爆轟波碰撞聚能技術在紅沿河核電廠的應用

劉廣興，陳 新，王 敏，郭 建

(1.大連經濟技術開發區金源爆破工程有限公司，遼寧 大連 116600；2.青島理工大學理學院，山東 青島 266033)

目前隨著我國工程施工技術水平的提高，盾構技術越來越普遍地應用到了隧道掘進工程中。雖然盾構技術存在安全系數高、掘進速度快、勞動強度低、受外界影響小等諸多優點，但也有一定的局限性，比如對隧道斷面形狀尺寸的變化適應能力差；盾構設備較昂貴；對巖石硬度、均勻程度有一定要求等[1]。

遼寧紅沿河核電廠二期工程在取水隧洞盾構施工中遇到了堅硬巖石和局部孤石，根據以往經驗，如果硬巖和孤石不進行預處理可能對盾構施工造成如下風險：盾構機刀盤在掘進過程中出現“卡盤”現象；圍巖過于堅硬，使刀頭磨損嚴重，縮短使用壽命；盾構機削土不順暢，甚至造成地面隆起和建筑物開裂；巖體不均勻(如孤石)，導致掘進方向發生偏移。施工單位采用了地表鉆孔松動爆破法對硬巖和孤石提前處理。經過幾次試爆，盾構掘進效果良好，但并未達到預期，原因是爆后局部區域仍存在大尺寸巖塊，影響盾構效率。針對這一情況，建設單位組織各方召開專題會議研究決定引入爆轟波碰撞聚能爆破技術，充分利用炸藥爆炸的能量來提高巖石的破碎程度。

1 爆轟波碰撞聚能技術

1.1 爆轟波碰撞聚能原理

爆轟波是炸藥爆炸后產生的一種強沖擊波，爆轟波發出后，在其傳播面的炸藥因受到它的沖擊而發生劇烈的化學反應，釋放出的能量又為爆轟波提供動力，使其繼續在炸藥中傳播[2]?，F在主流觀點比較認可的是炸藥爆炸所產生的爆轟波和爆生氣體二者同時對周圍巖石起到作用，使巖石產生破碎效果。首先，炸藥爆炸產生的沖擊波對周圍巖石形成強烈的擠壓作用，當其強度超過巖石的抗壓強度后，就會在炮孔周圍形成粉碎區；然后沖擊波繼續向外傳播，其強度也在逐漸降低，當沖擊波強度低于巖石的抗壓強度后，不足以使巖石直接破碎，但可以在粉碎區外圍形成裂隙區；最后由于沖擊波的反射以及爆生氣體膨脹滲入，使巖石裂隙進一步擴大、貫通，最終導致巖石破碎[3]。

爆轟波碰撞聚能爆破技術是利用多點起爆，在藥包上對稱布置多個起爆藥條，要求起爆藥條的爆速要高于主裝藥包，使其足以引爆后者。當起爆藥條引爆炸藥后，會在藥柱中心位置引起一系列的爆轟波碰撞，并產生聚能效應，其結果是在相應的孔壁位置，巖石的破碎程度與裂隙的大小和數量明顯高于其他區域，這樣更有利于爆生氣體的滲透與炮孔間的貫通，從而提高巖石的破碎效果[4-5]。

1.2 爆轟波碰撞聚能數值模擬

為了能夠更加清晰的呈現出不同起爆方式下的巖石裂隙發展過程，應用LS-DYNA程序對雙炮孔巖石爆破裂隙擴展進行數值模擬[6-7]。

炸藥的JWL狀態方程及其等熵方程如下：

(1)

(2)

(3)

式中：P為爆轟產物的壓力；E為炸藥初始體積內能；V為相對體積；es為爆轟產物的等熵內能；其余參數通過聲速實驗及強爆轟雨貢紐方程獲得。

通過一系列實驗以及各方程聯立，本工程所使用的炸藥及導爆索的各參數數據如表1所示。

表1 狀態方程參數

根據巖石的力學性質以及巖石在炸藥作用下的破碎機理，選擇塑形隨動硬化材料模型(*MAT_PLASTIC_KINEMATIC)，應變率選擇Cowper-Symonds模型。具體巖石的各項力學參數如表2所示。

表2 巖石各項力學參數

1.3 模擬結果分析

數值模擬結果如圖1所示。

圖1 炮孔間裂紋擴展Fig.1 Crack propagation between the holes

由圖1可看出，最開始中心起爆在炮孔周圍生產較為均勻的裂隙，碰撞聚能起爆則生成不規則的較大裂隙，且在兩炮孔中心連線方向上延伸較長；接下來兩種方式的裂隙繼續擴展，并在0.026 ms時碰撞聚能起爆實現了炮孔間裂隙的貫通，時間比中心起爆方式早了0.004 ms；最后碰撞聚能起爆的爆轟結束時間早于中心起爆的結束時間，且炮孔周圍的不規則裂隙要多于后者。因此，可以認為碰撞聚能起爆所形成的裂隙在大小、數量以及貫通時間上要優于中心起爆方式[8-9]。

2 工程應用

2.1 工程概況

紅沿河核電廠二期取水隧洞盾構工程包括5#和6#機組2個取水隧洞，每個取水隧洞又均由明管段和盾構段組成。其中盾構段地質情況較為復雜，巖石主要為花崗巖，盾構施工前采用地面鉆孔爆破進行預處理。鉆孔爆破區域總長為510 m。其中5#機組隧洞包含3個爆區，長度252 m；6#機組隧洞包含5個爆區，長度258 m。8個爆區總方量約為15 480 m3。

2.2 工程地質

需進行預處理的爆區巖體絕大部分是花崗巖，變質巖極少，個別地層存在片麻巖孤石，巖體以中等風化、微～未風化為主，局部分布有強風化薄層。整個區域巖體較為完整，無明顯破碎帶，巖體級別為Ⅲ～Ⅳ級。

2.3 參數設計

本工程屬于無自由面的巖石松動爆破，采用不耦合裝藥方式，利用導爆索和導爆管混合起爆網路。炸藥單耗可由下列經驗公式求得：

(4)

式中：ρw為裝藥密度；D為炸藥爆速；n為爆生氣體碰撞孔壁產生的應力增大比值，一般取值為8～11；ε為常數，本工程取2.1。

根據巖石的力學性質以及所選用的炸藥，計算出炸藥單耗為2.1 kg/m3。由本工程的現場實際情況并結合一期工程爆破經驗，爆破參數設計如下：孔徑：D=90 mm；孔深：根據隧洞埋深，L=23.0～25.0 m；超深：根據經驗公式(8～12)D，取h=1.0 m；填塞高度：根據隧洞埋深，L1=17.0～18.5 m；抵抗線：不耦合裝藥按照(15～25)D計算，考慮到炮孔較深且無自由面，巖石夾制力較大，取W=1.0 m；孔距a：按照m×W計算，其中m≥1，取a=1.0 m；排距b：按照(0.8～1.0)a計算，并結合一期經驗，取b=1.0 m；總排數：511排；炮孔總數：3 577個。各孔裝藥量如表3所示。

表3 裝藥量

裝藥結構和起爆網路如圖2、圖3所示。

圖2 裝藥結構Fig.2 Charge structure

圖3 起爆網路Fig.3 Initiation circuit

本工程爆破采用的是爆轟波碰撞聚能技術，加之炮孔較深，且各孔裝藥量不同，因此需提前加工藥包。藥包制作前應先將乳化藥卷捋直，將導爆索對稱布置在藥卷兩側，用捆扎帶或防水膠帶將導爆索和藥卷捆扎在一起，每個藥包至少捆扎三箍，如圖4所示。藥包制作應嚴格按照設計方案進行，技術負責人須對每個制作完成的藥包進行檢查，確認合格后方可將藥包裝進炮孔。裝藥過程中，作業人員應做到輕拿緩下，確保藥包裝至設計位置。作業結束后應對臨近建筑物進行防護，并用沙袋、竹片、鋼絲網等對爆區進行覆蓋。

圖4 藥包制作Fig.4 The manufacture of explosive packs

2.4 質量保證措施

1)炮孔位置采用GPS定位放樣，用紅漆在地面標出炮孔圓心位置，放樣完畢后用卷尺復測相鄰炮孔間距，保證孔距、排距符合設計要求。

2)鉆孔前場地應進行壓實平整，嚴格檢查鉆機的平整度和鉆桿的垂直度，由于地層中有孤石存在，因此，應在鉆桿上加裝扶正器，以保證炮孔的垂直度。鉆孔過程中應低速鉆進，隨時檢查鉆桿是否偏斜，如有偏差及時調整，保證炮孔偏斜誤差不超過1.5%。

3)將制作好的藥包下至孔底后，確保導爆索延伸至孔外不少于30 cm。填塞前先將空沙袋捅至炮孔內設計填塞深度，之后再用巖屑和瓜子石慢填至孔口。

4)爆破網路嚴格按照設計方案連接，連接完成后由專門人員進行檢查，防止出現錯連、漏連現象，保證連接質量。

2.5 爆破安全驗算

爆破振動速度計算公式為

(5)

式中：v為爆破振動速度；K、α為與地質地形有關的系數，本工程取K=150，α=1.5；R為到被保護物的最近距離；Q為最大單段藥量。

被保護物為距離爆區27 m的高壓線塔基礎，根據《爆破安全規程》(GB 6722-2014)[10]，對高壓線塔基礎的爆破振速按4.5 cm/s控制。考慮到炸藥埋深較深，R取藥包中心到高壓線塔基礎的直線距離，即R=34 m。經計算爆破振動速度v=2.87 cm/s，符合要求。

3 爆破效果分析

高壓線塔基礎混凝土控制參數為4.5 cm/s；一期工程TB/TC主開關站控制參數為0.2 cm/s。爆破振動監測反饋的結果表明對高壓線塔基礎的振速水平徑向峰值為1.46 cm/s，垂直向峰值為1.70 cm/s，有害效應均在可控范圍內。振速監測結果如表4所示。

表4 振速監測結果

爆破結束后對預處理的巖體鉆芯取樣，比較不同情況下巖體的鉆芯尺寸。通過測量可知：采用中心起爆時，巖芯最大尺寸為27 cm，且大部分巖芯尺寸在12 cm以上；采用碰撞聚能起爆時，巖芯最大尺寸在18 cm左右，大部分巖芯尺寸在11 cm以內，如圖5所示。通過對比，后者利用爆轟波碰撞聚能能夠明顯提高巖石的破碎程度，其形成的最大尺寸巖塊也不足以導致盾構機“卡盤”，從根本上解決了盾構掘進效率低的問題。

圖5 鉆芯取樣Fig.5 Core sampling

4 結語

1)爆轟波碰撞聚能技術能夠通過爆轟波在炸藥中的碰撞，使孔壁局部爆轟壓力增大，增加巖石裂隙的數量和尺寸，縮短爆破作用時間。

2)盾構施工中利用爆轟波碰撞聚能技術能有效地提高巖石破碎程度，從而降低盾構機卡盤、變形甚至損壞的風險，提高掘進效率。

3)在堅硬巖石或有孤石的不均勻地層中，采用爆轟波碰撞聚能爆破技術是可行的，尤其是在環境復雜、工期緊的爆破項目中具有一定優勢。