隧道聚能水压控制爆破技术研究现状与展望

徐世祥 王汪洋 韦汉 杨建新 庞晓瑜

摘  要：通過对聚能水压控制爆破的提出、发展及应用现状研究，隧道聚能水压爆破法施工具有减少围岩扰动、防止超欠挖、缩短工期、提高炸药利用率和改善作业环境等优点，应用前景广阔，并阐述了开展聚能水压爆破破岩机理研究的迫切性、必要性和意义。最后对聚能水压控制爆破的研究方向提出了几点建议。

关键词：隧道工程;施工;聚能水压爆破;破岩机理

中图分类号：U455 文献标识码：A 文章编号：2095-2945（2019）26-0001-05

Abstract： Through the research， development and application status of cumulative hydraulic pressure controlled blasting， the cumulative hydraulic pressure controlled blasting technology construction in tunnel has the advantages of reducing surrounding rock disturbance， preventing over-under-excavation， shortening construction period， improving explosive utilization rate and improving working environment. The application prospect is broad， and the urgency， necessity and significance of research on the mechanism of rock-breaking by cumulative hydraulic pressure blasting are expounded. Finally， some suggestions for the research direction of cumulative hydraulic pressure controlled blasting are put forward.

Keywords： tunnel engineering; construction; cumulative hydraulic blasting; rock breaking mechanism

1 概述

中国已成为世界上隧道工程建设规模最大、数量最多和难度最高的国家[1]，统计数据显示，中国运营的铁路隧道和公路隧道里程已分别超过15000km、城市轨道交通隧道运营里程已近5000km，仅交通隧道每年的投资规模就达万亿，再加上市政、水利等领域的隧道工程，近期在建和规划建设的隧道工程超过50000km，未来若干年，我国隧道工程建设仍将快速稳步发展[2-4]。其中采用光面爆破技术施工的深埋长大隧道占了相当大的比例，未来隧道及地下工程光面爆破技术的发展潜力巨大。

我国岩质隧道工程建设除采用掘进机法外，目前仍多采用钻爆法施工，传统的钻爆法施工控制不当，容易引发振动危害、环境污染、围岩失稳、超欠挖严重等工程和社会问题，这些问题严重制约了隧道工程建设进程[4-5]。

2 聚能水压控制爆破技术概述

在目前的隧道施工中，存在以下问题：

（1）超欠挖问题，超挖导致围岩整体性和自成拱能力降低，增大衬砌受力，欠挖则会减小衬砌厚度，达不到支护要求。

（2）围岩损伤问题，爆破施工中控制不当，对保留岩体损害较大，将会导致围岩失稳，诱发塌方、突水突泥、岩爆等地质灾害。

（3）环境影响问题，在邻近既有结构和城区施工中，爆破产生的强大振动，带来了结构安全和噪声污染等问题。

（4）作业环境问题，隧道爆破施工产生了大量粉尘甚至有毒气体，即使采用通风手段，仍对工人的生命安全带来了很大隐患。为解决上述问题，目前常采用岩石定向断裂控制爆破和水压爆破等技术手段。

岩石定向断裂控制爆破方法基本上分为三类，如图1所示，第一类为切槽爆破方法（图1a），通过机械方法在炮孔壁形成V形槽，通过应力集中对裂纹扩展起到导向作用。第二类为聚能药包爆破方法（图1b），该方法通过聚能穴作用，改变炸药能量分配，使炸药沿着预定方向产生应力集中作用。第三类是通过增加特殊附件（图1c）产生局部应力集中，目前有切缝管结构。切槽爆破由于机械成槽难度大、成本高等缺点，实际工程应用较少。聚能药包在孔内定位困难，工艺较复杂，在实际工程中鲜有运用。切缝管常采用硬质材料，操作简单，在实际中已有少量应用，但未能解决环境影响问题。图1d为聚能管装药结构，曾在小湾水电站中取得大规模应用，取得了较好的效果，但该方法同样未能解决环境影响问题。

水压爆破于上世纪最早应用于城市拆除爆破中，因其能有效控制常规爆破产生的飞石和伴随而生的环境振动和有毒气体，得到了大力的推广和应用。近年来，为满足环保节能和绿色建造技术的发展要求，通过我国隧道界对隧道掘进爆破技术的创新实践，提出了一种聚能水压爆破新方法[6]，该法采用水袋+聚能管装置+炮泥的新型装药结构，其核心就是用聚能管装置替代了常规光面爆破炮孔中的药卷和导爆索，在光爆炮孔的最底部装填水袋，在光爆炮孔上部放置水袋与炮泥复合填塞。光爆炮孔装药结构如图2所示、聚能管装置横截面如图3所示。

大量工程实践表明[7-9]，该技术具有减少围岩扰动、防止超欠挖、改善作业环境、提高炸药能量利用率等优点，符合环保节能要求，发展潜力巨大，具有非常重要的推广价值。

3 国内外研究现状

3.1 聚能装药结构控制爆破研究

聚能效应最先由工程师Franz Von Baader提出假设，并于1799年对爆炸刻蚀现象进行了观察描述[10]。1888年，美国学者Munroe在保证药柱直径和重量相同的前提下，对聚能空穴进行了试验研究，研究结果表明，带空穴的药柱形成的爆坑深度为实心药柱的几倍。20世纪初，M.Neumann和E.Neumann两位学者分别在理论上对带空穴药柱形成的聚能效应进行研究，并随后对这种装药结构进行一系列加工设计，将聚能穴药柱广泛应用于煤矿和特种爆破中。1943年～1952年期间，Birkhoff、Evans和Pugh等[11-13]相继提出和验证了一系列药型罩聚能装药结构的分析模型，其中，Birkhoff等[11]在1948年首先提出了聚能射流发展的定常理论，1952年，Pugh和Eichelberger等[13，14]学者首次提出了射流的准定常理论（PER理论），Chou等[15-17]研究了药型罩材料压缩性因素对聚能射流形成、稳定性和侵彻效果等，分析出聚能射流产生的临界条件和相关的计算方法，以上研究对射流理论发展起到了重要的推动作用。

国内对此研究起步相对较晚，计算机技术的发展大大推动我国相关研究，通过理论分析、数值计算和试验多种手段结合，我国在聚能效应研究上发展迅速，当时中物院流体物理研究所对聚能射流研究做出了重要贡献。Tonghu Zhou和王铁福等[18，19]分别研究了波阵面形态和药型罩材料晶粒度对聚能射流参数和机理的影响。陈启珍[20]系统研究了不同炸药能量对侵彻深度变化规律，并展开系统分析。郑哲敏[21]对射流的发展过程做了系统研究，在理想塑性假设下，通过量纲分析方法得出了射流失效时间的计算公式。秦承森等[22]研究了射流发展过程中各单元能量变化规律，求解出相邻单元间射流速度差的理论解。蒋浩征等[23]对亚半球形双功能聚能药型罩装药进行了分析研究，发现环状铜质药型罩和截卵形药型罩所产生的射流形态存在较大差异，并对其展开讨论和描述。郭德勇等[24，25]将聚能理论应用于煤矿开采中的瓦斯问题，研究了煤层深孔爆破中，裂纹的起裂和扩展规律。罗勇[26]对聚能药包展开了详细的理论分析，并对其应用于岩石爆破中裂纹扩展机理展开研究，据此爆破参数进行了分析探讨，在此基础上进行了现场切割大理石试验并取得了较好的效果。

王树仁教授[27]首次提出采用PVC管为聚能药型罩并采用空气耦合的爆破方法，通过试验手段获取了该种装药结构的爆破参数，并在现场进行了相关的应用研究。受瑞典爆破基金会采用的V型槽药柱（LSC药柱）启发，1991年水利部水利水电第七工程局尝试利用硬纸质材料对药卷进行包装加工，通过此种手段制成的聚能药包由于受当时的技术水平和制作工艺限制，并未在实际中取得较好的应用。2006年，中国水利水电第八工程局在小湾水电站水垫塘保护层开挖中大面积推广研制的椭圆双极线性聚能药柱（EBLSC），取得了较好的效果，该药柱利用PVC材料克服了硬纸质材料的缺陷，并且提出瞬时爆轰假设对该种装药结构参数进行了优化[28，29]。李必红等[30-33]学者也对这一装药结构进行了理论分析、数值模拟和试验研究，研究表明这一装药结构在预裂爆破中具有较好的应用效果和前景。

3.2 水压控制爆破研究

由于水具有不可压缩性，通过水将爆炸产生的冲击波对结构产生的压力会更加均匀，因此在被爆破结构（如水塔拆除）中注入适量水，并将药包放置其中的爆破方法称为水压爆破。在隧道、边坡和水电站等工程领域中，由于地下水、气候等因素的影响，往往会遇到含水炮孔爆破，此种爆破方式即利用水作为耦合介质，仍称为水压爆破[34，35]。

水压爆破于上世纪最早应用于城市拆除爆破中，因其能有效控制常规爆破产生的飞石和伴随而生的环境振动和有毒气体，得到了大力的推广和应用。1940年以来，瑞典等国家首先将水压爆破应用于拆除爆破领域，并顺利拆除多种建筑，取得了良好的效果，随后在全球范围内得到了大力的推广应用，使水压爆破成为一种拆除爆破领域内环保、安全且高效的技术。1970年后，日本学者将水压爆破方法应用于隧道工程和材料加工领域，由于水压爆破方法可有效降低粉尘浓度和爆生有毒气体，还能起到节约炸药用量的目的，得到了较高的评价，此种方法后被称为ABS爆破法[36]。

我国应用这一爆破方法较晚，1970年后，陆续得到了推广应用。山东莱钢为减小铁矿石块度和飞石问题，将水压爆破应用于矿石的破碎，应用结果表明，水压爆破可有效控制岩石矿石块度和飞石运动距离，解决了矿采对邻近周边结构带来的安全问题。1980年，为解决铝土矿中粉尘率过高等问题，山东洪山在矿场中进行水压爆破试验，通过在6cm直径炮孔的中深孔中注水，成功克服了上述问题[37]。我国在拆除爆破领域也多次对水压爆破进行了尝试，1984年，中国科技大学为减小三层建筑物爆破产生的环境影响，成功地应用了水压爆破技术实现了结构的定向倒塌。随后铁道部相关研究单位，也对多个工事建筑开展了水压爆破拆除。90年代中期，西安矿业学院利用钢厂水塔的含水的特殊性，对某座三千吨的水塔进行了拆除爆破，这说明了我国利用水压爆破技术对高耸特殊结构拆除取得了较好的应用[38]。

关于水压爆破理论研究较早，上世纪40年代，相关学者就对炸药在水中爆炸作用提出了相关的近似理论，泰勒首先提出了气泡振荡理论[39]。随后随着高速摄影和计算机的出现，试验方法和数值计算等研究手段得到了较快的发展，人们对水中爆炸的规律和现象得到了进一步的认识。90年代初，霍顿等学者通过数值分析方法对水中爆破冲击波的发展和衰减规律进行了理论分析[40]。而国内对此研究较为滞后，70年代末期，铁道部相关单位开始对水压爆破进行试验研究，并成功进行了试爆试验。随后北京科技大学通过砂浆模型试验对水压爆破机理展开研究，对水压爆破的相关特性和规律进行了分析探讨[37]。

3.3 聚能水压控制爆破研究

聚能水压爆破技术是在聚能穴效应和水压爆破理论研究基础上，综合考虑二者优点而形成的控制爆破方法，该方法在实现定向断裂控制的同时，还能有效利用水压爆破减振、环保等优点，但目前关于该种装药结构的相关研究较少。

2009年，刘永胜等[41]总结现有聚能控制爆破和工程中含水炮孔等特点，提出了一种水耦合定向断裂装药结构，并通过试验手段，对单双孔爆破结构展开研究，对其定向爆破性能展开分析探讨。除在含水炮孔情况下，该方法存在管内水介质难以充填，孔内难以定位等缺点，导致该技术仍处于实验探索阶段，未能在工程中得到推广应用。

近几年在隧道的掘进和城市地铁的修建中，为减小环境影响，改善施工作业环境，爆破施工面临着更为严格的要求，出现了以聚能管代替传统药卷并在炮孔底部和顶部放置水袋，最后炮泥填充炮孔的聚能水压爆破技术[7，8][42-44]。该技术在实际工程中取得良好的应用效果，但对该技术的理论研究较少，装药结构、炮孔间距及不耦合系数等关键参数具有很大的经验性和不确定性，大大限制了该技术的发展和推广。亟需对其破岩机理展开深入系统研究，获得其爆破施工关键参数，进一步推動该技术深入发展。

4 結束语

虽然近年来国内对聚能水压控制爆破的研究取得了一些成果， 但因其爆破机理相当复杂，聚能水压爆破开挖作用下的破岩机理理论研究尚不完善，缺乏相应的设计标准来指导实践。下面是由聚能水压控制爆破技术现有成果得出的结论和有关研究方向的几点建议：

（1）聚能水压控制爆破在线性药型罩上爆炸产物产生聚能作用，在聚能角中心线方向上的岩石被撑开、拉断，相邻炮孔切线上形成贯通裂缝，减少了围岩扰动，提高了保留岩体的完整性和稳定性。

（2）聚能水压爆破增添了高温高压高速聚能射流、水楔作用，并增强了膨胀气体准静力作用，可解决常规光爆炮间距过密，减少工程造价。

（3）聚能水压控制爆破装药参数方面， 特别是聚能管装药密度与长度、聚能管材质及断面尺寸、不耦合系数、水袋数量及装填位置、堵塞长度、不连续装药、有无临空面及最小抵抗线等对单孔爆破效果的影响规律等有待进一步探索研究。

（4）聚能水压控制爆破， 由于试验条件和测试技术的限制， 使得聚能水压爆破机理尚不完善， 单孔聚能水压爆破时，炮孔聚能方向、非聚能方向上及孔底轴线方向上岩体内应力波传播衰减特征;双孔聚能水压爆破时，在炮孔连线垂直中心线方向上的传播规律;对比分析聚能管所在位置与水袋所在位置，炮孔环向上的应力波传播衰减特征等还有待进一步研究。

（5）由于爆炸是一个具有高温、高压和瞬态的作用过程，数值模拟时针对PVC聚能管射流形成过程中PVC管的汽化效应、热力学耦合分析还需进一步考虑。

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