劉 迪，顧 云，孫 飛，李 飛，陳順祿，劉勤杰

（1.核工業(yè)南京建設(shè)集團(tuán)有限公司，江蘇 南京 211102；2.南京君緣科爆工程技術(shù)有限公司，江蘇 南京 211135）

核電廠的基坑負(fù)挖多采用爆破法施工，如何控制建基面爆破開(kāi)挖后的平整度越來(lái)越受到重視。尤其在核島底板的開(kāi)挖施工中，對(duì)底板平整度及保留巖層免受損傷的要求更高。核島底板開(kāi)挖時(shí)，若要一次爆破至建基面的設(shè)計(jì)標(biāo)高，則會(huì)對(duì)開(kāi)挖形成的建基面質(zhì)量和基巖爆破振動(dòng)控制產(chǎn)生不利影響。因此，爆破時(shí)不應(yīng)使建基面巖體產(chǎn)生大量的爆破裂隙，使巖體節(jié)理裂隙、層理等弱面繼續(xù)惡化，導(dǎo)致巖體承載強(qiáng)度弱化。以往的傳統(tǒng)做法是開(kāi)挖至鄰近底板時(shí)保留一定的基巖厚度，進(jìn)行分層爆破。該方法成本較高，工程質(zhì)量也難以達(dá)到技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求[1]，且針對(duì)爆破產(chǎn)生的過(guò)度超挖部分，通常采用混凝土置換，會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。綜上所述，因核電設(shè)施對(duì)安全、質(zhì)量的嚴(yán)苛要求，使其對(duì)爆破技術(shù)提出了挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)做法的弊端顯而易見(jiàn)，因此通過(guò)控界切割形成基坑的方法將成為核電巖石開(kāi)挖施工重點(diǎn)控制工藝之一。

巖石切割和碎裂的方法很多，除最常用的炸藥鉆爆法以外，還有人工切割法[2]、靜態(tài)膨脹劑開(kāi)挖法、機(jī)械開(kāi)挖法等。炸藥鉆爆法：按一定網(wǎng)孔參數(shù)進(jìn)行機(jī)械鉆孔，孔內(nèi)設(shè)置炸藥、雷管，以一定時(shí)間間隔進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)爆破；人工切割法：用鋼釬鑿眼，將鋼楔放入眼中，多個(gè)鋼楔形成一條線，再將鋼楔打入巖石中逐步將巖石切割； 靜態(tài)膨脹劑開(kāi)挖法[3]：將膨脹劑按一定比例與水混合攪勻后灌入鉆孔內(nèi)，并堵塞孔口，經(jīng)過(guò)密閉反應(yīng)后，能產(chǎn)生很大的膨脹壓力作用于孔壁，并沿著鉆孔形成裂縫，從而使巖體開(kāi)裂；機(jī)械開(kāi)挖法[4]：采用金剛石圓盤(pán)鋸進(jìn)行切割或采用金剛石串珠繩鋸進(jìn)行巖石開(kāi)挖。

采用傳統(tǒng)鉆爆法進(jìn)行巖石爆破開(kāi)挖時(shí)，產(chǎn)生的新巖石斷面通常界面平整度不高，也無(wú)法控制爆破后的巖石塊度。目前，在核電站基礎(chǔ)開(kāi)挖工程以及爆破敏感區(qū)域附近的巖石開(kāi)挖工程中，精確爆破逐漸成為主流，利用聚能射流原理進(jìn)行精確爆破成為研究的熱點(diǎn)。

聚能射流研究在國(guó)外起步較早，形成聚能射流的裝藥通常由炸藥和金屬藥型罩構(gòu)成，起爆后爆轟波的波陣面壓迫藥型罩，使罩各部分不斷碰撞擠壓變形后以流體形態(tài)向前運(yùn)動(dòng)，逐步形成高溫、高速、高能量密度的金屬聚能射流。聚能射流研究經(jīng)過(guò)一百多年的快速發(fā)展，已經(jīng)形成較成熟的理論體系。

一些研究者[5-6]將線型聚能切割器應(yīng)用于定向斷裂控制爆破，利用金屬射流直接作用于炮孔周?chē)膸r體，形成初始誘導(dǎo)裂隙，高溫、高壓爆轟氣體的準(zhǔn)靜態(tài)載荷和應(yīng)力波動(dòng)態(tài)加載于裂隙尖端，使裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展。郭德勇等[7]研究了聚能爆破載荷下控制巖體爆生裂隙的發(fā)育與擴(kuò)展力學(xué)模型。肖正學(xué)等[8]分析了多孔爆破時(shí)裂紋發(fā)展的變化規(guī)律，提出孔壁裂紋擴(kuò)展速度計(jì)算式，發(fā)現(xiàn)裂紋的長(zhǎng)度和數(shù)量隨應(yīng)力波的增大而增大。

申濤等[9]研究了切縫藥包爆炸，發(fā)現(xiàn)在定向爆破過(guò)程中，切縫管能夠有效控制爆炸能量的釋放和爆生氣體的力學(xué)行為。李清等[10-11]分析了雙孔點(diǎn)射流聚能藥卷、半管射流聚能藥卷定向斷裂爆破的斷裂力學(xué)特征，兩種藥卷都可實(shí)現(xiàn)巖石的定向斷裂爆破，形成較好的斷裂面。劉敦文等[12]設(shè)計(jì)了一種可以改變能量分配的新型多向聚能管藥柱，在炮孔壁上，多向聚能爆破產(chǎn)生多個(gè)聚能方向的定向裂紋，降低了爆炸粉碎區(qū)和過(guò)度破碎的能耗，提高了破裂區(qū)的能量利用率，驗(yàn)證了多向聚能藥柱設(shè)計(jì)是可行有效的。Luo 等[13]研究了在巖石中聚能定向斷裂控制爆破的裂紋起裂與擴(kuò)展機(jī)理。Yin 等[14]在炮孔中采用圓柱V 型雙槽線性聚能裝藥，配合微秒級(jí)微差爆破，獲得了定向裂縫最長(zhǎng)、非定向裂縫少、對(duì)圍巖損傷小的爆破效果。Shu 等[15]設(shè)計(jì)了一種可用于孔內(nèi)切割的π 型聚能線性切割器，將傳統(tǒng)線性切割器侵徹深度提高了73.3%。陳偉[16]給出了聚能爆破能夠繼續(xù)擴(kuò)展的孔內(nèi)壓力公式，對(duì)環(huán)向射流致裂巖石機(jī)理進(jìn)行了論述。

在炮孔中引入初始預(yù)制裂紋有助于爆生裂紋沿切槽方向擴(kuò)展，形成優(yōu)勢(shì)裂紋，在切槽周?chē)纬奢^強(qiáng)的拉伸應(yīng)力，使爆生裂紋沿切槽方向優(yōu)先擴(kuò)展，最終形成定向斷裂。楊仁樹(shù)[17]研究了雙炮孔切槽方式下，兩個(gè)炮孔間的貫穿裂紋和炮孔外側(cè)裂紋擴(kuò)展的動(dòng)態(tài)行為，貫穿裂紋尖端的動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子大于外側(cè)裂紋的，應(yīng)力波在炮孔間疊加，增加了炮孔間區(qū)域的應(yīng)力場(chǎng)，應(yīng)力波以及由界面反射的拉伸波在裂紋尖端散射、繞射，從而影響裂紋的擴(kuò)展。

上述研究者提出的多為線型聚能切割器，類(lèi)似的爆炸試驗(yàn)結(jié)果顯示，線型聚能射流對(duì)巖體表面的沖擊破壞范圍大，但向巖體內(nèi)部侵徹能力較弱。若要切割形成一定厚度的巖體斷裂面，所需的爆炸能量遠(yuǎn)大于巖體控界面斷裂所需的斷裂表面能，不僅會(huì)造成爆炸能量浪費(fèi)，而且對(duì)周?chē)h(huán)境造成的危害難以控制。

本文中，針對(duì)巖石爆破開(kāi)挖邊界炮孔間巖體如何爆破控制形成精確斷裂面，而保留巖層避免受損傷問(wèn)題，基于高速聚能射流對(duì)巖石沖擊作用與巖石沖擊斷裂機(jī)理，提出預(yù)切槽和多點(diǎn)聚能射流劈裂巖石控界切割方法。利用正交數(shù)值模擬分析法得到優(yōu)化設(shè)計(jì)聚能裝藥結(jié)構(gòu)，分析對(duì)比不同形狀金屬桿射流對(duì)巖石定向劈裂、不同炸高下聚能裝藥對(duì)巖石侵徹的效果，得到最佳射流形狀及炸高設(shè)置，采用巖石試塊多點(diǎn)聚能射流爆炸沖擊定向劈裂試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

1 巖石聚能控界切割原理

巖石聚能控界切割原理為：沿控界面設(shè)計(jì)方向在炮孔壁巖體表面預(yù)切割一條導(dǎo)向切槽，沿切槽間隔布置若干聚能裝藥。聚能裝藥同時(shí)爆炸后產(chǎn)生高速聚能桿狀射流沖擊巖石，擠壓成孔并產(chǎn)生初始裂紋，裂紋沿切槽方向延伸，同時(shí)向垂直于切槽的巖體內(nèi)部發(fā)展，將巖體快速劈裂；同時(shí)，爆炸產(chǎn)物助力裂紋面繼續(xù)擴(kuò)展，使炮孔間的裂紋貫穿形成平整的新巖石斷裂界面。相較于傳統(tǒng)的炮孔爆破和線型裝藥聚能切割等方法，多點(diǎn)聚能控界切割方法使爆炸能量能精準(zhǔn)導(dǎo)入至設(shè)計(jì)斷裂面，炸藥爆炸能量轉(zhuǎn)換成巖石斷裂表面能的效率、炸藥能量利用率以及巖石切割效率等都得以提升。

巖石聚能控界切割技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)有兩部分：一是聚能裝藥的設(shè)計(jì)，目的是形成特定形狀的桿狀射流；二是巖石表面的預(yù)處理，在巖石表面用機(jī)械切割器沿設(shè)計(jì)斷裂面方向預(yù)制一條導(dǎo)向切槽，用以控制巖石斷裂方向并提供初始裂紋，如圖1 所示。

圖1 巖石聚能控界切割示意圖Fig.1 Directional split blasting

通過(guò)正交數(shù)值模擬分析，結(jié)合爆破工程典型炮孔聚能裝藥設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)一種聚能裝藥，裝藥口徑28 mm、高30 mm，如圖2 所示；藥型罩為錐形平底罩，錐角90°，罩壁厚1.5 mm。

圖2 桿狀聚能裝藥Fig.2 Rod shaped charge

該聚能裝藥在特定炸高下能形成桿狀射流，高速的金屬射流沖擊侵徹巖石，使巖石沿導(dǎo)向切槽方向開(kāi)裂。在爆炸沖擊波及爆炸產(chǎn)物膨脹的綜合作用下，裂紋會(huì)持續(xù)擴(kuò)展，起到增強(qiáng)切割巖石的效果。

從斷裂力學(xué)能量的角度來(lái)分析該問(wèn)題[18]，裂紋擴(kuò)展條件為巖石等脆性材料斷裂產(chǎn)生的表面能增加率等于裂紋擴(kuò)展釋放的彈性勢(shì)能釋放率，即：

式中：W為彈性勢(shì)能，G為增加的表面能，l為裂紋長(zhǎng)度。

巖石受高速射流沖擊后成孔，孔內(nèi)產(chǎn)生的環(huán)向壓力超過(guò)其抗拉強(qiáng)度時(shí)開(kāi)始產(chǎn)生裂紋，并在裂紋尖端出現(xiàn)應(yīng)力集中，隨著應(yīng)力的持續(xù)增大，初始裂紋進(jìn)一步向外延伸擴(kuò)展，直至失穩(wěn)破壞。由于裂紋產(chǎn)生后，巖石力學(xué)模型發(fā)生了根本變化，傳統(tǒng)的彈性理論已不再適用，需應(yīng)用斷裂力學(xué)中的應(yīng)力強(qiáng)度因子來(lái)表述有關(guān)力學(xué)參量。

在射流沖擊力作用下，沿預(yù)切割槽兩邊優(yōu)先產(chǎn)生裂紋，初始裂紋沿水平和垂直方向開(kāi)始擴(kuò)展，形成扇形裂紋。在裂紋擴(kuò)展過(guò)程中，射流在巖石材料入射處產(chǎn)生的擠壓力對(duì)于裂紋尖端可視為集中力，可將三維裂紋簡(jiǎn)化為二維集中力斷裂模型進(jìn)行斷裂力學(xué)分析[19]，模型如圖3 所示。其中圖3（a）為裂紋沿預(yù)槽方向擴(kuò)展的模型，圖3（b）為裂紋沿垂直于巖石表面向巖石內(nèi)部擴(kuò)展的模型。

圖3 集中力斷裂模型Fig.3 Concentrated force fracture model

圖3（a）的集中力斷裂模型為無(wú)限介質(zhì)中心裂紋處有一對(duì)集中力的情況，其應(yīng)力強(qiáng)度因子可表示為：

式中：l為裂紋尖端至中心的距離(裂紋長(zhǎng)度），q(t)為集中沖擊力。

根據(jù)斷裂判據(jù)，當(dāng)裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子達(dá)到巖石斷裂強(qiáng)度Kc時(shí)，裂紋開(kāi)始擴(kuò)展，即：

則裂紋長(zhǎng)度l與集中沖擊力的關(guān)系為：

式（4）為單點(diǎn)射流沖擊時(shí)的橫向裂紋長(zhǎng)度，在多點(diǎn)射流沖擊巖石情況下，集中沖擊力q(t)在部分位置形成疊加而產(chǎn)生變化，具體根據(jù)沖擊點(diǎn)分布而定。從式（4）可知，裂紋長(zhǎng)度與環(huán)向集中沖擊力的平方成正比，為產(chǎn)生良好的斷裂效果，采用桿狀楔形射流沖擊巖石。如圖3（b）等有限尺寸帶裂紋體的應(yīng)力場(chǎng)和應(yīng)力強(qiáng)度因子在目前很難得到數(shù)學(xué)解析解[20]，本文中利用數(shù)值計(jì)算方式對(duì)其進(jìn)行分析計(jì)算。

2 巖石定向劈裂數(shù)值計(jì)算

采用顯式有限元分析程序AOTUDYN 進(jìn)行計(jì)算，該軟件主要模擬流體、固體在高速?zèng)_擊或動(dòng)態(tài)載荷條件下的響應(yīng)和耦合分析，廣泛應(yīng)用于彈道學(xué)、戰(zhàn)斗部設(shè)計(jì)、穿甲和爆轟等問(wèn)題的分析研究。效仿人工切割法將鋼楔打入巖石中逐步將巖石切割原理，分析聚能裝藥金屬射流對(duì)巖石沖擊劈裂過(guò)程，建立數(shù)值模擬模型，研究不同形狀高速金屬射流沖擊對(duì)巖石劈裂效果的影響，用于指導(dǎo)聚能藥型罩的設(shè)計(jì)，以及計(jì)算分析金屬射流沖擊下巖石斷裂過(guò)程以及裂紋形成機(jī)制，并與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。

2.1 模型建立

由于爆炸聚能射流產(chǎn)生過(guò)程中炸藥能量主要用于形成射流，為了突出射流形狀對(duì)裂紋擴(kuò)展的影響，忽略聚能射流形成過(guò)程及爆轟產(chǎn)物作用等因素，對(duì)聚能射流的定向劈裂數(shù)值計(jì)算進(jìn)行簡(jiǎn)化。簡(jiǎn)化后的模型參數(shù)為：聚能裝藥所形成的射流質(zhì)量約12 g，平均速度1 200 m/s，因此直接采用2 枚速度為1 200 m/s的金屬楔形桿對(duì)巖石進(jìn)行沖擊。2 枚金屬楔形桿分別采用三種材料、質(zhì)量相同，形狀不同的金屬楔形桿進(jìn)行計(jì)算對(duì)比，幾何上呈現(xiàn)為長(zhǎng)度不同，尾部直徑不同的圓臺(tái)形，尺寸如表1 所示。

表1 金屬楔形桿的尺寸Table 1 Dimensions of metal wedges

巖石模型尺寸為115 cm×80 cm×80 cm，巖石中間預(yù)設(shè)切槽，切槽寬5 mm、深5 mm。整體侵徹初始模型如圖4 所示。

圖4 侵徹初始計(jì)算模型Fig.4 Initial calculation model

2.2 模型材料

金屬桿（紫銅材料）、巖石材料均采用高壓沖擊狀態(tài)方程。沖擊波速度和質(zhì)點(diǎn)速度之間具有如下線性關(guān)系：

高壓沖擊狀態(tài)方程具有如下形式：

其中：

式（5）～（7）中：u、up分別為沖擊速度、質(zhì)點(diǎn)速度，S為u-up曲線的斜率系數(shù)，c0為u-up曲線的截距，近似于材料的絕熱聲速；p為壓力，pH為冷壓， Γ 為Grüneisen 系數(shù)， ρ 為材料密度， ρ0為初始材料密度，e為內(nèi)能。

模型材料的高壓沖擊狀態(tài)方程參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 高壓沖擊狀態(tài)方程參數(shù)Table 2 Shock EOS parameters

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

2.3.1 聚能控界切割機(jī)制

在有預(yù)制切槽的情況下，金屬桿的沖擊能量被用于巖石整體劈裂，裂紋沿著預(yù)切槽方向向兩邊擴(kuò)展，隨后向下貫穿整個(gè)巖體，將巖石整齊劈裂成兩半，切槽起到了精準(zhǔn)控制界面的作用。圖5～6 為0.07、0.30 ms 時(shí)巖石爆炸應(yīng)力波與損傷斷裂擴(kuò)展圖，可以看到，金屬桿沖擊巖石后，在巖石中產(chǎn)生應(yīng)力波，兩個(gè)初始應(yīng)力波傳播并相互作用，隨后繼續(xù)在巖體中傳播，超過(guò)拉應(yīng)力極限的區(qū)域?qū)l(fā)生斷裂損傷。根據(jù)斷裂力學(xué)原理，由于預(yù)切槽的存在，應(yīng)力在切槽尖端集中，材料斷裂韌度在預(yù)切槽方向最小，因此會(huì)在此方向形成裂縫并擴(kuò)展，裂紋在2 ms 左右停止擴(kuò)展。

圖5 巖石中爆炸應(yīng)力云圖Fig.5 Explosion stress contours in rocks

圖6 巖石中爆炸損傷云圖Fig.6 Explosion damage contours in rocks

2.3.2 不同形狀金屬桿的巖石劈裂效果對(duì)比

A、B、C 三種不同形狀的楔形金屬桿具有相同的動(dòng)能，向巖石試塊沖擊，產(chǎn)生不同程度劈裂效果，如圖7 所示。其中長(zhǎng)徑比最大的金屬桿A 最終劈裂深度為24 cm，金屬桿B 最終劈裂深度為46 cm，長(zhǎng)徑比最小的金屬桿C 最終劈裂深度為38 cm。由此可知，長(zhǎng)徑比約3∶1 的楔形金屬桿B 對(duì)巖石具有較好的沖擊劈裂效果，能夠?qū)⒏嗟臎_擊動(dòng)能轉(zhuǎn)換為產(chǎn)生有效斷裂的巖石表面能。過(guò)于細(xì)長(zhǎng)或者短粗的形狀對(duì)于巖石劈裂都較為不利。

圖7 巖石損傷云圖Fig.7 Rock damage contours

3 聚能裝藥侵徹?cái)?shù)值計(jì)算

聚能裝藥通過(guò)改變藥型罩形狀和炸高，可以產(chǎn)生不同形狀的高速金屬射流，利用本文中設(shè)計(jì)的聚能裝藥，在不改變藥型罩形狀的前提下，設(shè)置不同炸高即可形成三種典型形狀的楔形射流。對(duì)應(yīng)上述所得到的模擬結(jié)果，采用二維數(shù)值仿真方法，計(jì)算該聚能裝藥的射流形成過(guò)程；從射流侵徹、爆炸沖擊波和爆轟產(chǎn)物的作用等綜合因素考慮，進(jìn)一步研究不同炸高下射流形態(tài)以及對(duì)巖石的侵徹破壞效應(yīng)，獲得劈裂效果較好的射流形狀，得出用于形成巖石控界面貫穿裂紋的最佳炸高。

3.1 模型建立

聚能裝藥侵徹巖石計(jì)算采用Euler 求解器進(jìn)行，模型軸對(duì)稱(chēng)，網(wǎng)格漸變，最小網(wǎng)格尺寸0.2 mm，模型邊界采用無(wú)反射邊界。巖石和金屬材料參數(shù)與前述相同，炸藥材料為B 炸藥，采用經(jīng)典JWL 狀態(tài)方程。分別計(jì)算10、25、55 mm 三種炸高下的數(shù)值模型。模型初始狀態(tài)如圖8 所示。

圖8 聚能裝藥初始模型Fig.8 Model of initial shaped charge

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

3.2.1 不同炸高下射流形態(tài)分析

圖9 為10、25、55 mm 三種炸高下聚能裝藥形成的不同形態(tài)的射流。其中，10 mm 炸高下，藥型罩形成EFP（explosively formed projectile），長(zhǎng)徑比約為1∶1；25 mm 炸高下，藥型罩形成楔形射流，長(zhǎng)徑比約為3∶1；55 mm 炸高下，形成長(zhǎng)桿式射流，長(zhǎng)徑比約為10∶1。

圖9 不同炸高下形成的射流形態(tài)Fig.9 Jet patterns under different burst heights

從射流形狀來(lái)分析，25 mm 炸高下形成的射流成楔形，頭部較尖，如圖10 所示，符合上述計(jì)算結(jié)果中對(duì)巖石劈裂效果最好的形狀。如圖11 所示，計(jì)算楔形射流內(nèi)部速度分布可以看出，射流頭部速度為3 400 m/s，尾部速度為600 m/s，平均速度為1 290 m/s。從如圖12 所示的射流整體速度時(shí)程曲線可知，射流在0.01 ms 時(shí)達(dá)到整體平均速度峰值，可知炸藥能量已經(jīng)完全作用于藥型罩上，射流動(dòng)能已經(jīng)達(dá)到峰值。

圖10 25 mm 炸高下形成的楔形射流Fig.10 The wedge jet formation at 25 mm height

圖11 楔形射流速度分布Fig.11 Velocity distribution of wedge jet

圖12 射流整體速度時(shí)程曲線Fig.12 Time-history curve of jet overall velocity

3.2.2 不同炸高下射流侵徹破壞效應(yīng)分析

分析不同炸高下形成的射流對(duì)巖石的侵徹破壞效應(yīng)。如圖13 所示，10 mm 炸高下，射流對(duì)巖石的侵徹深度較小，成坑口徑12 mm。射流在巖石入射面消耗了大量動(dòng)能，粉碎區(qū)范圍50 mm 左右，并在周?chē)?72 mm 范圍內(nèi)產(chǎn)生大量裂紋，炸藥能量主要用于巖石表面的斷裂和破碎；25 mm 炸高下，射流對(duì)巖石的侵徹深度更大，在周?chē)纬?0 條主要裂紋，炸藥能量主要用于裂紋產(chǎn)生和侵徹；55 mm 炸高下，射流頭部速度更高，炸藥能量主要用于侵徹，產(chǎn)生的擠壓應(yīng)力較小。

圖13 不同炸高下射流侵徹?fù)p傷云圖Fig.13 Jet penetration damage contourunder different conditions of burst height

綜上所述，本文設(shè)計(jì)的聚能裝藥在25 mm炸高下產(chǎn)生的射流對(duì)巖石綜合侵徹破壞，更有利于裂紋在巖石材料內(nèi)部的進(jìn)一步楔入劈裂。

4 定向劈裂試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)設(shè)置

為驗(yàn)證多點(diǎn)聚能裝藥的巖石定向劈裂效果，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，采用設(shè)計(jì)的2 枚聚能裝藥在25 mm 炸高下對(duì)巖石試塊進(jìn)行控界切割試驗(yàn)。

試驗(yàn)用的石塊如圖14 所示，試件尺寸為1.15 m×1.45 m×1.00 m。試驗(yàn)前在石塊頂面上用機(jī)械切割機(jī)切出一條切槽，預(yù)切槽寬4 mm、深6.9 mm，沿預(yù)切槽布置2 個(gè)直徑28 mm 的定位淺孔，對(duì)應(yīng)于淺孔設(shè)置2 個(gè)聚能裝藥。采用PVDF 傳感器測(cè)量巖石中的應(yīng)力波強(qiáng)度，傳感器粘貼于巖石試件側(cè)面，位于2 個(gè)聚能裝藥中間位置，傳感器1 距頂面10 cm，傳感器2 距頂面20 cm。

圖14 試驗(yàn)設(shè)置Fig.14 Experimental set up

4.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.2.1 巖石斷裂結(jié)果

由圖15 可以看出，在多點(diǎn)聚能裝藥爆炸作用下，巖石被破壞，裂紋除了沿巖石預(yù)切槽延伸外，在巖石垂直方向上劈裂擴(kuò)展，基本與上表面垂直，裂紋長(zhǎng)度約38 cm，巖石試塊幾乎被整體劈裂，劈裂方向與預(yù)期基本一致，與上述數(shù)值模擬結(jié)果也基本一致。

圖15 巖石斷裂效果Fig.15 Effects of rock fracturing

4.2.2 應(yīng)力分析

通過(guò)巖石試塊側(cè)面?zhèn)鞲衅魉鶞y(cè)得的應(yīng)力數(shù)據(jù)（圖16）可知，由于電雷管起爆時(shí)間的誤差問(wèn)題，在巖石表面測(cè)得兩個(gè)應(yīng)力波峰，兩次應(yīng)力波間隔約2 ms，測(cè)點(diǎn)1 的兩個(gè)峰值大約為0.5 MPa，測(cè)點(diǎn)2 的峰值大約為0.6～0.8 MPa，兩次峰值疊加的數(shù)值與該點(diǎn)的數(shù)值模擬應(yīng)力峰值計(jì)算結(jié)果（2 MPa）接近。測(cè)點(diǎn)1、2 所在位置為沖擊形成的應(yīng)力波疊加位置，由圖5（b）也可以看出，是巖石試塊表面應(yīng)力最大的位置。該處應(yīng)力波壓力遠(yuǎn)小于一般的巖石抗拉強(qiáng)度，所以不會(huì)形成無(wú)效斷裂，既保證了切割面的平整又降低了炸藥用量。相對(duì)于傳統(tǒng)爆破作業(yè)中的炸藥直接爆炸作用，控界切割減少了炸藥的非有效能量耗散，大大降低了爆炸對(duì)周?chē)h(huán)境的危害。在實(shí)際工程應(yīng)用中，利用該試驗(yàn)成果，在炮孔中雙向設(shè)置多個(gè)聚能裝藥，采用導(dǎo)爆索串聯(lián)起爆，在聚能射流、爆炸沖擊波和爆轟產(chǎn)物的綜合作用下，增強(qiáng)了巖石中裂紋擴(kuò)展效果。

圖16 巖石側(cè)面應(yīng)力曲線Fig.16 Curves of rock side stress

5 結(jié) 論

基于高速聚能射流對(duì)巖石的沖擊作用和巖石沖擊斷裂機(jī)理，提出了多點(diǎn)聚能射流巖石控界切割方法，采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，得到以下結(jié)論。

（1）優(yōu)化設(shè)計(jì)了一種可用于巖石劈裂的聚能裝藥，該聚能裝藥在特定炸高下能形成楔形射流，用于劈裂巖石等脆性材料。

（2）利用數(shù)值模擬方法研究了巖石類(lèi)脆性材料在多點(diǎn)聚能射流沖擊作用下的定向劈裂機(jī)制，分析了在射流作用下巖石試塊的應(yīng)力波傳播過(guò)程和斷裂損傷過(guò)程，對(duì)比不同形狀的楔形金屬桿對(duì)巖石的沖擊劈裂效果，得出長(zhǎng)徑比在1∶3 左右的楔形金屬桿的劈裂效果最佳。

（3）利用數(shù)值模擬方法，分析計(jì)算了聚能裝藥射流形成過(guò)程與巖石沖擊侵徹過(guò)程，通過(guò)對(duì)比10、25、55 mm 炸高下形成的射流形態(tài)和巖石損傷效果，獲得了該裝藥用于劈裂的最佳炸高為25 mm。

（4）現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)成功用2 枚聚能裝藥將巖石試塊按預(yù)制方向劈裂，且在巖石表面測(cè)試得到的應(yīng)力波峰值壓力遠(yuǎn)小于一般巖石抗拉強(qiáng)度。對(duì)比傳統(tǒng)的鉆爆法爆破以及線性聚能切割爆破，本文中提出的多點(diǎn)聚能射流巖石控界切割方法優(yōu)勢(shì)突出：炸藥能量利用率高，實(shí)現(xiàn)了巖石控界面的精準(zhǔn)切割與環(huán)境友好。