薛永利,王 静,顾 云,李 飞,刘 迪,孙 飞,陈顺禄
(1.核工业南京建设集团有限公司,南京 210000;2.南京君缘科爆工程技术有限公司,南京 211013)
当前,核电厂基坑负挖、对底板控界开挖爆破均采用传统的爆破技术,主要是通过调整爆破参数、采用不耦合装药以及使用孔底柔性材料间隔装药等方法实施。采用上述传统钻爆法进行开挖时,产生的新岩石断面通常界面平整度不高,且易造成底板超挖等问题。为解决上述技术难题。国内外关于定向断裂爆破技术研究,基本上可以分为3个方面[1]:1)采用机械方法形成初始定向裂纹(改变炮孔形状),即切槽孔岩石定向断裂爆破;2)利用炸药聚能射流破坏机理,在炮孔周围形成定向裂纹(改变装药结构),即聚能药包岩石定向断裂爆破;3)利用切缝管对能量的导向作用,沿切缝方向形成定向裂纹(孔内增加附件),即切缝药包定向断裂爆破。
岳中文等[2-4]分别对单炮孔和双炮孔爆炸载荷下含圆孔缺陷的PMMA材料的爆生裂纹扩展行为进行研究。杨立云等[5-6]探讨炮孔切槽与水平方向成不同角度(0°,45°和90°)下,初始应力场对爆生裂纹扩展规律的影响效应。赵根[7]研究了聚能药包破岩效果的因素,研制出了切割型和射孔型2种不同环向聚能药包,并进行了现场应用试验。邓永兴等[8-9]为解决钻爆法根底超欠挖问题以及提高炸药在爆破中的做功能力,提出了一种螺旋管聚能药包。吴波等[10]研究了聚能管材料分别为紫铜和PVC时椭圆双极线型双向聚能药包爆破随锥角的变化规律。
杨仁树等[11]对切缝药包爆炸波与爆生气体的传播机制进行探讨研究,同时对不同药量条件下切缝药包对岩体的损伤范围进行测定。李清等[12]研究有机玻璃板中不同药量的切缝药包双孔爆破主裂纹及分支裂纹的扩展规律。申涛等[13]建立"炸药-切缝管-空气"模型,采用数值模拟方法研究切缝药包爆炸过程中冲击波相互作用、爆炸流场压力时空分布和切缝管形态变化。岳中文等[14]分析了切缝管内耦合装药与不耦合装药方式下切缝药包的冲击动力学行为和爆生裂纹的动态力学行为。史国利等[15]对不耦合系数的切缝药包爆破损伤破坏进行分析。余永强等[16]进行了切缝药包爆破和普通药包爆破的工程应用对比研究。郭德勇等[17]研究了聚能爆破载荷情况下控制孔煤体爆生裂隙的发育与扩展力学模型。
基于高速聚能射流定向劈裂冲击与断裂理论,设计了一种双向多点聚能岩石劈裂装药装置。通过制作双孔预制裂纹混凝土试块进行爆破劈裂成缝模拟实验研究并进行了应力测试,为核电基坑开挖岩石精确控界切割,实现高平整度和微损伤岩石界面提供了一种新的方法。
采用脆性材料的楔入劈裂原理,在有初始裂缝的情况下,外部楔形物体在此处冲击可以形成贯穿裂缝;用聚能射流原理代替传统楔子,利用其形成的高速聚能杆状射流冲击岩石,达到快速高效劈裂岩石的目的,并能够形成平整的新岩石界面。该方法主要关键点有2部分:1)聚能装药的设计,目的是形成一个杆状射流;2)岩石表面的预处理,也就是在岩石表面用切割器沿设计断裂方向预制出一道导向初始裂缝,用以控制岩石断裂的方向,而其中的关键参数是导向初始裂缝的宽度和深度。
1.1 单个聚能装药设计
通过正交数值模拟分析,结合既有聚能装药经验,设计了一种聚能装药(见图1、图2)实物,其口径28 mm,高度30 mm,装药量为18 g;药型罩为紫铜,锥形平底罩,锥角89°,厚度1.5 mm。
图1 聚能装药剖面结构Fig.1 Constructure of rod shaped charge
图2 聚能装药实物Fig.2 Physical drawing of rod shaped charge
该聚能装药在特定炸高下能形成杆状射流,高速的金属射流冲击侵彻岩石,岩石会沿着初始裂缝的方向开裂,在爆炸冲击波和爆炸产物膨胀的综合作用下,裂纹会持续扩展,直至岩石裂缝切割贯穿。图3为单个聚能装药劈裂岩石实验设置,图4为实验结果,可以看出,在聚能装药爆炸作用下岩石被破坏,裂纹从岩石近端沿预制裂缝扩展,在岩石垂直方向上裂纹继续扩展,基本与上表面垂直,岩石试块整体被劈裂,劈裂方向和预期基本一致。岩石其他部位无损伤裂纹产生,在聚能装药爆炸处产生直径3 cm左右爆坑,爆坑呈漏斗形,坑深2.5 cm。
图3 单个聚能装药劈裂岩石实验设置Fig.3 Testing apparatus for single shaped charge splitting rock
图4 单个聚能装药劈裂岩石裂纹效果Fig.4 Effect of splitting rock crack for single shaped charge
1.2 双向多点聚能定向劈裂装置设计
为多个炮孔内部装药爆炸后形成贯穿平整的新界面,设计双向多点聚能定向劈裂器结构如图5所示。每套双向多点聚能定向劈裂器装有8个聚能装药,聚能装药用胶固定在一根外径75 mm、长2 m的PVC塑料管上。8个聚能装药的分布情况如图5所示,8个聚能装药通过1根导爆索串联起来,导爆索用来同时引爆8个聚能装药。双向多点聚能定向劈裂器在炮孔有初始裂缝条件下,爆炸形成的高速聚能杆状射流从2个方向对称冲击炮孔壁面的岩石,达到快速高效劈裂岩石的目的,多个炮孔能够形成贯穿平整的新岩石界面。本次实验使用双向多点聚能定向劈裂器2套(见图6、图7)。
图5 双向多点聚能定向劈裂装置设计Fig.5 Device design of bidirectional multipoint shaped charge
图6 双向多点聚能定向劈裂装置实物Fig.6 Physical device drawing of bidirectional multipoint shaped charge
图7 双向多点聚能定向劈裂装置局部Fig.7 Partial view of the device for bidirectional multipoint shaped charge
2.1 传感器设置
待切割的混凝土试件参数如图8所示,试件整体由混凝土浇筑而成,尺寸为:4 m×3.6 m×2.3 m。在1#～6#位置预埋12个PVDF应力传感器(每个位置2个PVDF应力传感器)(见 图9)。6个传感器位置长度方向间距1.2 m,宽度方向间距1.6 m。每个位置处预埋2个PVDF应力传感器,其中上面1个距混凝土上表面距离1 m,下面1个距混凝土上表面距离1.5 m。PVDF传感器敏感面垂直于混凝土试件长度方向(1#-3#-5#方向)。
图8 实验时传感器与试件位置Fig.8 Position of the sensor and the specimen in the experiment
图9 待切割混凝土试件Fig.9 The specimen for concrete to be cut
应力传感器选用某个科技有限公司的PVDF传感器,主要性能参数如表1所示。为方便安装,预先用与试件标号相同的混凝土封装(见图10)。
表1 PVDF传感器的技术参数
图10 PVDF传感器封装Fig.10 PVDF sensor package
2.2 装药设置
实验前,在试件上钻2个直径115 mm的炮孔,深度2 m(见图11、图12),炮孔间距为0.65 m。炮孔距最近的传感器位置的水平距离分别为0.63 m和0.8 m。2个炮孔中心连线与1#和2#、3#和4#传感器位置连线平行。为了控制裂纹扩展方向,在2个炮孔上用切割机切出4道切槽(见图11),槽宽4 mm,槽深7 mm。实验时将2套控界切割器放入2个炮孔中(图12),2根导爆管用1个雷管同时引爆。
图11 炮孔切槽俯视图Fig.11 Top view of hole cutting grooves
图12 炮孔切槽和控界切割器安装Fig.12 Installation of hole cutting groove and boundary control cutter
3.1 混凝土断裂结果与分析
双向多点聚能定向劈裂装置引爆后,试件爆破效果如图13所示。裂纹贯穿两炮孔之间的混凝土,并沿此方向向两炮孔外侧扩展,整条裂纹基本沿两炮孔中心连线方向。分析表明:该装置综合采用切槽定向爆破技术和双向多点聚能定向劈裂技术,即在炮孔预先切槽有初始裂缝条件下,双向多点聚能定向劈裂装置爆炸形成的高速聚能杆状射流从2个方向对称冲击炮孔壁面的岩石,达到快速高效劈裂岩石的目的,多个炮孔能够形成切割贯穿平整的新岩石界面。表明该装置和预制裂纹组合应用能够有效控制爆炸应力场的分布,使能量沿预制裂纹方向集中传播,控制非切槽方向的损伤破坏,从而达到预裂爆破的目的,可为核电基坑底板精细控制爆破提供了一种新的思路和方法。
图13 控界切割器引爆后试件状态Fig.13 State of specimen after explosion of boundary cutter detonates
3.2 混凝土内部应力分析
PVDF测得的应力结果见图14和表2。共得到7组数据,其中1#测点下方峰值约为4.59 MPa,2#测点下方峰值约为0.83 MPa,3#测点下方峰值约为3.37 MPa,4#测点下方峰值约为10.24 MPa;1#测点上方没有测到数据,2#测点上方峰值约为0.61 MPa,3#测点上方峰值约为0.15 MPa,4#测点上方峰值约为0.42 MPa。实测数据表明,下方测点(距离混凝土顶部1.5 m)传感器的应力值明显大于上方测定(距离混凝土顶部1.0 m),分析原因为下方传感器距离控界切割器装药中心距离较近。可为下一步数值模拟优化调整双向多点聚能定向劈裂装置提供数据参考。
表2 各传感器测得的应力值
图14 混凝土内部应力曲线Fig.14 Internal stress curve of concrete
1)设计了一种双向多点聚能定向劈裂装置,该装置综合采用切槽定向爆破技术和双向多点聚能定向劈裂技术,即在炮孔预先切槽有初始裂缝条件下,双向多点聚能定向劈裂装置爆炸形成的高速聚能杆状射流从2个方向对称冲击炮孔壁面的岩石,达到快速高效劈裂岩石的目的,多个炮孔能够形成贯穿平整的新岩石界面。
2)通过2个相距0.65 m的炮孔中应用双向多点聚能定向劈裂装置进行实验,实验结果表明:爆生裂纹贯穿两炮孔之间的混凝土,并沿此方向向两炮孔外侧扩展,整条裂纹基本沿两炮孔中心连线方向,验证了双向多点聚能定向劈裂装置可用于岩石控界爆破切割形成光滑平整壁面,为核电基坑底板控制精细爆破提供了一种新的方法。
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