CO2氣爆水擊波與地震波效應試驗研究*

范懷斌,陸少鋒,莫崇勛,覃才勇,刁 約,楊 超

(1.廣西新港灣工程有限公司,南寧 530200;2.廣西新港灣 汪旭光院士工作站,南寧 530200;3.廣西壯族自治區水下破巖工程研究中心,南寧 530200;4.廣西大學 a.土木建筑工程學院;b.資源與環境學院,南寧 530004;5.桂林理工大學材料科學與工程學院,桂林 541004)

水下炸礁施工中孤石清除通常采用巖石裸露爆破的方式,通過爆炸后的爆轟對巖石局部產生壓縮、粉碎和擊穿作用。裸爆能量利用率低、炸藥單耗高、噪音和水擊波大。但是其具有爆破作業簡單,不需要鉆孔及其他機械設備,施工速度快的特點。

水下炸礁對附近建筑物和水體會產生較強的震動效應和水擊波。在已有文獻中,國內趙根團隊梳理了水下爆破技術的發展脈絡,從水下爆破機理及爆破方案設計優化方面,為水下爆破技術在港口碼頭建設、水運航道疏浚及交通橋梁水下爆破施工領域提供了實踐和理論支撐[1]。趙根等為實現深水條件下的巖塞鉆孔爆破貫通與成型,系統研究深水條件下巖塞鉆孔爆破的貫通機理[2]。趙根等通過爆破試驗以及對監測資料的分析,得到了高能、普通乳化炸藥的水中爆炸沖擊波傳播規律[3]。趙根等設計采用了大型非電接力式起爆網路[4]。趙根通過多種方式相結合的研究方法,系統研究了深水條件下圍堰拆除爆破理論,分析了水深對爆破效果的影響,建立了水下爆破設計裝藥量與陸地爆破設計裝藥量之間的關系式,解決了深水條件下圍堰拆除爆破諸多關鍵技術問題,提出了適合水下爆破的塊度預測模型,建立了水下爆破炸藥單耗與爆破塊度的關系[5]。趙根等從準爆率、延時精度、安全可靠性等方面進行綜合分析和比較,分析了各項性能優異的電子雷管起爆系統[6]。吳新霞等以工程案例的形式分析了特殊水工巖體結構的爆破拆除技術[7]。杜少卿等結合襄陽魚梁洲東線沉管隧道對接端止水墻爆破拆除實例,介紹了在水深大、壁厚薄且施工作業面狹窄、距被保護建筑物近以及存在一級水保生物等復雜條件下的止水墻爆破拆除施工作業技術[8]。吳新霞等建立了爆破有害效應監測公共信息分級管理系統[9]。張馨等通過簡化分析爆炸氣體體積的變化,并基于理想氣體狀態方程,分別確定了各階段孔壁壓力隨時間變化的數學函數[10]。

通過對已有的研究成果分析得知:國內學者在水下爆破能量計算方面進行了一些的探索。然而,對巖石氣爆的地震波和水擊波超壓峰值傳播衰減規律分析與設計方面還需進一步研究。本文以水下水下CO2氣爆為研究對象,采用水擊波超壓峰值、地震波振動數值監測分析,并通過對比分析能量分布特征及振動衰減規律進行了研究。

1 CO2氣爆破巖系統與試驗方法

CO2膨脹爆破簡稱“CO2氣爆”,以液態CO2受熱氣化膨脹做功的一種爆破技術,為獲取CO2裸爆技術參數,進行了CO2氣爆水下破巖新技術的研究。

試驗分水下鉆孔CO2氣爆、水下CO2致裂管裸爆、水下鉆孔乳化炸藥爆破,監測相應的水擊波超壓、地震波振速。試驗地點位于廣西防城港18#～22#泊位碼頭,現場布置見圖1所示。

圖1 試驗區域實況圖(單位:m)Fig. 1 Layout of test area(unit:m)

2 試驗監測

(1)CO2氣爆的致裂管長1.3 m,直徑76 mm,抗壓強度為90～100 MPa,每根致裂管充裝5 kg液態CO2。試驗起爆網路連接采用串聯方式,孔內氣爆的炮孔直徑115 mm,孔距1.25 m,每孔安裝一根致裂管,采用水下速凝水泥堵孔。

(2)CO2裸爆將充裝液態CO2后的致裂管放入水下巖面進行水底裸爆試驗。

(3)乳化炸藥爆破試驗,每次試驗起爆12個炮孔,炮孔直徑115 mm,孔距1.25 m,每孔裝乳化炸藥2.3～2.7 kg,裝藥結構為不耦合裝藥形式,使用普通毫秒延期電雷管,采用毫秒延時逐孔起爆方式,每孔為一個段別,采用并聯起爆網路連接。連接塊用低密度聚乙烯樹脂注塑而成。連接塊中心孔插入一發8號傳爆雷管,中心孔四周均勻分布一層或兩層導爆管,傳爆雷管與導爆管間都用塑料隔開,其距離不得小于1 mm,連接塊外壁與外層導爆管間的壁厚不小于2 mm。

(4)本次使用數碼電子雷管為廣西金建華爆破器材工有限公司生產的三碼合一普通毫秒延期電雷管,在控制子系統中集成設計了高精度延時計時模塊以及耐沖擊延時計時模塊,二者相互協作,有效保證了水下電子雷管精確、穩定延時計時起爆;在爆破開始時,基于高精度延時計時模塊的晶體振蕩器高精度計時的特點,對耐沖擊延時計時模塊中具有耐沖擊性能的諧振振蕩器的計時精度進行校正,在確保電子雷管延時計時精確的基礎上,有效提升了電子雷管耐沖擊能力。如圖2所示。

圖2 電子雷管控制子系統Fig. 2 Control subsystem of electronic detonator

采用PCB-W138型水下壓力傳感器監測CO2氣爆和乳化炸藥爆炸產生的水擊波,采用TC-4850爆破測振儀監測地震波振速。試驗監測數據如表1～3所示。

表1 水下鉆孔CO2氣爆水擊波監測數據Table 1 Detection data of CO2 gas explosion water hammer wave in underwater borehole

2.1 水下鉆孔CO2氣爆

通過水下鉆孔CO2氣爆水擊波監測數據表1可知:

1)4次試驗測得9個水擊波超壓數據,距離從0.5 m增加到12.5 m的過程中,水擊波超壓值變化28倍,超壓值隨距離的增加下降趨勢明顯。

2)距離為1 m時,單雙排水擊波超壓變化2.58倍;距離為12.5到13 m之間,單雙排孔水擊波超壓值變化為3.19倍～6.7倍。水擊波超壓因爆破孔數的增加而增大。

2.2 水下CO2裸爆

從表2可知,三次試驗測得13個水擊波超壓數據,水擊波超壓峰值最大值為第六次試驗1#測點的0.5509 MPa,最小值為第五次試驗5#測點的0.01762 MPa。1#測點～5#測點至爆區距離分別為2.3 m、3.8 m、5.56 m、8.1 m、14.3 m,水擊波超壓分別為0.2308 MPa、0.1319 MPa、0.0702 MPa、0.0386 MPa、0.01762 MPa,水擊波超壓因距離增加而下降趨勢明顯,最大變化幅度達13倍。圖3為不同瓶數氣體裸爆壓力時程圖。

表2 水下CO2氣爆水擊波監測數據Table 2 Underwater CO2 gas explosion water hammer wave detection data

圖3 不同瓶數氣體氣爆壓力時程圖Fig. 3 Time history diagram of gas explosion pressure of different number of bottles

通過壓力時程可知:

1)超壓峰值與液態CO2相變為超臨界CO2的反應時間呈正相關關系;在管體破裂前相變時間越長,超壓峰值越大;管體破裂后壓力很快降至負壓。

2)水擊波正壓持續時間基本為16 ms,負壓持續時間為139 ms,隨后出現脈動響應,第一次脈動響應周期為204 ms。當兩瓶氣體相變致裂間隔時間小于水擊波作用時間時,壓力相互干擾情況顯著。例如,當第二瓶氣體在第一瓶氣體負壓區起爆時,極大地削減超壓峰值。

3)水中爆炸和空中爆炸一樣,水中爆炸沖擊波形成后,將不斷向外傳播,強度隨著距離增加衰減。其衰減規律用理論求解比較困難。經實驗數據推導總結CO2水下氣爆水擊波超壓衰減規律。

經驗公式

式中:P為水擊波超壓峰值,MPa;Q為CO2氣爆裝氣量,kg;L為炮孔至水擊波測點的水平距離,m。

2.3 乳化炸藥水下鉆孔爆破

從表3可知,水擊波超壓峰值最大值為1#測點的1.8649 MPa,最小值為5#測點的0.1451 MPa。

表3 水下乳化炸藥鉆孔爆破水擊波監測數據Table 3 Water hammer wave detection data of underwater emulsion explosive drilling and blasting

比較3個測點的至爆區距離和水擊波超壓,1#測點、3#測點、5#測點至爆區距離分別為6 m、12.1 m、21 m,水擊波超壓分別為0.7238 MPa、0.3284 MPa、0.1853 MPa,水擊波超壓因距離增加而下降趨勢明顯,最大變化幅度達3.9倍。

3 試驗監測成果對比分析

3.1 水下鉆孔CO2氣爆和乳化炸藥爆破水擊波對比分析

1)由表4可知,選取距離相近的幾組監測數據:6.8 m、6.0 m、7.25 m,對應的水擊波超壓為:0.0137 MPa、0.7238 MPa、1.8649 MPa,相同開挖規模(炮孔參數相同)的乳化炸藥爆破與CO2氣爆相比,乳化炸藥的水擊波超壓是CO2氣爆水擊波超壓的52.8～136倍。

表4 水下鉆孔CO2氣爆和乳化炸藥爆破水擊波監測Table 4 Underwater drilling CO2 gas explosion and emulsion explosive blasting water hammer wave detection

2)選取距離相近的幾組監測數據:13 m、12.5 m、13.1 m、12.1 m、13.35 m,對應的水擊波超壓為:0.0094 MPa、0.0021 MPa、0.001 MPa、0.3284 MPa、0.3305 MPa,相同開挖規模(炮孔參數相同)的乳化炸藥爆破與CO2氣爆相比,乳化炸藥的水擊波超壓是CO2氣爆水擊波超壓的34.9～330倍。

通過上述對比分析,同等規模的爆破條件下,CO2氣爆相對乳化炸藥水擊波超壓降低效果是34.9～330倍。

3.2 水下鉆孔CO2氣爆和CO2水下裸爆水擊波對比分析

1)從表5中選取測點距離為2.3～2.5 m的幾組測試數據,2.3 m處CO2裸爆實測水擊波超壓分別為0.2308 MPa、0.5509 MPa、0.3963 MPa,2.5 m處水下鉆孔CO2氣爆實測實測水擊波超壓為0.0257 MPa,由此可見相同氣瓶條件下,水下CO2裸爆的水擊波超壓是水下鉆孔CO2氣爆水擊波超壓的8.98～21.4倍。

表5 水下鉆孔CO2氣爆和CO2水下裸爆水擊波監測Table 5 Underwater drilling CO2 gas explosion and emulsion explosive blasting water hammer wave detection

2)選取距離相近的幾組監測數據:3.76 m、3.8 m、3.8 m、3.8 m,對應的水擊波超壓為:0.0088 MPa、0.1319 MPa、0.3523 MPa、0.2269 MPa。CO2裸爆與水下鉆孔CO2氣爆相比,相同氣瓶條件下,水下CO2裸爆的水擊波超壓是水下鉆孔CO2氣爆水擊波超壓的15～40倍。

3)選取距離相近的幾組監測數據:13 m、12.5 m、13.1 m、14.3 m、14.3 m,對應的水擊波超壓為:0.0094MPa、0.0021 MPa、0.0010 MPa、0.01762 MPa、0.0419 MPa,CO2裸爆與水下鉆孔CO2氣爆相比,相同氣瓶條件下,水下CO2裸爆的水擊波超壓是水下鉆孔CO2氣爆水擊波超壓的1.87～41.9倍。

通過上述對比分析,說明使用相同氣瓶條件下,水下CO2裸爆是水下鉆孔CO2氣爆水擊波超壓的1.87～41.9倍。

3.3 水下鉆孔CO2氣爆與乳化炸藥爆破振動對比分析

水下CO2孔內氣爆和水下乳化炸藥孔內裝藥爆破,在5.5～8.5 m之間的測距范圍內,水下CO2孔內氣爆試驗振速為0.227～0.938 cm/s之間,水下乳化炸藥爆破試驗振速為2.282～2.724 cm/s之間,在設定的爆破參數下,CO2孔內氣爆振動數值是乳化炸藥孔內爆破數值的1/10～1/3。CO2氣爆與乳化炸藥爆破試驗振速如表6所示。

表6 水下鉆孔 CO2氣爆與乳化炸藥爆破試驗振速Table 6 Vibration velocity of CO2 gas explosion and emulsion explosive blasting test

4 結論

水下爆破含爆轟、水擊波傳播以及水介質與結構的相互作用三個階段。為控制和減少爆破水擊波有害效應,研究水下爆破振動衰減規律,依托防城港18#～22#泊位碼頭下游船墩前沿爆破施工區域,開展了水下鉆孔爆破數據監測,測試水擊波超壓峰值、地震波振動數值。

(1)水下CO2氣爆水擊波超壓因距離增加而下降趨勢明顯,隨著水下裸爆的氣瓶數增加,水擊波超壓明顯增加。

(2)使用相同氣瓶條件下,水下裸露CO2氣爆是水下鉆孔CO2氣爆水擊波超壓的1.87～41.9倍。

(3)在距離相近、同等開挖規模條件下,水下鉆孔CO2氣爆產生的振動速度值只有水下鉆孔爆破產生的爆破振動速度值的1/10～1/3。