预埋PVC管炮孔影响爆破效果浅析

李迎军，张学祯，宋华

(1.广东爆破工程有限公司，广东广州 510660;2.中国建筑材料工业建设西安工程有限公司，陕西西安 710000; 3.武汉理工大学，湖北武汉 430070)

预埋PVC管炮孔影响爆破效果浅析

李迎军1，张学祯2，宋华3

(1.广东爆破工程有限公司，广东广州 510660;2.中国建筑材料工业建设西安工程有限公司，陕西西安 710000; 3.武汉理工大学，湖北武汉 430070)

在拆除爆破施工工程中，利用预埋PVC管作为爆破拆除的炮孔，可以有效的节约钻孔时间及成本，但其爆破效果并不能满足预期效果。针对该问题，根据炸药在PVC管中应力波的传播规律，对PVC管弱化爆破效果进行理论分析，掌握管壁材料波阻抗对孔壁初始压力的影响。利用数值模拟软件ANSYS/LS－DYNA及现场试验，将钻孔和PVC管爆破过程进行对比研究，得出使用PVC管时需要额外消耗约10%的炸药，因此根据不断的现场试验，确定使用PVC管时需要增加单孔药量为50g左右。

拆除爆破;预留炮孔;PVC管;数值模拟;爆破效果

1 引言

在一些钢筋混凝土结构拆除爆破中，部分项目由于施工时间紧，工期短，为了节省爆破钻孔时间，利用浇筑C30混凝土支撑梁时预埋的PVC管作为爆破拆除时的炮孔，此种施工方法能够有效的节约钻孔时间和钻孔成本，其炮孔质量和定位也相对较好［1］。但是在施工中发现，同样的孔网参数和装药量，PVC管预埋炮孔和普通钻孔爆破效果差距较大，普通钻孔基本上能够达到设计的爆破效果，而PVC管炮孔则多数不能实现破碎要求，甚至部分梁体爆破后仍能保持稳定。

并且由于PVC管由乙烯基的聚合物质制成，具有不易燃、高强度、耐高温，以及优良的几何稳定性［2］，炸药爆炸瞬时PVC管并未如预计一样被高温破坏，在爆破后爆堆中仍能找到许多PVC管的残片，如图1中圈注中物体所示。因此针对PVC管对爆破产生的影响进行分析，为拆除爆破施工工艺的改进提供参考。

图1 爆破后PVC管残片

2 PVC管材对爆破效果弱化原理分析

由于拆除爆破临空面较多，爆破效果大部分来源于应力波到达临空面时反射拉伸作用。当爆炸气体形成冲击波作用于孔壁，在孔壁上产生巨大压力的同时，在岩体内产生压缩应力波。对于任意不同装药结构方式，爆轰气体对较为坚硬致密的高阻抗岩石，孔壁冲击压力值较高，而对松散软弱的低阻抗岩石，孔壁冲击压力值较低［3］。而PVC管材料作为孔壁与混凝土紧密相连，相当于改变了混凝土表面性质，改变了孔壁入射压力;并且爆轰冲击产生的应力压缩波在穿过管壁与混凝土交界面时，因界面两侧材质的波阻抗不同而发生折射，减弱了应力波。此外，由于PVC管材是非脆性材料，有着较强的抗拉强度，爆轰气体在对孔壁进行破坏时，管壁的抗拉能力对爆轰气体也有一定的抵消作用。因此，根据爆破应力波传播规律分析可知PVC管材对爆破效果具有弱化作用。

3 PVC管材对爆破效果影响程度计算

3.1管壁材料波阻抗对孔壁初始压力的影响

根据卷装乳化炸药直径为32mm，炮孔直径(包括直接钻孔和PVC管材预埋孔)为40mm，因此炸药与孔壁间存在少量空气，炸药爆炸后首先在空气间隙中产生空气冲击波，空气冲击波冲撞孔壁产生孔壁压力［4］，因此可以采用公式(1)计算该入射压力:

式中:ρa是空气密度，是孔壁处某点空气冲击波的波速，与装药不耦合系数和爆轰产物的扩散速度有关;k—=1.17～1.25是间隙内空气平均绝热指数;n为因碰撞而引起的压力增大的倍数，n=0～20，其具体取值取决于入射空气冲击波的压力［3］。

由于两种炮孔的装药量和结构相同，从公式(1)中可以看出两种炮孔内爆轰气体对孔壁的入射压力是相同的。由于两种炮孔孔壁材质存在差异，空气冲击波在两种孔壁上产生的应力波不同，但是冲击过程都遵守动量守恒，能量守恒，可近似地用弹性理论求解出孔壁上产生的初始压力，表达式如下:

式中:ρmCp孔壁材料的波阻抗，ρaDa空气的冲击阻抗。从公式及分析可以看出，两种孔壁材质的波阻抗决定了孔壁上的初始压力。

3.2孔壁压力作用数值模拟

由于爆轰气体冲击孔壁后，初始入射压力在孔壁内产生应力压缩，对爆破体是一个动态加载的过程，在这个过程中，PVC管既影响孔壁的初始压力，又影响应力波的传播和透射，其自身强度也对爆轰气体产生一定的固封作用，为了更准确分析这些作用，采用数值模拟软件ANSYS/LS－DYNA对该过程进行模拟，建立模型如图2所示。由于不考虑端面效应，可将问题简化为平面应变问题，因此只需选取炮孔柱状体的1/4横截面建立几何模型。

图2 ANSYS炮孔柱状体模型图

选择PLANE162显示动力学分析单元，炸药选用普通炸药模型和JWL状态方程，PVC管选择steinberg材料模型和gruneisen方程，PVC管及C30混凝土材料属性如表1所示。

表1 数值模拟材料属性表

图3 有PVC管(左)和无PVC管(右)爆炸后压力等值云图

利用LS－DYNA对有PVC管和无PVC管的爆炸过程进行模拟，得出爆炸后压力等值云图，如图3所示。经过对比可以发现相比钻孔爆破，在相同状态下使用PVC管爆炸后压力略小，能量会存在部分损失，爆炸后破碎效果略差，影响整体爆破效果。

4 工程实例

以广州市体育西路的人防工程基坑支撑梁拆除项目为工程实例，针对其结构及其爆破参数作为分析对象，选取主支撑梁上的相同结构，使用相同孔网参数、装药量、装药结构和炸药，将钻孔及PVC管两种炮孔进行爆破比较。主要爆破参数如表2所示。

表2 主要爆破参数表

两种炮孔爆破效果如图所示。根据两种不同方法的爆破效果，可以清晰看出预埋PVC管炮孔爆破后，主支撑梁内残存大量混凝土未解体，爆破效果较差。经过对比可以可以判断PVC管材是影响不同爆破效果的主要因素。

5 结论

经过理论分析，根据爆破应力波传播规律可以得出，PVC管材对爆破效果具有弱化效果，并且管壁材料波阻抗对孔壁初始压力的具有一定影响。根据数值模拟软件ANSYS/LS－DYNA计算的结果表明，PVC管材的存在需要消耗约10%的炸药，即在该工地PVC预埋炮孔装药中每孔需要增加25g炸药才能达到原爆破要求。但由于实际施工时药包加工和孔距略有误差，以及目测破碎程度等因素，在实际施工中采用逐步少量增加装药的方法，在达到设计爆破效果要求时实际增加的单孔药量为50g左右，为类似爆破工程提供借鉴。

［1］潘明亮，段宝福.大断面隧道光面爆破技术的改进与应用［J］.有色金属(矿山部分)，2011，63(2):69－72.

［2］潘子炜.无增塑难燃PVC配线管［J］.现代化工，1995(08): 45－47.

［3］朱子良.炮孔空气不耦合装药爆破的孔壁冲击压力初探［J］.煤矿爆破，2004，66(3):5－7.

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［6］刘伟，郑毅，秦飞.近地面TNT爆炸的试验研究和数值模拟［J］.爆破，2012，29(1):5－9，6.

［7］沈晓松，詹振锵，赵明生，等.数值模拟在朱旺沱宾馆爆破拆除中的应用［J］.爆破，2012，29(1):27－30.

Research on the Blasting Effect Influenced by PVC Tubes Embedded in the Blasting Holes

LI Ying－jun1，ZHANG Xue－zhen2，SONG Hua3
(1.Guangdong Blasting Engineering Co.Ltd，Guangzhou，Guangdong 510660，China; 2.China Building Materials Industrial Construction Xi＇an Engineering Co Ltd，Xi＇an，Shanxi 710000，China; 3.Wuhan University of Technology，Wuhan，Hubei 430070，China)

In the construction work of demolition blasting，PVC tubes are used as blasting holes.It can save drilling time and cost effectively，but the blasting effect can not reach the expected effect.Aiming at this problem and according to the spread law of explosive stress－wave in PVC tube，blasting effect reduced by PVC tube is analyzed though theory.Initial stress of blasting hole wall is influenced by wave impedance of tube wall material.Numerical simulation named ANSYS/LS－DYNA and blasting tests are used，blasting of drilling hole and PVC tube are compared to study.About 10%extra explosive is needed in PVC tube.So according to continuous tests，additional explosive per blasting hole is about 50 g.It can provide references to similar blasting project.

demolition blasting;reserved blasting hole;PVC tube，numerical simulation;blasting effect

TU746.5

:A

:1009－3842(2012)04－0033－03

2012－06－05

李迎军(1982－)，男，山西平陆人，工程师，主要从事爆破工程工作。E－mail:39167084@qq.com