆破技術在采用密打眼、少裝藥的措施下，雖然能有效降低對圍巖的擾動，改善幅員的質量，但仍存在以下兩個方面的不足：

1.1 周邊孔打眼比較密集，使得工程量大為增加，施工效率受到極大影響；

1.2 周邊孔內炸藥的爆破對周圍巖體屬于無差別爆破，無論對幅員內側巖體還是對幅員外側圍巖的作用力都一樣，在能量均勻分散作用的條件下，幅員線方向上的能量利用率比較低，同時對圍巖的造成的擾動也比較大。

2 聚能光面爆破技術

聚能光面爆破技術是對新奧法施工中控制爆破的一種具體應用和改進，針對普通光面爆破技術的不足，通過采用適當的措施來改變炸藥爆破時對圍巖的無差別作用形式，使炸藥爆破的能量比較集中地作用在幅員線上，可提高炸藥能量的有效利用率，取得更好的光面爆破效果，這種爆破技術稱為聚能光面爆破技術。聚能光面爆破技術主要具有兩個方面的優點：

2.1 爆破能量得到較好的利用，同樣的周邊孔距需要的炸藥量變小，或者同樣的藥量能夠撕裂更大的孔距，可降低工程成本和工程量；

2.2 爆破能量主要集中作用于幅員線方向，使幅員外側圍巖受到的能量作用相對變小，在提高幅員成形效果的同時，可降低對圍巖的擾動強度，提高圍巖的穩定性。

3 切縫套管裝藥結構的聚能光面爆破技術在掘進中的應用

切縫套管裝藥結構的聚能光面爆破技術是一種通過裝置改變鉆孔內整體藥卷結構來實現的一種方法，它不是單個的改變一個藥卷的結構，而是通過這種裝置把炮孔內的所有藥卷作為一個整體，進而改變整體結構來實現聚能光面爆破的一種技術，在隧道掘進施工中應用較好。

3.1 切縫套管裝藥實現方法

隧道作業鉆孔通常為圓形，可以通過加裝圓形套管就可以使鉆孔內所有藥卷形成一個整體，套管首先對藥卷爆破能量起到約束的作用，如果套管沒有加工處理，其自身的對稱結構決定了對能量的約束也是各個方向是相同的。為了達到對爆破能量的定向引導、聚能作用，必須改變原來套管的對稱結構，通過在套管徑向切縫來達到這一目的。在切縫處套管內炸藥的爆破能量將優先獲得釋放，當切縫在幅員方向時，爆破能量就會優先主要作用在幅員方向。

套管的聚能能力取決于兩個因素：一是套管自身對爆破能量的約束強度，二是切縫的合理設計。切縫作為套管的主要結構形式，擔負著引導能量釋放方向的主要作用，同時由于切縫會導致套管約束強度的下降，為保證套管的約束能力不受到過多的破壞，一般不采用貫穿套管的通長切縫，采用間隔切縫的方法，通常有下列三種形式：

3.1.1 單向間隔切縫

這種切縫結構對套管破壞較小，套管對能量約束作用較強，能夠產生單項的聚能作用，采用這種結構難以使幅員上一系列的周邊孔之間發生共同作用效果。

3.1.2 雙向對稱間隔切縫

這種切縫結構能夠雙向聚能，使得相鄰周邊孔的爆破能量在幅員線上產生共同作用效果，在切縫處對套管結構破壞較大，較大降低了套管對能量的約束能力。

3.1.3 雙向不對稱間隔切縫

這種切縫結構能達到雙向聚能效果，套管整體結構比較均勻，對能量的約束作用較好。

綜合以上討論，結合地下工程的作業實際，套管主要尺寸設計如下：

（1）套管長度為鉆孔深度，一般為3m～5m；

（2）套管外徑38mm～40mm(鉆孔直徑42mm)，套管內徑34mm左右（藥卷直徑32mm）；

（3）切縫寬度2mm～3mm，采用不對稱間隔切縫，長度20cm，間隔30cm。

3.2 爆破機理

3.2.1 定向聚能作用

采用間隔裝藥的方法，使炸藥爆炸后的能量比較均勻釋放在整個套管內，在套管約束條件下，爆轟波優先在套管內傳播，同時由于切縫未受約束，使得切縫成為能量的宣泄口，套管對其它方向能量釋放的約束使得切縫處釋放的能量強度遠高于其它方向，達到了加強幅員方向能量輸出（聚能），降低對圍巖擾動破壞的作用效果。

應用表明，通過控制爆炸能量的釋放方向，使之沿著隧道輪廓線方向優先釋放，形成引導裂紋，并提供應力場使之具有足夠的應變能來維持裂紋以理想的率傳播，而其它方向的裂紋擴展得到了相對的抑制。

自由爆破和切縫套管約束爆破的爆炸波形如下圖所示：

自由爆炸波形 切縫套管約束爆炸波形

可以看出，套管切縫的存在改變了炮孔周圍的爆炸應力釋放的分布與發展的對稱性，沿切縫方向能量釋放遠大于其它方向，這是增強幅員方向爆破效果，降低對圍巖擾動破壞的主要原因。

3.2.2 護壁作用

普通爆破爆轟波能量直接作用在圍巖上，加裝套管后，能量首先作用在管壁上，管壁對能量具有短暫的約束、反射的緩沖作用，使得作用在圍巖方向上的能量得到衰減，管壁隔斷了爆炸能量對圍巖的直接作用，起到了延時、緩沖和衰減能量的作用，降低了對圍巖的擾動破壞，保護了圍巖的穩定性，套管材料起到了護壁材料的作用。

應用表明，切縫護壁爆破時，爆炸物首先對切縫處炮孔壁產生作用，然后對臨空面方向產生作用，最后對護壁面方向產生作用。臨空面和護壁面之間的剪應力差值能高達1.75倍，在相同條件下的爆破效果，光面護壁爆破聲波平均減低率（1.45%）是普通光面爆破聲波平均降低率（4.83%）的3倍以上，因而巖體損傷小，護壁效果好。

3.3 套管材料選取及參數確定

3.3.1 套管材料的選取

套管的材料直接決定套管的約束強度，套管的約束強度越高，聚能定向爆破的效果越好，但相對來說，強度越大的材料其造價也越高，不利于在實際工程中的應用。因而在選取哪種材料時，既要考慮爆破效果，又要考慮較為合理的性價比。

3.3.2 參數的確定

炸藥爆炸的過程是一個非常復雜的化學反應過程，一個微小的因素可能影響爆破的最終效果，同時，地下工程地質條件的復雜性也決定了爆破參數的多變性，因而孔深、孔間距、藥量、套管切縫的寬度、長度、間隔、管壁厚度、管徑等諸多參數的確定必須根據實際的施工情況做進一步的確定。

參考文獻：

[1]“雙聚能預裂與光面爆破綜合技術”.中國水利水電第八工程局，2007年

[2]“切縫護壁爆破的護壁作用和聚能效應”，蒲傳金.《礦業研究與開發》，2009年1期