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爆破器材990 10 8 爆破器材 EXPLO SI VE M A T ERI A LS 1999年 第1期 NO . 1 1999 论隧道开挖爆破中堵塞炮泥的重要性 杨年华 齐景岳 高菊如 ［摘要］文章从理论和试验两方面论述了堵塞炮泥的意义及其对改善爆破效果的作用， 然后针对隧道开挖爆破的特点，推导出了合理堵塞长度的计算公式。最后提出了推广隧 道开挖爆破堵塞技术的建议。 ［关键词］堵塞炮泥 隧道爆破 A D i s c u s s i o n o n t h e Im p o r t a n c e o f St e m m i n g i n t h e T u n n e l Bl a s t i n g Ya n g Ni a n h u a ①，Q i Ji n g y u e②，G a o Ju r u① ①Ch i n a A c a d e m y o f Ra i l w a y Sc i e n c e （Be i j i n g ，10 0 0 8 1） ②Ch i n a Ra i l w a y En g i n e e r i n g Bi d Co m p a n y （Be i j i n g ，10 0 8 8 4） ［A BST RA CT ］ In t h i s p a p e r ，t h e s i g n i f i c a n c e o f s t e m m i n g a n d t h e a c t i o n o f s t e m m i n g t o i m p r o v e b l a s t i n g e f f e c t a r e e x p o u n d e d t h e o r e t i c a l l y a n d e x p e r i m e n t a l l y ，t h e f o r m u l a f o r c o m p u t i n g r a t i o n a l s t e m m i n g l e n g t h i s d e r i v e d a n d t h e m e a s u r e s o n p o p u l a r i z i n g t h e s t e m m i n g t e c h n i q u e i n a c c o r d a n c e w i t h t h e s p e c i a l c h a r a c t e r i s t i c s o f t u n n e l b l a s t i n g a r e p r o p o s e d ． ［K EY W O RD S］s t e m m i n g ，t u n n e l b l a s t i n g 1 引言 从我国隧道开挖爆破技术的现状来看，在钻爆速度、炮孔利用率、爆破效果和光爆 质量方面都已取得了长足进展，有些工程达到了国际先进水平。但是隧道开挖爆破中关 于炮孔堵塞炮泥问题一直存在一个误区，特别在铁路隧道的爆破施工中，几乎没有认真 堵塞炮泥的工点。大部分人认为“堵塞炮泥麻烦、费工，不堵塞炮泥也能取得较好的爆 破效果”。这种错误的指导思想导致爆炸能量利用率大大降低，这是不追求经济效益的 结果。纵观爆破发展历程，造成这一现状有一定的历史根源。7 0 年代我国有个别爆破工 作者受当时错误爆破理论的影响，引进并大力推广了所谓“国外的无堵塞反向起爆技 术”，在那种不追求经济效益的社会环境下，此“先进技术”很快得到了普及。然而西 方国家很快就放弃了无堵塞爆破，我国爆破工程师也都认识到不堵塞爆破效果不好，爆 破负作用大。许多部门已重新重视炮孔的堵塞，但开挖铁路隧道的不少爆破施工单位受 旧习惯的影响很深，致使堵塞炮泥的工程极少。在此我们呼吁有关单位尽快采取措施， 加强炮泥堵塞质量，以提高经济效益。 2 堵塞炮泥的理论意义 从爆破技术的发展历程来看，造成不堵塞炮泥的错误有一定的理论根源。爆破理论 f i l e / / / E| / q k / b p q c / b p q c 99/ b p q c 990 1/ 990 10 8 . h t m （第 1／6 页）2 0 10 -3-2 2 15 50 42 爆破器材990 10 8 的发展经历了一个曲折的过程，大体可分为三个阶段。第一阶段为应力波破岩理论阶 段，认为岩石的破碎和位移主要由应力波和反射拉伸波作用所致，其后气体膨胀引起的 岩石破碎作用很小。这一理论一直很流行，它主张只要在炮孔内实现孔底反向起爆，无 需在孔口堵塞炮泥。第二阶段为气体膨胀作用破岩理论与应力波破岩理论的斗争阶段。 气体膨胀作用理论认为，应力波没有足够的能量产生岩石的破碎和位移，应力波仅在药 孔周壁形成初始径向裂缝，只有经过后期准静气体应力场和气体直接侵入裂缝的作用， 才能完成破碎过程。这一理论主张炮孔口应使用高强度材料严密堵塞，使气体膨胀作用 力充分发挥才能取得良好爆破效果。然而，这两种理论在7 0 年代的斗争相持不下，所以 堵塞炮泥的意义一直有争议。第三阶段是应力波和气体压力联合作用破岩理论阶段，目 前该理论得到了一致的公认，它认为爆炸应力波、气体膨胀压和反射拉伸波三项都对岩 石的破碎有重要贡献，不可偏废。这一理论明确指出了堵塞炮泥对增加气体压力的作用 时间、破碎和抛掷岩石都有重要贡献。然而不堵塞炮泥的习惯已影响很深，要想改变非 一日之功，需大力倡导。 以上是炮泥堵塞作用的理论依据，下面进一步阐述炮泥堵塞作用的理论意义。众所 周所，爆炸破岩能量主要分为两部分，即应力波能和气体膨胀能。铁科院曾测试过条形 装药爆炸能量的分配比例为，冲击波 包括应力波 能占43．7 ％，气体膨胀能占56 ． 3％。以往的试验研究证明，不堵塞爆破将有50 ％的气体能量从孔口损失［1，2 ］。所 以，堵塞炮泥的目的就是要充分发挥占爆炸总能量一半以上的气体膨胀能的破岩作用。 从理论上来说炮泥堵塞的功效主要由下列几方面实现。 1 炮泥有一定的质量，在冲出孔口的过程中瞬间加速到很高的速度，需要气体膨 胀压力克服炮泥的较大惯性阻力，这一惯性阻力能延续到炮泥冲出孔口。同时，炮泥与 孔壁之间有粘结力和摩擦阻力，随炮泥向孔外冲出，接触面逐渐减小，摩擦阻力也在减 小，最终消失。以上两种阻力导致孔内高压气体作用时间延长，气体准静应力场的破岩 作用增强，破岩效果得到改善； 2 由于炮泥阻力使维持孔内高温高压状态的时间延长，增加了爆炸物化学反应的 完全程度，从而得到更充分的爆炸能；同时减少了有害气体的生成量，还能缩短隧道中 的通风时间； 3 由于炮泥阻力延长了孔内高压气体的作用时间，使得早先由应力波作用生成的 裂缝可受到高压气体的楔裂加速发展。高压气体向裂缝中楔入，不仅提高了破岩效果， 而且增强了岩块的抛掷作用，同时降低了峒内空气冲击波强度。对隧道开挖爆破而言， 这正好是兴利除害。 归纳以上三点可知，堵塞炮泥一定要有足够的抗冲出阻力和抗冲出时间，才能达到满意 的功效。 3 堵塞炮泥的爆破效果试验研究 炮孔堵塞的爆破试验国内外已进行过多次，首先是Sn e l l i n g 和H e l l （1912 年）研究了 填塞炮泥量对铅柱中爆炸空腔大小的影响，认为填塞重量的增加能导致空腔体积增大， 但填塞重量超过临界值后空腔体积不再继续增大［1］。 从文献［3］可知，在混凝土块试件中进行填塞炮泥和不填塞炮泥的爆破漏斗体积 对比试验，发现填塞炮泥的爆破漏斗体积比不填塞炮泥的大5％～10 ％，填塞炮孔爆破 漏斗周围裂隙发育程度明显强于不填塞情况。 P．J．H o m m e r t 在台阶爆破试验中，测得填塞炮泥的爆破岩块动量比不堵塞的大 6 4％［3］。 f i l e / / / E| / q k / b p q c / b p q c 99/ b p q c 990 1/ 990 10 8 . h t m （第 2 ／6 页）2 0 10 -3-2 2 15 50 42 爆破器材990 10 8 铁科院爆破室在花岗岩试块中进行了不同堵塞条件的高速摄影试验，发现用砼严密 堵塞炮孔的爆破，破碎块度小而且均匀，碎块运动速度最大。同样条件下的粘土堵塞爆 破，块度增大，碎块运动速度降低，而岩粉堵塞效果最差。其试验数据见表1。 表1 花岗岩中不同堵塞条件的爆破试验 堵塞材 料 开裂起始 时间／ m s 抛掷起始 时间／ m s 平均开裂 速度／m . s －1 最大开裂 速度／m . s －1 平均抛掷 速度／m . s －1 最大抛掷 速度／m . s －1 固结情 况 速凝水 泥 1153．54．33．13．6固结 水泥砂 浆 1182 ．32 ．51．82 ．8未固结 水泥浆2181．72 ．41．31．8未固结 粘土22 01．31．51．01．5塑状 岩粉32 21．01．20 ．70 ．9少量水 以上仅是一些典型的堵塞试验实例。综合国内外的众多试验结果，基本的结论都是 良好的堵塞不仅可增大爆破破岩能量，使爆块更碎更均匀，而且还大大增强了抛掷作 用，这一点对开挖隧道中掏槽眼爆破最有意义。掏槽眼一般装药量大，把岩石爆碎不成 问题，但若没良好的堵塞，槽内破碎岩石不能被完全抛出，照样不能为辅助眼爆破创造 良好的临空面，使得爆破效果大大降低，所以掏槽眼的堵塞是必不可少的。以往大量的 实践和试验研究表明［2 ，4］，良好的堵塞比不堵塞爆破可节省炸药至少10 ％。 4 合理堵塞长度的分析 为寻找合理堵塞长度，国内外学者总结了实践经验并进行了大量的试验研究，T ． N．H a g o n 等人从安全角度出发，提出堵塞长度为孔径的2 0 倍～2 5倍。美国康尼亚（C． J．K o n y a ）通过试验总结的经验公式为 l s ／D ＝0 ．18 （12 ．7 8 3l n p －10 7 ．43p ） 式中l s 堵塞长度，m ； D 炮孔直径，m ； p 炮孔内爆炸气体压力，Pa 。 国内有些工程师认为开挖隧道爆破中一般堵塞长度为40 c m ～6 0 c m 即可。 以上这些研究成果是根据不同的爆破目的得出的。然而开挖隧道爆破有其特殊性， 我们认为确定其合理堵塞长度应考虑以下几个方面 1 堵塞物应能保证高压气体在炮孔内有充足的作用时间。隧道内只有掌子面是唯 一的临空面，因此充分作用时间的意义是爆炸冲击波传至掌子面 临空面 产生的反射 拉伸波至少能传至炮孔底面的时间，这就能保证被爆岩体在该时间范围内充分受到应力 波、高压气体膨胀力和反射拉伸波的联合作用，最大限度地利用爆炸能破碎岩石。 2 堵塞长度应与堵塞物密度和岩石特性有关。以往讨论堵塞物的合理配比，其实 质就是加大堵塞物的密度。开挖隧道爆破一般都是水平炮孔，对堵塞炮泥要求较高，炮 泥既要有一定形状便于塞入孔中，又要有较高密度保证堵塞质量，所以炮泥的合理配比 f i l e / / / E| / q k / b p q c / b p q c 99/ b p q c 990 1/ 990 10 8 . h t m （第 3／6 页）2 0 10 -3-2 2 15 50 42 爆破器材990 10 8 应以取得最大密度为原则。建议利用炮泥机挤压成形，可得到较密实且便于装填的炮 泥。 3 开挖隧道中用的炮泥一般先在洞外做好，常做成药卷一样的形状，外表包上纸 皮或塑料皮便于运送和填塞入孔中。所以开挖隧道中用的炮泥摩擦阻力减小，摩擦阻力 和惯性阻力比较时，我们可忽略其摩擦阻力的作用。 根据以上三点的考虑，现通过理论分析将开挖隧道爆破的合理堵塞长度推导如下。 其计算原理见图1。 图1 炮孔装药堵塞示意图 根据牛顿定律，爆后炮泥的运动方程 式中 F炮泥所受推力，N； m 炮泥的质量，m ； a 炮泥冲出的加速度，m . s －2； X炮泥的位移量，m ； t 炮泥冲出运动的时间，s 。 假设炮泥已挤压得很密实，爆后基本没有压缩，将炮泥当刚体考虑，炮泥冲出孔口 的时间t p 应足够长，由上述第一条考虑因素可知，足够长的时间t p 应按下式计算 t p ＝（l s ＋L）／Vp （3） 式中 l s 堵塞长度，m ； L炮孔深度，m ； Vp岩石的纵波波速，m . s －1。 综合式 1 、式 2 、式 3 得到炮泥冲出孔口的位移量按下式计算 l s ＝（F／m）［（l s ＋L）／Vp］2／2 （4） 假设炮孔内气体平均压力为爆轰波C-J压的一半，则推动炮泥运动的平均气体压力 f i l e / / / E| / q k / b p q c / b p q c 99/ b p q c 990 1/ 990 10 8 . h t m （第 4／6 页）2 0 10 -3-2 2 15 50 42 爆破器材990 10 8 为 p＝ρ0D 2／8 （5） 式中 ρ0炸药密度，k g . m －3； D 炸药爆速，m . s －1； p 炮孔内平均气体压力，Pa 。 将炮泥的摩擦阻力和孔外大气压力忽略，主要作用力F就等于p ，将式 5 中p 代入式 4 中F可得 l s 2＝ρ0D2（l s ＋L）2／16 ρ1Vp 2 （6 ） 式中 ρ1炮泥密度，k g . m －3。 其余同前。 整理式 6 得到炮孔长度与堵塞长度之比为 （7 ） 按此公式验算秦岭隧道开挖爆破的条件和岩石性质，取岩石波速Vp＝550 0 m . s －1， 炸药爆速D ＝40 0 0 m . s －1，炸药密度ρ0＝950 k g. m －3，炮泥密度ρ1＝18 50 k g. m －3，则计 算得L／l s ＝6 ．7 。也就是若炮眼深为4．5m ，合理堵塞长度约在0 ．7 m 左右。根据开挖 秦岭隧道的实践和以往试验结果，说明用式 7 计算合理堵塞长度基本正确，它可作为 开挖隧道中深孔爆破设计的参考值推广使用。 5 结论 1 理论和实践分析证明了堵塞炮泥有三大作用可延长孔内爆炸高压气体作用时 间，提高炸药能量利用率；可增加孔内炸药爆炸反应的完全程度，提高炸药爆速和殉爆 距离，减少有毒气体生成量；可降低空气冲击波强度，减小个别飞石距离。 2 开挖隧道中深孔爆破的合理堵塞长度可用公式来计算，此 式考虑了炸药和岩石的波阻抗匹配参数，但忽略了炮泥的摩擦阻力和炮泥的压缩性，所 以它计算的堵塞长度偏于保守。考虑到施工过程中有些堵塞质量达不到要求，故偏于保 守的设计堵塞长度是必要的。 作者单位杨年华 高菊如 铁道部科学研究院 北京，10 0 0 8 1 ；齐景岳 中国铁路工 程发包公司 北京，10 0 8 44 f i l e / / / E| / q k / b p q c / b p q c 99/ b p q c 990 1/ 990 10 8 . h t m （第 5／6 页）2 0 10 -3-2 2 15 50 42 爆破器材990 10 8 参考文献 [1] L．W ．a r m s t s o n g ，N．T ．M o x o n ．填塞对岩石破碎和移动的影响．见中国工程 爆破协会译校组．第四届国际岩石爆破破碎学术会议论文集．北京冶金工业出版社， 1995 [2 ] 苏学清．炮孔填塞的试验研究．爆破，1994 4 [3] 赵新，于亚伦．填塞与不填塞炮孔对爆破漏斗形成的研究．爆破，1992 （1） [4] 杨祖光．炮孔爆破堵塞问题的研究．爆破，198 5 4 f i l e / / / E| / q k / b p q c / b p q c 99/ b p q c 990 1/ 990 10 8 . h t m （第 6 ／6 页）2 0 10 -3-2 2 15 50 42