陳壽峰，劉殿書(shū)，薛士文，聶一杰，王永桓，張 雷

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083）

在遠(yuǎn)離大陸水深小于2.0m的島礁工程中，受風(fēng)浪、潮汐變化影響，鉆孔爆破受到制約，而聚能爆破無(wú)需鉆孔機(jī)械，布藥機(jī)動(dòng)靈活，效率高［1］。水下聚能藥包設(shè)計(jì)研究主要包括：1）合理選擇和確定裝藥的品種類型、裝藥高度及裝藥當(dāng)量；2）合理選擇和確定聚能罩的材質(zhì)、外形及尺寸等技術(shù)參數(shù)；3）聚能罩隔水設(shè)計(jì)；4）聚能藥包組裝成型設(shè)計(jì)。潛水布設(shè)聚能藥包工藝簡(jiǎn)單、安全可靠［2］。

1 聚能爆破機(jī)理分析

1.1 聚能爆破破巖機(jī)理分析

聚能爆破破碎巖石不同于普通的聚能射流侵徹過(guò)程，二者作用的主要區(qū)別在于：射流侵徹過(guò)程中起作用的主要部分是聚能爆破形成的高速金屬射流；而聚能爆破破巖過(guò)程則可以看作是聚能射流和集中藥包接觸爆炸的共同作用，高速金屬射流、金屬罩壓垮形成的速度較低的杵體以及炸藥在試件表面的接觸爆炸都起著非常重要的作用［3］。

聚能爆破破巖過(guò)程大致可以分為4個(gè)階段［4］。第一是沖擊波作用階段，爆炸后的沖擊波作用于和炸藥直接接觸的巖石表面，產(chǎn)生極大的壓力，使巖石發(fā)生破壞。第二是聚能射流開(kāi)坑階段，聚能射流頭部碰擊靜止的巖石，產(chǎn)生百萬(wàn)大氣壓的壓力。從碰撞點(diǎn)向巖石和射流中分別傳入沖擊波，巖石自由界面處崩裂，巖石和射流殘?jiān)w濺。第三是射流侵徹準(zhǔn)定常階段，射流對(duì)處于三高區(qū)狀態(tài)的巖石穿孔，射流的能量分布變化緩慢，破巖參數(shù)和穿孔直徑都變化不大。第四是杵體及應(yīng)力波作用階段，此階段金屬射流速度已相當(dāng)?shù)?，巖石強(qiáng)度的作用愈來(lái)愈明顯，破巖速度和擴(kuò)孔能力明顯下降，后續(xù)射流推不開(kāi)前面已經(jīng)釋放能量的射流殘?jiān)?，射流的破巖作用基本停止［5］。

1.2 金屬射流穿孔機(jī)理分析

聚能裝藥爆炸后，爆轟波的波陣面沿金屬罩外表面通過(guò)，爆轟產(chǎn)物高溫、高壓、高速地壓迫金屬罩向其對(duì)稱軸方向運(yùn)動(dòng)，并在對(duì)稱軸上發(fā)生碰撞，形成高溫、高速、高能流密度的金屬聚能射流，具有強(qiáng)大的穿透作用［6］。

金屬射流頭部碰撞巖石，可產(chǎn)生百萬(wàn)大氣壓的壓力，隨后在巖石中形成高溫、高壓、高應(yīng)變率的三高區(qū)域，射流相繼對(duì)處于三高區(qū)的巖石穿孔，碰撞壓力下降到2.026×106～3.039×106Pa。而一般巖石的抗拉強(qiáng)度只有1～36MPa，即使最堅(jiān)硬的花崗巖，極限抗壓強(qiáng)度也遠(yuǎn)小于聚能射流的壓力，因此聚能射流可以在極堅(jiān)硬的巖石上穿一個(gè)較深的孔。金屬射流以極大的沖擊壓力射孔，并不能消耗其全部能量，在射流穿孔過(guò)程中，部分能量同時(shí)產(chǎn)生側(cè)壓力，具有擴(kuò)大孔徑的作用。

當(dāng)相鄰成組聚能裝藥同時(shí)起爆后，聚能金屬射流將同時(shí)以極大的壓力射向巖體。在射流和側(cè)壓力作用下，應(yīng)力波在相鄰炮孔間還會(huì)發(fā)生應(yīng)力疊加和應(yīng)力集中作用，增強(qiáng)爆破的破巖效果［7］。

2 聚能裝藥設(shè)計(jì)

2.1 炸藥選擇

炸藥的爆炸威力對(duì)聚能裝藥的爆破破碎效果有很大的影響。理論分析和實(shí)驗(yàn)研究表明：影響穿透和破碎威力的主要因素是爆壓；隨著爆壓的增加，穿透深度和破碎體積都增加；爆速高的炸藥爆壓也高。根據(jù)爆壓的一般計(jì)算公式可知，爆壓跟炸藥密度的一次方、爆速的二次方成正比。而炸藥密度又對(duì)炸藥爆速有很大影響。因此，應(yīng)保證一定的裝藥密度，并保證穩(wěn)定的高爆轟速度［8］。

另外，根據(jù)島礁工程環(huán)境特點(diǎn)，炸藥必須滿足兩方面的要求：一是必須具有良好的防水性能；二是在高溫、高鹽、高濕環(huán)境條件下要求爆轟性能穩(wěn)定。為提高聚能爆破破巖穿透深度效果，經(jīng)與炸藥廠研究和改良配方，發(fā)現(xiàn)采用密度大于1.20g／cm3，爆速達(dá)到6 500m／s以上的高性能巖石乳化炸藥可以滿足聚能破巖的要求。

2.2 聚能罩設(shè)計(jì)

2.2.1 聚能罩材質(zhì)

聚能罩的作用是把炸藥的爆炸能轉(zhuǎn)化為罩體的射流動(dòng)能，從而提高其穿透和切割能力。聚能罩的材料必須滿足4點(diǎn)要求，即可壓縮性小、密度高、塑性和延展性好、在形成射流過(guò)程中不會(huì)汽化［9］。

聚能裝藥穿孔時(shí)，采用不同材質(zhì)的聚能罩的穿孔效果不一樣。紫銅材質(zhì)的聚能罩的穿孔深度最大，其后依次為鑄鐵、鋼、硬鋁、陶瓷等。采用聚能裝藥爆破巖石可以增大破碎深度，但破碎范圍減小了，這符合能量平衡原理。聚能爆破破碎效果不僅要有適宜的深度，而且需要有一定的破碎范圍，而不是單純追求破碎深度［10］。從這一點(diǎn)看，聚能流很強(qiáng)的金屬紫銅未必是最佳選擇。也可以采用普通的金屬材料，如生鐵、鋼、鋁?？紤]到材料加工和成本等因素，大量水下聚能爆破時(shí)采用硬鋁作為聚能罩材料，設(shè)計(jì)厚度取1.0～2.0mm。

2.2.2 聚能罩形狀

聚能罩的剖面形狀有角錐形、半球形、半橢圓形、拋物線形、雙曲線形和喇叭形，常用的有圓錐形和半球形聚能罩。半球形聚能罩形成的射流比圓錐形聚能罩的粗，但其射流速度略低。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于破碎中等強(qiáng)度的介質(zhì)，使用半球形聚能罩破碎效果較好［11］。穿孔或破碎巖石的聚能裝藥是軸對(duì)稱的。從加工工藝來(lái)說(shuō)，鋁質(zhì)聚能罩采用半球形加工比較方便。且半球形聚能罩與圓錐形的相比，穿孔的孔徑比較大，也就是說(shuō)，在破碎巖石時(shí)，其破碎范圍會(huì)稍大，錐形罩的破碎深度較深。因此，聚能罩形狀設(shè)計(jì)為半球形與錐形復(fù)合形狀，如圖1所示。

2.2.3 支架高度與隔板

研究表明，水深2.2m不變時(shí)，隨著藥包深度從0.1m至1.5m增加，水底巖土中的爆破破碎漏斗直徑和深度都逐漸增大［12］。就是說(shuō)一定條件下藥包越接近爆破介質(zhì)，則破碎范圍和體積增大。聚能裝藥爆炸時(shí)，裝藥與靶板間保持一定的距離，稱為炸高。與最大穿孔深度相對(duì)應(yīng)的炸高，稱為有利炸高。但考慮到水下的裝藥隔水問(wèn)題，同時(shí)考慮加工藥包便利以及藥包安放的穩(wěn)定性，綜合考慮確定支架高度為零，即藥包直接置于需要爆破巖石的水平表面上。

隔板的作用是改變爆轟波的傳播路線，從而控制爆轟波到達(dá)聚能罩的時(shí)間。因而在一定條件下，隔板能提高聚能裝藥的穿透作用。同時(shí)，隔板的作用大小與藥包外殼有一定關(guān)系，研究和試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在有外殼約束的條件下，從爆破橫向體積考慮，增加隔板有時(shí)起不到增強(qiáng)爆破穿孔的作用或作用不是很明顯。因此，從整體考慮聚能裝藥設(shè)計(jì)中不設(shè)隔板。

圖1 半球形-錐形復(fù)合型聚能罩設(shè)計(jì)Fig.1 Hemispherical-tapered composite shaped cover design

2.3 聚能裝藥成型設(shè)計(jì)

在裝藥底部安設(shè)好聚能罩就形成聚能核心體，一定當(dāng)量的聚能核心體已經(jīng)具有射孔破巖威力。為方便運(yùn)輸與使用，聚能裝藥組裝成型方面必須做好核心體裝藥高度設(shè)計(jì)、聚能穴隔水和聚能裝藥徑向約束設(shè)計(jì)，要求加工運(yùn)輸安全可靠、現(xiàn)場(chǎng)使用方便簡(jiǎn)單，以提高施工工效［13］。本文提出一種24kg聚能藥包設(shè)計(jì)方案，見(jiàn)圖2。

圖2 24kg聚能藥包設(shè)計(jì)圖Fig.2 24kg shaped charge design

2.3.1 核心彈體裝藥高度設(shè)計(jì)

考慮到爆破的目的不僅僅是穿孔，因此藥包高度不宜過(guò)大。按藥包直徑大約為高度的0.74～0.95倍設(shè)計(jì)藥包［14］。

2.3.2 聚能穴隔水設(shè)計(jì)

針對(duì)設(shè)計(jì)選用的不同當(dāng)量的聚能藥包，根據(jù)炸藥密度，專門(mén)設(shè)計(jì)、加工帶蓋的聚乙烯塑料桶，將核心體直接在炸藥廠裝填、壓鑄到桶內(nèi)。為達(dá)到聚能穴隔水的目的，在核心彈體與塑料桶之間布設(shè)1層塑料布，將核心彈體包裹密封。將聚能裝藥藥包在炸藥廠組裝成一體，克服了炸藥、聚能穴和包裝桶分開(kāi)運(yùn)輸不便的問(wèn)題，現(xiàn)場(chǎng)直接將雷管插入設(shè)計(jì)好的雷管孔內(nèi)，套好配重即可方便使用。

2.3.3 聚能彈徑向約束與配重設(shè)計(jì)

增強(qiáng)藥包的徑向約束，在沒(méi)有隔板的情況下，對(duì)提高聚能裝藥爆破效果非常有利，有利于爆炸能量的充分利用。根據(jù)計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)使用條件，確定采用一定壁厚混凝土管殼作為徑向約束，同時(shí)也起配重的作用。考慮爆破的安全性，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中選用35～40mm厚的C50混凝土管殼作為徑向約束及配重，實(shí)例照片見(jiàn)圖3。

圖3 混凝土管殼配重的聚能藥包Fig.3 Concrete shell counterweight shaped charge

3 聚能彈布設(shè)工藝

南海珊瑚礁盤(pán)低潮時(shí)大部分露出水面，高潮時(shí)水深1.5～2.0m左右，適于潛水員水下作業(yè)，因此采用潛水敷設(shè)法布設(shè)聚能彈。具體工藝如下。

3.1 測(cè)量放標(biāo)

采用GPS準(zhǔn)確定位，現(xiàn)場(chǎng)放標(biāo)圈定出爆破開(kāi)挖區(qū)域上口線與下口線，確定爆破范圍。

3.2 布藥小艇導(dǎo)駁

小艇吃水深度較小，機(jī)動(dòng)靈活，每次將10個(gè)左右裝配好雷管的聚能彈運(yùn)至布藥區(qū)域機(jī)動(dòng)待命。每個(gè)小艇安排2人，1人負(fù)責(zé)操船，1人負(fù)責(zé)給潛水員傳遞藥包。為防止布藥時(shí)出現(xiàn)混段，每個(gè)小艇一次只能導(dǎo)駁一個(gè)雷管段別的聚能彈。

3.3 藥包布設(shè)

聚能彈布設(shè)前，潛水員在爆破范圍內(nèi)水底最少鋪設(shè)2條測(cè)繩。其中1條平行于航道中線，另1條垂直于中線，長(zhǎng)度不小于10m。并且在測(cè)繩上按設(shè)計(jì)的間排距做好標(biāo)記，并將標(biāo)記處的泥沙、碎石清理干凈，目的是確保水下布藥定位準(zhǔn)確、接觸牢靠。

測(cè)繩布設(shè)完畢后，潛水員將小艇上的聚能彈逐個(gè)安放在測(cè)繩做好的標(biāo)記處，并壓沙袋等重物固定。

3.4 檢查調(diào)整

對(duì)于地形平坦的地段，聚能彈布設(shè)按設(shè)計(jì)的雷管段別逐排進(jìn)行。對(duì)于溝壑地形，可以根據(jù)地形條件適當(dāng)調(diào)整聚能彈的位置，盡可能將其布設(shè)在溝壑中，可以提高爆破效果。

4 工程應(yīng)用

南沙群島位于中國(guó)南海南部，是扼太平洋通往印度洋海上航線的咽喉，具有重要的軍事、航運(yùn)價(jià)值。中國(guó)的南海諸島幾乎全部是由珊瑚礁構(gòu)成的，其基本特點(diǎn)是疏松、多孔、低硬度、低強(qiáng)度以及脆性。珊瑚礁巖樣的單軸受壓變形破壞過(guò)程與其內(nèi)部原生裂隙的壓密，新裂隙的產(chǎn)生、擴(kuò)展、貫通等演化過(guò)程密切相關(guān)，實(shí)際破壞形式較復(fù)雜。隨著珊瑚礁巖石密度的增大，巖石的縱波波速有著顯著的增長(zhǎng)［15］。而飽水前后珊瑚礁的縱波波速也有變化，飽水后的縱波波速要比干燥狀態(tài)下有所下降。巖石初始損傷、含水率以及含泥量是影響珊瑚礁強(qiáng)度的主要因素。

在西南中沙漁業(yè)補(bǔ)給基地及交通工程中，采用上述聚能裝藥設(shè)計(jì)原理，研究開(kāi)發(fā)了8，12，16和20kg系列聚能彈，并采用潛水布藥工藝和電雷管-導(dǎo)爆索-導(dǎo)爆管雷管混聯(lián)網(wǎng)路的起爆方法，成功完成復(fù)雜環(huán)境條件下15萬(wàn)m3的航道與港池爆破開(kāi)挖任務(wù)。

5 結(jié) 語(yǔ)

水下聚能爆破無(wú)需鉆孔設(shè)備，施工工藝簡(jiǎn)單，安全可靠，無(wú)需大型設(shè)備，受風(fēng)浪與潮汐變化影響小，在島礁爆破工程中效率較高。根據(jù)不同環(huán)境條件，選用不同規(guī)格的聚能藥包，潛水員根據(jù)地形特點(diǎn)機(jī)動(dòng)靈活地布置藥包，可提高爆破效果。

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