２０１５年第５期 西部探矿工程 １６３ ・隧道与建设工程・ 隧道直孔掏槽爆破的炮孔间距分析与确定 陈晓波 ，邹盛国 （第二炮兵指挥学院，湖北武汉４３００１２） 摘要：炸药爆炸能量、炮孔体积、爆破作用指数是影响直孔掏槽炮孔间距的重要因素；在因素分析 的基础上，结合已有的计算方法，通过算例求解，为爆破法施工提供了理论依据。 关键词：隧道掘进；直孔掏槽；炮孔间距 中图分类号：Ｕ４５５．６文献标识码：Ａ文章编号：１００４—５７１６（２０１５）０５—０１６３—０５ １概述 爆破作用指数应满足既使爆破孔与空孔之间的岩 在隧道掘进爆破作业中，常用的楔形掏槽法、锥形 渣能挤入空孔，而又不能将空孔挤死造成空爆或再生 掏槽法和扇形掏槽法，都有较大的角度要求，受作业面 岩。 大，钻孔浅，作业循环次数多，进度较慢，满足不了 ３炮孔间距的计算方法 机械化作业的需要。而直线深孔掏槽法，则不受断面 ３．１计算方法的建立 大小，有利于展开机械化作业，速度快，工效高，但 采用中空孑Ｌ直眼掏槽爆破，在确定炮孔问距时，为 钻孔操作较复杂，炮孔精度要求高，孔数较多，如果孔 了便于利用已有的集中装药爆破理论和计算公式，爆 距选择不当，爆破效果不易保证。究其原因，主要是没 破装药设为似集中装药，即把直列装药分段，每段不大 有很好地解决直线深孔掏槽的岩石夹制作用问题，特 于４倍炮孔装药直径，再以每段长的装药视为集中装 别是掏槽孔孑Ｌ距的合理确定问题。因此，研究解决隧 药。已有资料表明［２ ，用似集中装药代替集中装药其粉 道爆破作业中直线深孔掏槽孔距确定的有关问题，改 碎区范围却与圆柱形直列装药时的粉碎区范围相近。 进爆破技术和施工方法，为实现机械化作业创造条件， 计算炮孔间距时，首先按炸药爆炸能量，确定爆炸压力 是隧道掘进工程作业的努力方向。 与反射拉应力对岩石的破碎范围大小；再根据爆破孔 ２影响炮孔间距的因素 与空孔的体积应满足爆破孑Ｌ与空孔之间的原岩因碎胀 目前，直线深孔掏槽法可分为：梅花形掏槽、大口 而增加的体积要求，确定炮孔间距值；最后，按爆破作 径掏槽、直线菱形掏槽、螺旋形掏槽和扩大孔底（药壶） 用指数的要求（爆破作用指数过大，易产生再生岩；过 掏槽等。其掏槽孔间距有２种，一种是爆破孔与空孑Ｌ之 小，易产生冲炮现象），确定炮孔间距值。 间的间距；另一种是两相邻爆破孔的间距。而影响爆 因此，合理的、适用的炮孔间距应同时满足以上３ 破孔与空孔之间的间距因素很多，其主要有炸药的爆 个条件，并取其中最小值为使用值。 炸能量，炮孔的体积和爆破作用指数。 ３．２算例 ２．１炸药的爆炸能量 设某爆破工程，采用中空孑Ｌ梅花形直线深孑Ｌ掏槽， 炸药爆炸时产生的爆炸能量应满足破碎爆破孑Ｌ与 爆破孔深４．Ｏｍ，炮孔直径为４５ｍｍ，空孔直径为９０ｍｍ； 空孔之间岩体所需要的能量，否则将产生冲炮。 ２号岩石硝铵炸药，药卷直径为３２ｍｍ，装药密度为１．０， ２．２炮孔的体积 装填系数为０．７５；围岩属Ⅳ类致密的石灰岩，抗压强度 炮孑Ｌ的体积（空孔与爆破孑Ｌ）应满足爆破孔与空孔 为４３０ｋｇ／ｃｍ。，抗拉强度为３３ｋｇ／ｃｍ ，岩石碎胀系数 之间被破碎的岩石因岩渣碎胀所增加的岩渣体积，否 １．７；计算爆破孑Ｌ与空孔之间的距离。 则将产生岩渣挤死现象，出现再生岩。 ３．２．１计算似集中装药量 ２．３爆破作用指数 根据已有资料 ］，粉碎区范围与药量的立方根成正 收稿日期：２０１４一ｏ４—２９修回日期：２０１４—０４—２９ 第一作者简介：陈晓波（１９６２一），男（汉族），四川成都人，副教授，现从事地下工程方面教学与科研工作。 １６４ 西部探矿工程 ２０１５年第５期 比： Ｒ１一ＫＯ （１） 式中：尺 ——粉碎区半径； Ｑ——似集中装药量； Ｋｎ——岩石特性影响系数，一般为０．２－－０．５。 Ｑ＝ ＩＤ （２） 式中：ｄ。——药卷直径； Ｐ——装药密度。 或根据在粉碎区炸药爆炸时的压应力Ｐ 大于或等 于岩石抗压强度的条件，可得计算粉碎区半径的另一 公式： Ｒ１－ ｄｏＰ： （３） 厶０Ｐ 式中：Ｐ ——似集中装药的爆压； 。——岩石的抗压强度。 由公式（２）代人已知参数得： Ｑ＝ １０一丁ｃ×３．２。ｘ１．０￣１００（ｇ） ３．２．２计算爆炸参数 ２号岩石硝铵炸药中含铵８５％，梯恩梯１１％， 其它４％。根据已有资料计算 。 （１）计算爆炸物生成气体的体积。在标准状态下ｌ 克分子的任何气体体积都是２２．４Ｌ，所以根据化学方程 式和爆炸物生成气体的克分子数即可求出气体的体 积。 ①铵爆炸时生成的气体体积： ＮＨ４ＮＯ３＝２Ｈ２Ｏ＋Ｎ２＋去ｏ２ （４） ，， １、 Ｖ１＝２２．４Ｉ ２＋ｌ＋百１｝＝７８．４（Ｌ） １克分子的铵是１４＋４＋１４＋１６ｘ３＝８０（ｇ），即 ８０ｇ的铵爆生气体的体积为７８．４ Ｌ，在２号岩石硝 铵炸药中铵占８５％，故ｌＯＯｇ的２号岩石硝铵药中 有８５ｇ的铵，其爆生气体的体积为： （８５＋８０）ｘ７８．４＝８３．３（Ｌ） ②梯恩梯爆炸时生成的气体体积： ｃ６Ｈ２（ＮＯ２）３ｃＨ３ 量Ｈ２ｏ＋考ｃｏ＋考ｃ＋量Ｎ２ （５） 因Ｃ为固态，故： Ｖ２＝２２．４×（号＋ ＋萼）＝１６８（Ｌ） １克分子梯恩梯是：１２×６＋１×２＋ｌ４×３＋ｌ６×６＋１２＋３× １＝２２７（ｇ），即２２７ｇ的梯恩梯爆生气体体积为１６８Ｌ，２ 号岩石硝铵炸药中梯恩梯占１１％，１００ｇ的２号岩石硝 铵炸药含梯恩梯ｌｌｇ，其爆生气体体积： （１１＋２２７）ｘ１６８＝８．１（Ｌ） （２）计算爆炸热量。根据盖斯定理得知，爆炸反应 时的热效应与反应过程无关，只取决于该系统的始态 和终态。因此爆炸热量Ｑ等于爆炸产物的化合生成热 量Ｑ 与炸药本身化合生成热量Ｑ。的代数差。即： Ｑ＝ Ｑ１一 Ｑ。 （６） １克分子的ＣＯ为２７．１７ｋＣａｌ，１克分子汽态Ｈ Ｏ 为５７．４９ｋＣａｌ，ｌ克分子铵为８４．７５ｋＣａｌ，ｌ克分子梯 恩梯为１３．５ｋＣａｌ。 ①铵的爆炸热量。由公式（４）得知，铵的 爆炸热量只有２克分子的汽态水生成热，氮和氧始态和 终态未变，故无生成热，所以爆炸产物的总生成热为： Ｑ１＝２ｘ５７．４９＝ｌ１５（ｋＣａ１），Ｑ２＝８４．７５ｋＣａｌ，代人公式（６） 得： Ｑ＝１１５—８４．７５＝３０．２５（ｋＣａ１） １克分子铵（８０ｇ）爆炸热量为３０．２５ｋＣａｌ，在 １００ｇ的２号岩石硝铵中，铵的爆炸热量为：（１ＯＯｘ ８５％）＋８０ｘ３０．２５＝３２．１４（ｋＣａ１）。 ②梯恩梯的爆炸热量。由公式（５）得知，梯恩梯的 爆炸热量有２．５克分子的汽态Ｈ。ｏ和３．５克分子的 ＣＯ，碳和氮始态和终态未变，故无生成热，所以爆炸产 物的总生成热量： Ｑ１＝２．５×５７．４９＋３．５×２７．１７＝２３８．８２（ｋＣａ１） Ｑ２＝１３．５０ｋＣａｌ 代入公式（６）得： Ｑ＝２３８．８２—１３．５０—２２５．３２（ｋＣａ１） １克分子梯恩梯（２２７ｇ）的爆炸热量为２２５．３２ｋＣａｌ， ｌＯＯｇ的２号岩石硝氨炸药中的梯恩梯的爆炸热量为： （１１＋２２７）ｘ２２５．３２＝１０．９８（ｋＣＭ） （３）计算爆炸温度。 ｎ ＝・ ＋ （７） 』 Ｌ／１， 式中：Ｑ——爆炸热量； ——爆炸后生成气体的克分子数； Ｃ ——爆生气体的平均定容比热，氮、氧、一氧化碳 为７卡／（克分子・度），水（Ｈ Ｏ）为１２卡／（克分子・度）； ——初始温度２７３。Ｋ。 ①铵的爆炸温度。由公式（４）可得铵爆 炸产物的克分子数为：２＋１＋０．５＝３．５，故其平均热容量 为： Ｃｖ＝（２ｘ１２＋ｌｘ７＋Ｏ．５ｘ７）＋（２＋１＋０．５） ＝９．８６［卡／（克分子・度）］ ２０１５年第５期 西部探矿工程 １６５ １００ｇ的２号岩石硝铵炸药中铵爆炸后生成的 气体克分子数为： Ｎ＝１００ｘ８５％＋８０ｘ３．５＝３．７２ 代人公式（７）得： Ｔ１＝ ＋２３７＝１１４９．２４（０Ｋ） ②梯恩梯的爆炸温度。公式（５）表明，１克分子梯 恩梯爆炸生成７．５克分子气体，１００ｇ的２号岩石铵 炸药中梯恩梯的克分子数为： Ⅳ＝（１００÷２２７）×１１％＿（）．０４８（克分子） １克分子梯恩梯爆炸生成气体分子数为：５／２＋ ７／２＋３／２＝７．５（克分子），１００ｇ的２号岩石硝铵炸药中 １１ｇ的梯恩梯爆炸生成的气体克分子数为：Ｎ＝Ｏ．０４８ｘ ７．５＝０．３６（克分子）。故梯恩梯爆生气体的平均热容为： Ｃ ＝（５／２ｘ１２＋７／２×７＋３／２×７）÷（５／２＋７／２＋３／２）＝ ８．７６［卡／（克分子・度）１。 代入公式（７）得１００ｇ的２号岩石硝铵炸药中梯恩 梯的爆温： Ｔ１＝ ＋２３７＝３７９０．８８（。Ｋ） （４）计算爆炸压力。由理想气体状态平衡方程式 得知： ｇｌ＿Ｐｏ＿ｊ Ｖｏ＿Ｔ１ （８） 式中：Ｐ１——爆炸压力； Ｐ０——初始压力，为１个大气压，等于１．０３４ｋｇ／ｃｍ ； ——爆炸生成气体在标准状态下的体积，硝 酸铵为８３．３Ｌ，梯恩梯为８．１Ｌ； ——似集中装药所占的炮孔容积，Ｖ１＝７ｃ ＝ ｎ４．５。＝０．２８６（Ｌ）； 丁ｌ——爆炸温度，铵为１１４９．２４ｏＫ，梯恩梯为 ３７９０．８８。Ｋ。 ①铵的爆炸压力： ＰＮ＝（１ｘ８３．３ｘ１１４９．２４）＋（２７３ｘ０．２８６） ＝１２２６．１（大气压） ②梯恩梯的爆炸压力： 尸～＝（１ｘ８．１ｘ３７９０．８８）＋（２７３ｘ０．２８６） ＝３９３．２８（大气压） ③１００ｇ２号岩石硝铵炸药的爆炸总压力： Ｐｌ＝１２２６．１＋３９３．２８＝１６１９．３８（大气压） 即：Ｐ１＝１６７４ｋｇ／ｃｍ。 ３．２．３计算炮孑Ｌ间距 （１）按爆炸破坏范围确定炮孑Ｌ间距。由公式（１）， 取Ｑ＝０．１ｋｇ，算得粉碎区边界如表ｌ所示。 值可通 过试验确定，它主要与岩石特性有关。表ｌ中Ｒ 应与 公式（３）算得的ＪＲ 值做比较取小选用。 表１在各种 值条件下似集中装药的爆炸粉碎区边界（ｍｍ） Ｎｏ ０．１５ ０．２０ ０．２５ ０．３０ ０．３５ ０．４０ ０．４５ ０．５０ Ｒ ７０ ９３ １１６ １３９ １６２ １８６ ２０９ ２３２ 由公式（３）算得粉碎区边界Ｒ ＝６．２ｃｍ。 再由反射拉应力波对岩石的破坏范围计算式Ⅱ］： （ ） （９） 式中： ——爆破孔中的似集中装药爆炸时，在空孔 壁上形成的反射拉应力波强度值； Ｐ ——似集中装药的爆压； ——装药半径（常取爆破孔半径）； Ｒ——爆破漏斗侧面半径，Ｒ＝ｒ、／１＋（１／ｎ＋１）。； ｒ空孔半径； ——爆破作用指数，取０．１～Ｏ．７５，当空孑Ｌ直径较 小时，取较小值；反之，取较大值。当空孔直径Ｄ＝ ９０ｒａｍ时，ｎ＝０．４５较合适； ～冲击波传播的衰减指数，一般情况下取２。 代人公式（９）得： Ｎ （ ） （１０） 反射拉应力波向爆破孑Ｌ方向传播，并以，上／（ｒ ） 的规律衰减，衰减后的拉应力波破坏岩石的条件为： 。，２ — Ｎ≥ Ｌ （１１） ｒ十Ｚ厂 得： ｚ≤（ｆ ～１）ｒ （１２） ＯＩ， 式中：．ｒ反射拉应力波对岩石的破坏范围； ｃｒＬ——岩石的抗拉强度； 其余符号同前。 由公式（１０）、（１２）算得： ＝３６．８ｋｇ／ｃｍ ，Ｘ＝Ｏ．２５ｃｍ 则炮孑Ｌ间距： ａ＝Ｒ１＋Ｘ＝６．２＋０．２５￣－６．５（ｃｍ） （２）按炮孔体积确定炮孑Ｌ间距。根据资料 ］，炮孔 间距值可用下式计算： ４￣（ｄ ＋ＤＩｆ — 一＋ ＋＋Ｄｚ ＩＩ Ｌｌ ）Ｊ １６６ 西部探矿工程 ２０１５年第５期 式中：盘——爆破孔与空孔之间的距离； 破孔直径； 空孑Ｌ直径； ——装填系数； Ｋ－＿一岩石碎胀系数，见表２。 表２各类围岩碎胀系数 值表 由公式（１３），可算出不同条件下的 值。如按爆破 空孔直径最小为４０ｍｍ，药孔装填系数（ ）为０．７５时，在 各种岩石碎胀系数（Ｋ）和空孔直径（Ｄ）条件下的炮孑Ｌ 间距以值，见表３。 表３不同 值和Ｄ值时的炮孔间距ａ 根据表３查得在该条件下的 值为２１．９ｃｍ。 （３）按爆破作用指数确定炮孔间距。按爆破作用 指数的要求确定爆破孔与空孑Ｌ之眼距离的计算式 ］： ＆＝Ｄ（１／ ＋１） （１４） 式中： ——爆破作用指数； Ｄ——空孔直径。 由公式（１４），可算出不同Ｄ、Ｙ／值时的以值见表４。 由表４查得ａ＝１４．９ｃｍ。 （４）确定炮孑Ｌ间距使用值。根据上述计算和查表 结果，按应同时满足以上３个条件，并取其中最小值为 使用值。可确定最小炮孑Ｌ间距为６５ｍｍ；最大炮孔间距 表４不同Ｄ值ｇｉｎ值时的炮孔间，／ｌ￣ａ（ｍｍ） ６５ ６５ ——＃——ｊＬ 图１炮孔布置图（ｍｉｌ１） ４结论与建议 中空孑Ｌ直眼掏槽时，爆破孑Ｌ与爆破孔、爆破孔与空 孑Ｌ的间距是关系到直眼掏槽成败的主要问题，而影响 的主要因素有炸药的爆炸能量、炮孑Ｌ的体积和爆破作 用指数。此外，钻眼质量、炸药、雷管、起爆次序、起爆 药包位置、堵塞等也很重要。因此施工中能否做好精 细化施工，合理设计并选用其佳的使用值，仍是保证直 眼掏槽获得较好的经济技术效果的关键。 鉴于直线深孔掏槽的爆破理论和计算公式，受到 一系列因素的影响，所以目前要从理论上定量地、准确 （下转第１６９页） ２０１５年第５期 西部探矿工程 １６９ 转换为喷浆管，旋转提升振动钻杆而形成旋喷灌浆。 （７）多头小直径深层搅拌工艺：在移动支撑机上的 三支点垂直立柱导杆上装载着挖掘搅拌装置，５根掘削 搅拌轴将回转动力传至下面的挖掘头，同时通过３孔送 浆、２孑Ｌ送气、５轴掘搅、三维作业、跟踪监控，在原有位 置将基土和水泥混合搅拌成均匀的地下连续墙的施工 技术经济比较后确定。 （３）在堤身的垂直防渗处理可采用截渗墙（薄防渗 墙、定摆喷、板桩墙），灌浆等防渗体。在防渗体不能和 地基防渗措施统筹实施时，可考虑截渗墙方案。 （４）堤基的垂直防渗处理。透水堤基垂直防渗处 理可采用截水槽、截渗墙等作为防渗体。采用截水槽、 截渗墙等防渗体时，材料可采用粘性土、土工膜、固化 灰浆、水泥、水泥砂浆、混凝土、塑性混凝土、沥青混凝 土、化学材料；施工可采用人工开挖、机械开挖、铺设、 技术。水泥土搅拌桩截渗墙是以水泥作固化剂，通过 桩机在地基深处就地将土体和固化剂强制拌和，利用 固化剂，土体和水之间所产生的一系列物理、化学反 应，使土体硬结成具有良好的整体性、水稳定性、不透 水性，并具有一定强度的水泥土防渗墙，以达到截渗的 目的。 冲击钻、回转钻、抓斗、轮铣、射水、锯槽、斗式、多头钻、 定摆喷、灌浆、板桩、搅拌桩等技术；其厚度和设置方式 应满足材料允许渗透坡降要求；其防渗性能、效果应符 合防渗要求和适应防渗体的布置。 ４垂直防渗加固处理方法的特征比较分析 水利工程建设中，各种垂直防渗加固处理方法有 各自的优、缺点和适应性，主要可归纳如表ｌ所述。 ５垂直防渗加固处理方法的选择 综上分析，在水利工程建设中如何有针对性的选 对于截渗墙，关键是要采用薄墙和廉价的材料才 能有效地减低工程造价。如采用射水、锯槽、链斗、多 头搅拌桩、插板等薄墙成槽方式，并使用土工膜、塑性 混凝土、自凝灰浆、固化灰浆等作为墙体材料，其单价 可在１３０～２５０元／ｍ 间。定摆喷、板桩墙、搅拌桩造价 也较低，其单价在７０￣３５０元／ｍ 间。 择垂直防渗加固处理方法，是工程防渗处理的关键因 素，也是决定项目成功与否的前提条件。因此，垂直防 渗加固处理方法在水利工程中的最终选择必须从以下 几点人手： 对于砂卵砾石含量较高、粒径较大的地层，则应考 虑冲击钻、回转钻、抓斗、轮铣等成槽方式的截渗墙，其 单价可在２００￣８００元／ｍ２间。根据堤防工程的特点，对 该类地层险工段的防渗处理也可考虑单排灌浆帷幕防 （１）垂直防渗加固处理方法的选择主要考虑适应 工程性质、地质条件，可满足工程防渗目的和要求，有 定的防渗标准，工程费用较低等因素。防渗标准直 接关系到堤防的安全性以及工程量、工程进度、造价 一渗或劈裂灌浆，配合其它渗流控制措施可以达到一定 的渗流控制标准，其单价可在５０～１５０元／ｍ２间。 （５）堤基防渗体应布置在临水堤脚或堤顶偏临水 侧，并与堤身防渗体有效连接，且符合变形协调的要 求。 等。 （２）水利工程堤防垂直防渗是渗流控制处理的一 部分，应尽可能符合前堵后排的原则、堤身和堤基渗流 控制措施统一考虑的原则。和渗流控制方案一起应在 （上接第１６６页） 地加以确定尚有困难，但并不妨应用时，通过现场试验 进行合理选择与确定炮孔间距。参考文献： ＣＨＥＮＸｉａｏ—ｂｏ，ＺＯＵ Ｓｈｅｎｇ—ｇｕｏ （Ｔｈｅ Ｓｅｃｏｎｄ Ａｒｔｉｌｌｅｒｙ Ｃｏｍｍａｎｄ Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ ＰＬＡ，Ｗｕｈａｎ Ｈｕｂｅｉ ４３００１２，Ｃｈｉｎａ） ［１１ 潘涤泉．］论中空孔直眼掏槽炮眼间距计算的理论与实践［Ｊ］． Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ ｅｎｅｒｇｙ，ｖｏｌｕｍｅ ｏｆ ｂｏｒｅｈｏｌｅｓ ａｎｄ ｉｎｄｅｘ ｏｆ ｂｌａｓｔｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ ａｒｅ ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ ｉｍｐｏｒｔｎｔａ ｆａｃｔｏｒｓ ｔｏ ａｆｆｅｃｔ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｖａｌ 铁道工程学报，１９８５（３）：８９—９２． ［２］刘殿中，等．工程爆破实用手册［ＭＩ．北京：冶金工业出版社， １９９５． ｏｆ ｂｏｒｅｈｏｌｅｓ ｏｆ ｐａｒａｌｌｅｌ ｃｕｔ ｂｌａｓｔｉｎｇ．Ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｆａｃｔｏｒ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ，ｗｉｔｈ ｓｏｌｖｉｎｇ ｂｙ ａｎ ｅｘ— ａｍｐｌｅ，ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｂａｓｉｓ ｉｓ ｐｒｏｖｉｄｅｄ ｆｏｒ ｂｌａｓｔｉｎｇ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ． Ｔｈｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｉｎｔｅｒｖａｌ ｏｆ Ｂｏｒｅｈｏｌｅｓ ｏｆ Ｔｕｎｎｅｌ Ｐａｒａｌｌｅｌ Ｃｕｔ Ｂｌａｓｔｉｎｇ Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｔｕｎｎｅｌ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ；ｔｈｅ ｐａｒａｌｌｅｌ ｃｕｔ；ｉｎｔｅｒｖａｌ ｏｆ ｂｏｒｅ— ｈｏｌｅｓ
