預裂與光面爆破技術的歷史與現(xiàn)狀

1．1國外歷史與現(xiàn)狀

預裂爆破是沿設計開挖邊界布置密集炮孔，采取不耦合裝藥或裝填低威力炸藥，在主爆區(qū)之前起爆，從而在爆區(qū)與保留區(qū)之間形成預裂縫，以減弱主爆破對保留巖體的破壞并形成平整輪廓面的爆破作業(yè)。

光面爆破是沿設計開挖邊界布設密集炮孔，采用不耦合裝藥或裝填低威力炸藥，在主爆區(qū)爆破之后起爆的以形成平整的開挖輪廓面的爆破作業(yè)。爆破技術的發(fā)展是先出現(xiàn)光面爆破，然后衍生發(fā)展為預裂爆破。

1．2聚能管國內歷史與現(xiàn)狀

我國于1964～1965年在湖北陸水水電站施工中做過淺孔預裂爆破試驗，1965年鐵道部門在成昆鐵路建設中開始試驗光面爆破，1977年在西延線張家船工點，全長近200m的2000m2路塹邊坡全部采用光面爆破，爆破后邊坡平整穩(wěn)定，殘留的半孔清晰可見，是鐵路建設中采用路塹光面爆破。

20世紀70年代，在葛洲壩水利樞紐施工中曾做過大規(guī)模預裂爆破試驗，并取得良好效果之后，設計單位將比較緩的邊坡均改為較陡的邊坡并實施預裂爆破。該工程預裂爆破孔有垂直的，也有傾斜的(60°～75°)，一次鉆孔大深度達38m，在砂巖和礫巖地質條件下取得了良好的預裂壁面，這是我國爆破史上首次大規(guī)模地運用預裂爆破。緊接著的世紀之交，中國政府提出了西部大開發(fā)戰(zhàn)略，構皮灘、小灣、溪洛渡、索風營等西部一大批水電站的開工建設為“西電東送”奏響了序曲。為此對工程爆破技術特別是對預裂爆破和光面爆破這類輪廓控制爆破技術提出了更高要求，“精細化施工”在市場競爭情況下被業(yè)主單位和施工單位作為精雕細刻確保工程質量的理念而面世。水利水電精細爆破作為一種理念貫穿整個工程建設全過程，它使工程爆破的目標做到可預見性和可控性。如舉世聞名的三峽五級船閘垂直深切開挖以及引水鋼管槽的開挖就像雕刻家那樣把堅硬的巖石當成碧玉按照設計者的想象雕琢成一件工藝品展現(xiàn)在人們眼前。小灣、溪洛渡、向家壩水電站的明挖和地下洞室群開挖都創(chuàng)造了精雕細刻確保工程質量的人間奇跡。 

1．3我國預裂爆破和光面爆破技術的規(guī)范化

我國于1983年制定了《水工建筑物巖行基礎開挖工程施工技術規(guī)范》(sD 121l一1983)。自此，在水利水電建設中預裂爆破與光面爆破已成為必須進行的保護邊坡質量的爆破開挖技術措施。此后在此基礎上修訂的《水工建筑物巖石基礎開挖工程施工技術規(guī)范》(SL 47一1994)以及在《水電水利爆破工程施工技術規(guī)范》(DL／T 5135—2001)和《水工建筑物巖石基礎開挖工程施工技術規(guī)范》(DL／T 5389～2007)中預裂爆破與光面爆破均被編入并有所改進，DL／T 5135—2001正在修編為DL／T 5135—2012。

鐵道部也于2008年7月9日發(fā)布了《鐵路路塹邊坡光面(預裂)爆破技術規(guī)程》(TB1叭22—2008)。在該規(guī)程中，不僅規(guī)定了凡是Ⅲ級以上的巖石邊坡，設計邊坡坡度為1：0．1～1：0．75，在邊坡部位的爆破設計和施工都應采用光面爆破或預裂爆破，并闡述了光面(預裂)爆破施工技術設計的原則和參數(shù)、安全措施，而且還明確了路塹邊坡光面(預裂)爆破項目質量驗收檢測數(shù)量和檢測方法。無疑該規(guī)程的實施，有力地推動和促進了光面(預裂)爆破技術在鐵路建設中的應用與發(fā)展。

2、爆破聚能管爆破應用于預裂與光面爆破

2．1聚能爆破的軍事應用

聚能爆破技術，早在二次世界大戰(zhàn)期間就在軍事方面廣泛應用。國內在聚能破甲技術如大錐角反艦導彈戰(zhàn)斗部和大錐角反坦克地雷以及敏感彈戰(zhàn)斗部等方面取得了較為快速的發(fā)展，我國20世紀60年代打破國外技術封鎖獨立自主研發(fā)成功原子彈就是得力于聚能爆破技術轟擊核裝置而引爆原子彈。

2．2聚能爆破的民爆應用——切槽爆破技術

聚能爆破用于工程建設也是20世紀60年代開始的，首先是瑞典的U﹒Langefors提出孔壁切槽爆破利用槽口應力集中定向開裂的設想，后經(jīng)W﹒L﹒Fourney驗證是有效的。70年代國外廣泛研究和應用了切槽爆破技術。

中國地質大學(武漢)從1984年開始著手研究切槽爆破技術，1991年取得有關切槽工具、爆破參數(shù)等多項zhuanli。長江科學院1992年在宜昌前坪長科院試驗基地進行過孔徑40mm、孔距60cm、孔深3~4m的塊狀石灰刻槽聚能預裂爆破解炮試驗，試驗結果壁面很平整，裂縫都從V形槽的端部開始，淺孔邊沿留有V形槽的痕跡都沿刻槽方向將孤石解成幾塊，并無碎石飛出。但是受到炮孔切槽工藝的制約以及巖石有的裂隙等因素影響，至今在我國未見實際采用的工程實例的報道。

2．3聚能預裂爆破技術的發(fā)展

我國20世紀60年代利用斷裂力學對巖石損傷引起的裂紋擴展進行過試驗研究，為聚能爆破技術應用到工程做了不少理論分析，也取得一些進展。80年代中期開始進行應用研究，以北京礦業(yè)學院為代表，著重研究了聚能藥包切割饑理和應用。1987年淮南礦業(yè)學院取得“雙面切割器”的zhuanli，1995年又取得“大理石花崗巖切割技術應用”zhuanli。

1991年中國水電七局曾試圖采用硬質紙加工聚能藥管成形聚能藥卷做過聚能預裂爆破試驗研究，但終因當時的技術及工藝水平的限制無法用于正常施工，但是他們開了橢圓雙極線性聚能結構試驗的先河。雙聚能預裂與光面爆破綜合技術開創(chuàng)輪廓控制爆破新時代

3．1雙聚能預裂與光面爆破綜合技術的研發(fā)

2004年初中國水利水電第八工程局有限公司成立了“聚能預裂(光面)爆破技術研究”課題組，隨后提出了試驗大綱，明確試驗目標和試驗方法，該科研項目正式啟動。2004年11月在成都召開的水電總公司科技項目立項評審會上得到批準，從此納入了中國水利水電建設集團公司的科研計劃。

通過兩年多的試驗研究，課題組終于研發(fā)出了一種橢圓雙極線性聚能藥柱(elliptical bipo1ar linear shaped charge，EBLSC)，該藥柱能夠合理分配爆炸能量，增大預裂與光爆面爆破在聚能方向的作用力同時又能減少對炮孔壁的損傷，達到增大孔距，減少孔數(shù)和藥量，從而實現(xiàn)經(jīng)濟、快速、安全和環(huán)保的目的。

3．2雙聚能預裂與光面爆破綜合技術的創(chuàng)新

3．2．1研發(fā)成功EBLSC及其專用裝置

通過眾多現(xiàn)場對比試驗甄別，研發(fā)成功EBLSC及其專用裝置，它利用結構簡單、經(jīng)濟適用的聚能結構成形技術，采用普通工業(yè)炸藥成形聚能藥卷，成功解決了聚能預裂(光面)爆破的關鍵技術難題，為聚能預裂(光面)爆破技術突破性發(fā)展打下了堅實的基礎。

3．2．2研發(fā)成功“雙聚能預裂與光面爆破綜合技術”及其施工工藝

研發(fā)成功“雙聚能預裂與光面爆破綜合技術”及其施工工藝。采用橢圓雙極線性聚能結構和對中裝置實現(xiàn)了EBLSC的“完全不耦合裝藥”并能確保聚能射流沿預裂(光面)爆破面發(fā)揮氣刃作用的“完全對中”，以及研究解決了裝藥及引爆技術實現(xiàn)了“雙聚能預裂與光面爆破綜合技術”的生產(chǎn)性應用和突破性發(fā)展。

雙聚能槽管采用耦合、連續(xù)裝藥形成EBLSC，通過對中裝置使EBLSC對于炮孔則為“完全不耦合裝藥”。雙聚能槽管標準長度為3m，并且配有連接套管和孔口及孔內對中環(huán)使之達到聚能對中的目的，它確保每個炮孔的聚能槽能夠處在一條直線上，所有炮孔的聚能槽能夠處在同一個面上并且與預裂(光面)爆破面完全吻合，因此EBLSC爆破后能夠自下而上沿全炮孔聚集爆破能量，而對中裝置又使爆破能量按照指定的方向集中釋放，這樣就更有利于爆破應力波作用、高壓氣體的膨脹作用、聚能射流的氣刃作用能夠沿全孔上下同時充分發(fā)揮作用，使爆破孔距擴大2～3倍，由于爆破能量能集中釋放，相應也就減小了對炮孔周邊的爆炸壓力初始峰值，加之面裝藥密度的大幅度減少，爆炸對炮孔的破壞作用得到有效的控制。

3．2．3提出瞬時爆轟論

通過銀河計算機系統(tǒng)完成了EBLSC的數(shù)值模擬計算，取得了與采用不同的國外軟件進行數(shù)值計算得出的基本一致的研究成果，并在施工現(xiàn)場利用壓電傳感器測量正在推廣應用的EBLSC射流和非射流方向的應力波，以及聚能效應的原型觀測、爆速變化測定、裂縫展開寬度測定等一系列驗證試驗。

傳統(tǒng)的的聚能爆破理論認為只有采用高能炸藥和金屬聚能罩材才能產(chǎn)生聚能效應。而事實證明采用普通工業(yè)炸藥充填高密度PVC雙聚能槽管成形EBLSC進行爆破時同樣能形成良好的聚能效應。這與利用“瞬時爆轟論”建模進行數(shù)值模擬分析得出的結論完全吻合，也為現(xiàn)場原形驗證試驗充分證實，并且在實際工程爆破應用中取得了圓滿成功。

3．2．4研發(fā)成功小直徑乳化炸藥裝藥機

雙聚能槽管可以采用人工或者機械裝藥。粉狀炸藥可以采用錐形容器直接灌裝，乳化炸藥全管裝藥必須采用裝藥機裝藥。由于“雙聚能槽管”的直徑小，裝藥面積僅有4．73cm2，其管內大間隙只有18．0mm，我國目前只有少數(shù)炸藥生產(chǎn)廠家才有國外進口的乳化炸藥灌注設備，迄今為止還沒有國產(chǎn)移動式小直徑的乳化炸藥灌注設備，世界上先進的移動式乳化炸藥灌注設備不僅價格高昂達幾百萬元人民幣一臺，關鍵的是不能解決小直徑藥管的灌裝問題，特別是難以實現(xiàn)對小直徑的雙聚能槽管的裝藥，也難以實現(xiàn)在施工現(xiàn)場靈活移動裝藥?！半p聚能槽管”的裝乳化炸藥裝藥成為制約該項技術推廣應用的瓶頸，研發(fā)裝藥機成為無法避讓的科研課題。歷經(jīng)多次改進研發(fā)的定型產(chǎn)品SJNZYJ型乳化炸藥裝藥機完全滿足了這種小直徑雙聚能槽管的裝藥要求。該機結構簡單，移動、操作方便，自動控制系統(tǒng)安全可靠，裝藥機結構。裝藥機的研發(fā)成功填補了我國移動式小直徑乳化炸藥裝藥機的空白，獲得國家三項zhuanli。乳化炸藥裝藥機的研發(fā)成功也為推廣應用“雙聚能預裂與光面爆破綜合技術”提供了廣闊的前景。

3．2．5、成功驗證聚能效應為混凝土爆破拆除提供了新的理論依據(jù)

數(shù)值模擬計算表明在聚能射流方向的壓力大值是非聚能射流方向的壓力大值的十倍以上，這說明EBLSC的確存在明顯的聚能效果。在四川江油武都引水工地采用壓電傳感器對巖石介質中的爆炸應力做了測量，測量結果與計算機數(shù)值模擬分析成果十分吻合，長江科學院計算機數(shù)值仿真分析也給出了相同的時程曲線。

總結分析原型爆炸應力壓電傳感器測量結果，得出了EBLSC在聚能射流方向和非聚能射流方向對爆破孔壁壓力存在懸殊的差別。由于EBLSC爆破時在非聚能射流方向對爆破孔的孔壁壓力只有9MPa，遠未達到混凝土的破壞強度．爆破不會對混凝土造成危害，因此可以保護混凝土避免爆破造成的傷害，為混凝土零距離的爆破拆除提供了新的理論依據(jù)。

4雙聚能預裂與光面爆破綜合技術的推廣應用

由于雙聚能預裂與光面爆破綜合技術具有無可比擬的先進技術經(jīng)濟指標，目前雙聚能預裂與光面爆破綜合技術已在全國建筑行業(yè)特別是水利水電施工中得到了廣泛的推廣應用，并有取代普通預裂爆破的趨勢。

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