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行业动态

非耦合装药爆破和岩土动力学
发布时间:2022年06月05日

这次报告的题目是“非耦合装药爆破和岩土动力学”。谈两个问题。 非耦合装药爆破,这个事情受到大家关注还是在 1992年。1992年我们国家 搞了一个很大的爆破,在珠海为了修建机场,由钱七虎院士带领他的团队搞了一 个万吨的大爆破,这个大爆破非常成功。为什么会取成功?是做了很多研究,我 想其中很重要的一点就是非耦合装药爆破的成功应用,解决这个问题最重要的在 什么地方?一是在实施大爆破的时候,我们首先遇到的问题是不可以采用过去的 满装填的装药,因为它会使得爆炸开裂的过程当中,爆破直接作用在岩石上,不能 保证岩石整体开裂的尺度得到控制,抛掷的距离也很难控制。由于这个问题,采 用非耦合装药爆破和岩土动力学就被提出来了。过去有很多研究效果比较好,在 大爆破中怎么用,很重要的就是把非耦合爆破的原理吃透,最主要的有三个物理 过程必须搞清楚。 我们的装药。这次采用的是硝铵爆破,这个装药爆炸要通过周围的空气,通 过空气传播了一段距离之后,再撞到岩石的洞壁上进行反射,靠着反射的压力,使 得岩石造成破裂,然后分散,所以它要解决这个问题,三个物理过程中的三个问题 都要解决。一是爆炸以后,爆破本身所产生的爆、轰、破,在爆轰破的面上要分解, 向空气中传入一个击破,这个作用是怎么样,特别是有什么新的特征要搞清楚。 二是这样一个冲击波撞到岩壁上要反射,用我们过去的压力计算是不是可行的, 因为它离爆破非常近,这个问题过去的理论是否还正确,也要回答。三是我们抛 掷的距离要得到控制,松散的爆炸能够抛掷一定的距离,同时还有市政府提的一 个要求,离开三公里的地方,希望不至于抛掷到农村去,造成当地群众春节过不 成。这些严格的要求,促使我们的团队对非耦合装药爆破进行了很仔细的计算, 把这些理论做了进一步工作,现在进行汇报。 现在装药爆破和炮轰波冲击波存在的问题,主要是岩孔的尺度究竟如何确 定。这时候爆破根据我们实际做的就是 15米的样子,里面的装药量要由总方案 来确定,相对的关系是比较确定的。我们事后看到爆破的效果非常好,大概看到 就半立方左右,非常均匀、非常好。 为了解决这个问题,我们要研究一下: 第一个是物理过程,装药爆破它产生的空气冲击波是怎样的,在强行过程中 有没有什么新的特征,应该是做柱状装药的,又是直接装药进行的爆破,而我们实 际做的工作还是用球装药。同样也可以摸索出在近期爆炸中的特点,有 1000、 300和 125克,就可以提供整个实测的波形,也能得出沿着不同装药过程中不同 距离上的实测结果,这是一种情况。 第二,我们要考虑空气真实的性质,因为在近区,空气不可以再看作是理想气 体,那么我们必须用真实的空气状态,是怎样的?有什么样的特点?当冲击波是 4兆帕,也就是 40个大气压的时候,它的温度达到 2000℃,冲击波后面的分子,包 括氧、氮都要离解,到了 8000多的时候就要电离,这样空气就变成了多组分的一 种气体,这个状态完全不遵守理想气体的特点,这样我们就需要了解它的特点是 什么。根据美国原来研究的情况,当理想气体的反射压力达到 8倍的时候,最高 能达到 8倍,如果这时供气,反射压力很高,反射的特点如果不充分的估计,也会 造成我们对整个理论工作出现一些新问题。 下面,我就把我们计算所考虑的真实空气,怎么简化它的计算,我们的做法是 把入射的冲击波,一直爆炸进去产生的冲击波可能的压力,和它正反射之后产生 的反射压力进行一下准确的计算。通过计算我们发现一个特点,入射冲击波,如 果是 05兆帕的时候,它的 指数和反射冲击波的 指数是相同的,和理想 气体一样是 04兆帕。但是到了 5兆帕的时候,它的 指数就是 134,反射波 的压力很大,已经 7倍多了,就是 38兆帕,它的 指数是 13。如果 20倍以上 的 指数还是继续变化,但是它们彼此的入射波和反射波的压力还是比较接近 的, 指数都是 126左右。根据这样一个特点,我们就可以计算它的,以真实 空气的计算方程把它列进来。我们国内也做了许多公式,但是经过比较,我们认 为还是美国 Brode提供的公式比较好,也提得比较早,我们验证了他的公式,那么 就使用了这个公式,因为从非常高的高压和理想气体非常低的低压,他都能完整 地给出他的结果来。 根据理想气体对空气的流体动力学和爆炸所产生的情况,可以进行一些计 算,用到连续性方程,也可能用到运动方程和能量方程,对能量方程就用真实空气 所提供,同时我们也给出它的基波条件来,这样就可以完成整个计算。 下面,我讲一下装药爆炸的波形和场地。我们看到提供的是球形装药的波形和自由场分布的情况,实测的波形我们给的是比较大,在自由场测到的 17兆帕的 压力,反射的时候可以达到 48兆帕,这个压力都比较大。我们发现一个特点,在 近区爆炸的时候,原来按照一般的计算,国内外提供的计算,它的冲击波随着超压 的变化是这样一条曲线,但是在近区的 3倍装药半径内,它在入射的冲击波后面 还紧跟着一个更高的压力,这个压力远远超过冲击波的压力。在 1995年的时候, 美国学者也报道了这种情况,原来所给出的计算公式是不对的,没有考虑到冲击 波后面还有更高的压力波存在,我们可以通过试验和理论计算发现它。我们在计 算过程中发现它确实在第一个冲击波之后又紧跟着更高的压力波,这个更高的压 力波实际上是爆轰产物的压力波,它的高度可能远远超过 100兆帕,甚至达到几 百兆帕。 流场也可以看到,有一个基波在前面,随后跟着一个更高的。第二个物理过 程是强冲击波的反射,这个反射应该在岩壁上发生。这个反射的压力要考虑冲击 波在撞击到岩壁时所产生的反射,因此这个反射过程也要同时把反射压力的特点 考虑到。针对反射的过程,用了一个模型,这个模型就是用 Polachek和 Korotkov (Russian)提供的一种方法,这个给出了入射冲击波和入射角这两个相对反射压 力的关系,这个就可以计算反射压力究竟和入射压力是什么关系。在正常的条件 下我们发现差别非常大。正常结果的压力范围,入射压力很低,是 0000235兆 帕。按照这样一个结果,我们进行规则反射的计算,获得了一个很好的结果。 从这个图上我们可以看到,给了不同的入射冲击波的压力,反射的情况下都 可以算出来,最大的不是现在 8倍的冲击波,甚至可以到 12~13倍这样的大压 力,和美国做的结论是一致的。但是我们做的范围更宽,在高压方面入射高了两 个量级,低压方面又向下延伸了一个量级,而且我们还同时给出了一个动压的结 果,这个动压的结果在估算细长杆类的结构破坏的时候是非常有用的。 根据这样一个计算结果,我们对岩石问题就可以做一个回答。在一个洞壁, 特别是在 15米的直径直接装药、大爆破的情况下,由原来所使用的装药,在爆炸 以后,在岩壁反射的压力会达到多少?可能要高于 500兆帕,爆破本身的反射压力 可能是上万兆帕。实际上由于我们采用的非耦合压力,它所能达到边界的压力只有 500兆帕,非耦合装药爆破工程成功的很重要原因是正确地选择了装药的参数。 这个计算结论是这样的,真实空气的反射可以超过 8倍,可以达到 13倍。另 外在计算规则反射的时候,不是理想气体所给出的 39度,而是有可能达到 46度。 非耦合装药爆炸,我们一般选取了装药半径 2~3倍,效果会比较好。现在的工程 实用上,经常采用的也就是这个样子。将来进行大爆破的时候优化要很好地算, 也要根据岩石性质的不同,把实际装药的直径和空墙的直径比要更好地计算和设计一下。 岩石动力学的计算,我们认为有装药的爆炸,这是一种因素,还要通过空气。 考虑空气的性质,还有岩石这样一个边界条件,整个是一个流体,弹射性的耦合过 程,三个物理过程按理说应该统一地进行计算,这样使得将来的预报可能更为准确。 下面用一点时间讲两个工程上的进展。我们的一项工作就是竖井的开挖,我 们的岩石动力学,最近在国内有很大的进展,这是其中的一项。岩石竖井的开挖 有一些新的思想得到了应用,就是传统的开挖基本上是从上到下进行装药爆破, 然后除渣就从上面出去。现在新产生的一种思想在实践过程中得到成功的运用, 可以从上面开挖,从下面在施工隧道里面除渣,这些在工程施工中很好地使用了, 它的效率可以达到 8倍,为什么会达到这么高的效率?在原来的洞石很难实现, 因为空间非常狭窄,危险性比较大,这种情况为什么会做到这一点?最主要的是 我们采用的是一次爆破成型法。我们是怎么样做这个事情的?我们一次爆破在 洞里面一般是做 5米直径的一次爆破,5米爆破我们在平面上垂直钻孔,一次爆 破可以爆 30米,直径是 5米,在这个空间里面直接打孔打得比较准。一次爆成了 以后,将来怎么样让石头下去,我们采取了分区爆破,最中间的区域,我们是粉碎 爆破,很好地设计这些孔,它不可能像其他的八型孔一样向上分散,它是就地粉 碎,中部比较有特色的,是破碎孔,所形成的岩石力度大概是 10厘米左右,最外是 破裂孔,破裂孔形成的砾石的块度达到 50厘米左右,最外的一圈是边界孔,就是 用的预裂爆破的方法。 当我们在施工的时候,需要在做完一次爆破成型之后,接下来怎么把实渣向 外运出?在中间用高压水冲下去,冲了之后中间的粉碎的岩粉就被冲下去了,外 圈的砾石体就掉落下去,大块落的就又掉下去。在施工的同时,上面也进行喷锚, 喷射混凝土、注浆、加固,都要同时进行,所以这个进度可以配合得非常好。这样 一个工程已经进行得很多了,看来整个施工的效率还是比较高的。 再说一个新的管棚法,这在国内已经得到了充分运用,这项技术特别适合于 软土。这是在沈阳新乐地铁车站做的,这是中国中建总公司、市建工程公司做的, 这个做得非常好,管棚技术常用,一个管棚的直径不是几十厘米,是几米,一般我 们认为用二三十厘米就可以了,但是它做的是 23米,大概国内外一般都没有做 这么大的,为什么要这样做?因为当地的土非常软,而且在市中心,所以这时候想 了很多方案都不好办,最后采用了管棚技术,它的做法就是打了许多的平行的管 道,我们看打成的管道就形成了这样一个空间,每个管子的直径都是 23米,最后 形成整个空间净跨度达到 26米,它能够很好地完成 26米的跨度软土中的工程, 而且整个成现量控制在 2米内,它的南北两方向是采用顶管技术做的,中间衔接的误差也只控制在 1厘米,这个工程应该说是非常成功的。 做好了以后,我们看到结构是一个导式站台,分出两层,一层是地铁,一层是 候车室,看看它做的顶管的技术,就是这样进行的。施工的时候,在一个竖井里面 把管一个个放进去,进行顶推,最长的顶推是 110米,方向控制得非常好,最重要 的技术在什么地方?就是管和管之间不是放在那里不管,而是管和管之间有横向 和环向的连接,这个连接是如何做的?挖了一些方孔,钢板在里面焊接,这样使得 整个管棚形成了一个整体的钢结构,而且这个钢结构做完之后还要灌注混凝土, 这样使它有一个很牢固的混凝土结构。在没有做好之前,下面的洞并不挖,做好 之后再开挖下去,成现量为控制在 1米,最主要的就是它的结构针对性非常好。 通过这种情况来看,现在国内一方面面临着岩土工程的大工程问题,前边几 位国外的专业人士都进行了介绍,中国现在大规模建设还在继续,过去几年重点发展 的是交通工程,特别是铁路工程,今后几年可能更重大的是水利工程,在安全和能 源使用上可能更好,目前水利工程占整个国民经济能量的比例还不够,应该是急 速发展的方向,这时候有很多大跨度的问题,岩石类的许多问题还等待着我们继 续研究。