隧道光面爆破中炮孔堵塞长度的数值分析

李征文

摘要：隧道工程爆破作业中，炮孔堵塞长度与最终爆破效果密不可分，是现场爆破控制的重要参数之一。通过对关键位置的应力分析结合经典爆破理论，从而获得堵塞长度最优值，可以有效提升最终爆破效果。

关键词：隧道;光面爆破;堵塞长度;

引言

隧道工程施工中，钻爆法是最为常见的施工方式。我们知道，爆破作业中，实际炮孔堵塞的长度与爆破效果密不可分，合理的长度设置往往可以使得内部进行充分彻底的化学反应，降低飞石以及空气冲击波等的影响，提高炸药的利用率，提升最终爆破效果。故有必要探讨炮孔堵塞长度对隧道光面爆破效果的影响。

1.炮孔堵塞作用原理分析

一般认为堵塞可以有效缓解爆轰气体过快的从孔内排出，从而增加作用时间，此外还可以改变岩石中的应力作用形式，提升最终爆破效果。现阶段普遍认为爆炸所产生的冲击波以及所产生的气体之间的相互作用是对岩体介质产生破坏的重要因素，而实际上，在不同的阶段依据不同的岩石情况最终两种作用机理所达到的效果也各不相同。所以，为了进一步提升爆破效果，不仅仅要求炸药在爆轰时释放足够多的能量，同时还需要爆生气体有充足的时间发生作用。假定炸药整个爆轰瞬间完成，且所得到的爆生气体均为理想气体;则爆生气体将在瞬间对炮孔空间各个位置进行作用，堵塞材料被压缩过程为冲击压缩波在整个过程中的传播方式;堵塞物均为非弹性体，堵塞材料在炮孔内的整体移动与钢体移动相当。

2.堵塞物移动所需要耗费时间a

实际炮孔堵塞物的整个运动过程主要分为两个部分，即微观运动部分和宏观运动过程。微观运动主要是指冲击波对堵塞物进行压缩的一个过程;而宏观则主要是指移动的过程。

当爆生气体对堵塞物进行作用时会逐渐使其内部产生应力波，将堵塞物由炮孔的内侧逐渐向外侧传导。相关研究表明，压力波在岩体中的传播速率往往高于堵塞物中的传播速率，且波的作用往往发生于爆生气体作用前。由此不难看出，炮孔堵塞物在进行运动前，压缩粉碎圈已经形成，则堵塞物在开始运动时所耗费的时间a为堵塞物长度和冲击波传播速度比值。

3.堵塞物移至炮孔外时间

由于堵塞物自身存在一定的质量以及惯性定律，实际堵塞物冲出排孔往往额外需要一定的时间。当应力波到达堵塞物外缘时，则视整个堵塞物为一个开始移动的完整体。实际堵塞物完全移出炮孔的时间为

（1）

公式中，实际堵塞物移出炮孔所需要耗费的时间t和炮孔堵塞长度ls，实际堵塞物体的密度值ρ以及炮孔中所存在的气体压力Pa密不可分。一定程度上增加炮孔的堵塞长度ls与堵塞物的密度值ρ，或者是在可以确定炸药类型的基础上，对装药结构进行改良，从而设计科学合理的不装药耦合系数，科学的降低爆轰气体的压力值Pa，也可以有效的增加整个堵塞物在炮孔中的移动耗费时间t，此外使用摩擦系数较高的堵塞物也可以起到较好的增加爆生气体时间的效果。就公式1中不难看出，增加粉碎区Db，也可以一定程度上延长总体移出时间t，但增加Db就意味着装填药量需要进一步增加，大部分的炸药能量将会应用到粉碎圈方面。因此，我们必须按照工程的实际需求，科学合理的进行炮孔装药参数的设置，避免粉碎去生成以及依据爆破工程的实际情况进行范围大小控制。

4.堵塞长度分析

如若填充的堵塞材料过短，则会使其过短的移出炮孔，从而无法达到理想的气楔效果，最终影响爆破质量，而如若堵塞物料长度过长，则会进一步增加炮孔堵塞的工作强度，严重制约施工进度与效率，特别在掘进爆破过程中，还会出现挂门帘等情况，对最终的爆破质量产生影响。巷道与隧道掘进爆破通常需要尽可能达到爆碎的效果，因此我们必须要让整个破碎过程在堵塞物冲出炮孔前完成，即临界条件需要符合：

（2）

公式中t1指填塞在炮孔内作用所需要的时间;t2指岩石破碎所需要的时间。如前文所述，实际堵塞材料在炮孔中的时间包括堵塞物受到冲击波压缩的时间值a与堵塞材料冲出炮孔所需要的时间t，则，

（3）

而因为冲击波的传播速率非常快，但堵塞材料在炮孔中的运动速率非常低，因此可以忽略冲击波压缩作用的是a，则上述公式可以进一步简化为

（4）

依据爆炸力学以及应力波相关知识，介质破碎所耗费的时间t2为

（5）

公式中w表示为装药的最小抵抗线，Cp与Cr则分别表示为实际被爆的介质其纵向波的传播速率以及表面瑞利波的传播速率。对上述公式进行合并，假定堵塞材料在炮孔内部的匀速加速度值为0，则该炮孔的堵塞长度设计为

（6）

5.结束语

此次就炮孔堵塞物的作用原理及其在整个炮孔中的运动机制进行探讨，并通过对其它学者研究结果分析表明，无论就技术层面还是经济层面，隧洞光面爆破堵塞问题均应当引起相关人员重视。爆

生气体的压力可以对炮孔空壁与堵塞物之间的摩擦力进行克服，从而推动堵塞物沿着轴向方向运动，堵塞物的运动和堵塞的长度以及炮孔的规格型号、装药量等密不可分。选择摩擦系数更高的堵塞物，进一步增大弹药的充填密度以及加长堵塞的长度等均会进一步延长堵塞物停留在炮孔内的时间，并延长应力波与爆生气体的对被爆价值的时间。而当堵塞物填充合理时，则装药量与炸药单耗可以明显降低，循环进尺与炮孔利用程度也能明显增加，此外还可以有效利用炸药的爆能，进一步优化整个爆破效果，减少过程中所存在的毒气以及岩尘浓度等的影响，优化施工作业环境，减少现场人员作业强度。爆破是隧道施工项目最常见的施工方法，科学合理的爆破设计可以有效解决施工中的难题，并推进项目迅速完工，但缺乏合理设计的爆破同样也会给整个项目带来负面影响，因此对于相关人员务必对爆破各项参数进行严格把控，尤其是堵塞长度的设计，从而保证爆破質量，提升工程质量。

参考文献

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