不同水深条件下水下钻孔爆破破岩机理研究
第３２卷第４期２０１５年１２月
爆破
ＢＬＡＳＴＩＮＧ
Ｖｏｌ－３２Ｎｏ・４
Ｄｅｃ．２０１５
■■■■●■———＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿—■■■■■■—■■●■■—＿■＿＿＿＿＿＿——＿＿■—＿＿＿＿＿＿＿——■■■■■■—■■—■■■■—■■●●●■■■■■●——＿＿＿●—＿●■■＿■—＿＿＿＿＿＿ＩＩｌ
ｄｏｉ：１０．３９６３／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１－４８７Ｘ．２０１５．０４．０２３
不同水深条件下水下钻孔爆破破岩机理研究木
李春军１，吴丑２，李红勇１，周瑞锋２，叶小敏１，胡伟才１
（１．长江重庆航道工程局，重庆４０００１１；２．中国地质大学（武汉），武汉４３００７４）
摘要：为研究水下钻孔爆破中不同水深对爆炸冲击波和岩石破碎效应的影响，结合重庆万州长江公路大
桥防撞设施水下基坑及基槽开挖工程，通过ＡＮＳＹＳ／ＬＳ－ＤＹＮＡ动力有限元程序，得到不同水深条件下爆炸冲击波拉应力峰值。运用ＭＡＴＬＡＢ软件对不同水深岩石破碎拉应力峰值与炮孔距离的关系进行非线性拟舍，计算得到不同水深条件下不同炮孔距离的峰值拉应力理论值，进而获得不同水深条件下的爆破损伤区域。研究表明炸礁区岩石上覆３０ｍ左右水深情况下，爆破损伤区域半径为１．５ｍ，对水下钻孔爆破工程实践提供了依据。关键词：
水下钻孔爆破；水深影响；破岩机理；数值模拟；非线性拟合
文献标识码：Ａ
文章编号：１００１－４８７Ｘ（２０１５）０４—０１２３—０５
中图分类号：ＴＶ５４２．＋．５
ＲｏｃｋＢｒｅａｋｉｎｇ
Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ
ｏｎ
ｏｆＵｎｄｅｒｗａｔｅｒＤｒｉｌｌｉｎｇ
Ｂｌａｓｔｉｎｇ
Ｌ／Ｃｈｕｎ－ｊｕｎｌ，ＷＵ（１．Ｃｈａｎｇｊｉａｎｇ
ＤｉｆｆｅｒｅｎｔＤｅｐｔｈｓ
Ｒｕｉ－ｆｅｎ９２，ＹＥＸｉａｏ—ｍｉｎｌ，ＨＵ
Ｗｅｉ—ｃａｉｌ
Ｌｉ２，ＬＩＨｏｎｇ－ｙｏｎ９１，ＺＨＯＵ
ＣｈｏｎｇｑｉｎｇＷａｔｅｒｗａｙＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＢｕｒｅｕａ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ４０００１１，Ｃｈｉｎａ；
２．ＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＧｅｏｓｃｉｅｎｃｅｓ（Ｗｕｈａｎ），Ｗｕｈａｎ４３００７４，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｂｌａｓｔｉｎｇｓｈｏｃｋ
ｔｉｎｇ
ｏｎ
ｗａｖｅ
ａｎｄｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｒｏｃｋｆｒａｃｔｕｒｅｉｎｔｈｅｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｄｒｉｌｌｉｎｇｂｉａｓ．
ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｄｅｐｔｈｓ，ｃｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈｔｈｅｅｘｃａｖａｔｉｏｎｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｏｆｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｐｉｔａｎｄｔｒｅｎｃｈｆｏｒｔｈｅａｎ－
ｔｉ－ｅｏｌｌｉｓｉｏｎｆａｃｉｌｉｔｉｅｓｏｆｔｈｅＹａｎｇｔｚｅｒｉｖｅｒｈｉｇｈｗａｙｂｒｉｄｇｅａｔＷａｎＺｈｏｕｉｎＣｈｏｎｇＱｉｎ，ｔｈｅｐｅａｋｔｅｎｓｉｌｅｓｔｒｅｓｓｅｓｏｆｂｉａｓ—
ｔｉｎｇｓｈｏｃｋｗａｖｅｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｗａｔｅｒｄｅｐｔｈｓｗｅｒｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄｂｙＡＮＳＹＳ／ＬＳ－ＤＹＮＡ．ＴｈｅＭＡＴＬＡＢｓｏｆｔｗａｒｅｗａｓｕｓｅｄ
ｔｏｃａｎ＇ｙｏｕｔ
ｎｏｎｌｉｎｅａｒｆｉｔｔｉｎｇｆｏｒｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｄｉｓｔａｎｃｅａｍｏｎｇｈｏｌｅｓａｎｄｔｈｅｐｅａｋｔｅｎｓｉｌｅｓｔｒｅｓｓｅｓｏｆ
ａ＿
ｒｏｃｋｂｒｅａｋｉｎｇｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｗａｔｅｒｄｅｐｔｈｓ，ａｎｄｔｈｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｖａｌｕｅｓｏｆｐｅａｋｔｅｎｓｉｌｅｓｔｒｅｓｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｄｉｓｔａｎｃｅｓ
ｍｏｎｇ
ｈｏｌｅｓｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｗａｔｅｒｄｅｐｔｈｓｗｅｒｅｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｏｎｔｈｉｓｂａｓｉｓ，ｂｌａｓｔｉｎｇ
ｄａｍａｇｅ
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ｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｗａｔｅｒ
ｄｅｐｔｈｓｗｅｒｅａｃｑｕｉｒｅｄ．Ｔｈｅｓｔｕｄｙｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｒａｄｉｕｓｏｆｂｌａｓｔｉｎｇ
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ｉｓ１．５ｍｅｔｅｒｓｗｉｔｈ３０ｍｅｔｅｒｓ
ｕｎｄｅｒｗａ－
ｉｎｔｈｅｂｌａｓｔｉｎｇａｒｅａ，ｗｈｉｃｈｐｒｏｖｉｄｅｓｔｈｅｂａｓｉｓｆｏｒｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｄｒｉＵｉｎｇｂｌａｓｔｉｎｇｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：
ｎｏｎｌｉｎｅａｒｆｉｔｔｉｎｇ
ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ
ｄｅｍｏｌｉｔｉｏｎ；ｉｍｐａｃｔｏｆｗａｔｅｒｄｅｐｔｈ；ｒｏｃｋｂｒｅａｋｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；
水下钻孔爆破由于水介质的存在，相比于陆地，
效应的水中冲击波和地震波传播规律也有很大差别¨引。而水深是影响水下钻孔爆破的一个重要因素Ｍ１。以万州长江公路大桥防撞设施水下基坑及基槽爆破开挖为工程背景，通过动力有限元ＡＮ．ＳＹＳ／ＬＳ・ＤＹＮＡ，研究不同水深条件对水下钻孔爆破冲击波和岩石破碎效应的影响，以期将不同水深条件下水下钻孔爆破破岩规律反馈于爆破参数设计，
复杂很多。除了爆炸中物理现象不同外，主要破坏
收稿日期：２０１５—０３—０７
作者简介：李春军（１９７２一），男，新疆昌吉人，硕士、高级工程师，从
事水下爆破施工及技术研究，（Ｅ－ｍａｉｌ）４５５０４６４９２＠ｑｑ．
ｃｏｒｎ
ｏ
基金项目：湖北省科技厅自然基金重点基金项目（２０１３ＣＦＡｌｌ０）；中
国地质大学（武汉）教学实验室开放基金（ＳＫＪ２０１４０６５）
爆破２０１５年１２月
为爆破参数设计提供理论依据。１
主要包括ｌ。基坑及１至４４基坑前沿防碰撞带基槽，
工程概况
万州长江公路大桥左、右两岸各布置一套“水
施工内容为水下爆破、水下清渣及弃渣。炸礁区域岩石为中风化砂岩，岩石的动态抗拉强度
７８１．６
ｋＰａ，岩层厚度约为８ｍ，上附水深约为３０
ｍ
上升降式防撞装置”，防撞带与桥轴线大致对称布置。防撞带两侧布设导向井，导向井共４个。工程
左右。图ｌ为炸礁区域平面图。
图１炸礁区域平面图（单位：ｍｍ）
Ｆｉｇ．１
Ｅｘｐｌｏｓｉｏｎｒｏｃｋｓ
ａｒｅａ
ｐｌａｎ（ｕｎｉｔ：ｍｍ）
由于现场水位不断变化，水深对基坑及基槽的爆破开挖会存在明显影响，因此需要根据不同水深针对性设计水下钻孔爆破参数。鉴于此，现结合该工程实例，通过对不同水深条件水下钻孔爆破的数值模拟计算来反馈优化现场钻爆参数。
模型图。图４～图５分别为３０ｍ水深时：炮孔底部的Ａ，、曰．、ｃ。单元和距炮孔顶部的孔口处的４：、曰：、Ｃ：单元应力一时间曲线。
ＬＳ—ＤＹＮＡＴｉｍｅ＝０
７．１ｓｅｒ
ｉｎｐｕ
２数值模型的建立
网格均选用实体单元Ｓｏｌｉｄｌ６４进行剖分数，值模型材料由炸药、水、空气、岩石和填塞物组成。网格单元使用多物质ＡＬＥ算法，岩石、炸药、水、填塞物间采用流固耦合方法Ｍ。７Ｊ。为了保证分析计算过程中，欧拉与拉格朗日单元能一直耦合，建模过程中欧拉单元部分区域与拉格朗日单元重合旧’９Ｊ。结合数值模拟技术的特点，采用直径为１１０ｍｍ炮孔，炸药装药直径为８５ｍｍ，装药深度５ｍ，炮孔间距为
２．４
—上图２计算模型示意图（单位：ｍｍ）
Ｆｉｇ．２
Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ・ｍｏｄｅｌｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ（ｕｎｉｔ：ｔｏｎｉ）
ｍ，炮孔和炸药之间采用水耦合，选取４种典型
ｍ、１０ｍ、２０
水深０ｍ和３０ｍ。图２为计算模型示
意图，日为不同水深。
３水深对水中冲击波规律的影响
３０
在本工程中，炸礁区域岩石上方实际水深为ｍ左右，取计算模型日为３０ｍ，炸药与炮孔之间
为水耦合，不耦合系数为１．３３３，取炮孔同一径向不同距离的四个单元，按距离由近到远分别设为：炮孔底部Ａ．（２８５４０６）、Ｂｌ（２８５４３６）、Ｃｌ（２８５４７１）单元，
距炮孔顶部的孔口处的Ａ２（２８５４１０）、Ｂ：（２８５４４０）、Ｃ，（２８５４７５）单元应力．时间曲线。图３为测点单元
Ｆｉｇ．３
图３测点单元模型图
Ｍｅａｓｕｒｉｎｇｐｏｉｎｔｕｎｉｔｍｏｄｅｌｄｉａｇｒａｍ
第３２卷第４期
李春军，吴立，李红勇，等不同水深条件下水下钻孔爆破破岩机理研究
力衰减较慢。在模型的边界处，由于压应力的反射形成拉应力，导致拉应力的突然增大。
（３）对比不同高度下炮孔周围投影点的压力，在爆破近区，峰值压力均在同一量级，峰值压力的最大值在起爆点附近，这是由于起爆点起爆后，爆轰压力向两端传播，应力波在起爆点叠加产生极值。
（４）对比不同水深情况下被爆岩体中的应力情况，可以发现，冲击波峰值压力受水深影响较小，这
图４炮孔底部Ａ，、曰、、ｃ，单元应力一时间曲线
Ｆｉｇ．４
Ｓｔｒｅｓｓ—ｔｉｍｅ
ｃｕｒｖｅ
是由于爆炸产生的爆轰波压力峰值一般都在
１０００１
ｏｆｕｎｉｔＡＩ，Ｂｌ，Ｃｌａｔｔｈｅ
ＭＰａ以上，而１００ｍ水深产生的压力也仅为
ｂｏｔｔｏｍｏｆｂｌａｓｔｈｏｌｅ
ｔ
ＭＰａ，仅占前者１％。
ｒｉｏ
４水深对岩石破碎效应的影响
岩石的破碎在炮孑Ｌ近区范围，主要是因为岩石受到爆轰压力超过岩石的动态抗压强度而被压破坏，相比爆轰压力，水压力产生抵抗作用可以忽略，
这个区域成为粉碎圈；粉碎圈外紧接着为破碎圈，这
３５００３０
一区域岩石的破坏主要是由于岩石的径向压缩造成
Ｏ
５
１０
ｌ５Ｔｉｍｅ／（Ｅ＋３｝
２０
２５
３０
环向拉伸，即拉应力超过岩石动态抗拉强度而将岩石拉坏（岩石的动态抗拉强度７８１．６ｋＰａ）¨３１。岩石中拉应力可用式表示为
Ｒ！
图５孔口处Ａ：、Ｂ２、Ｃ：单元应力一时间曲线
Ｆｉｇ．５
Ｓｔｒｅｓｓ－ｔｉｍｅ
ｃｕｒｖｅ
ｏｆｕｎｉｔ
Ａ２，Ｂ２，ｃ２
ａｔｔｈｅ
ｔｏｐｏｆｂｌａｓｔｈｏｌｅ
％＝Ａｐｇｈ一（Ｐｏ—Ａｐｇｈ）ｉⅡ
（１）
由３０ｍ水深各测点的应力一时间波形图可知：
式中：盯。为拉应力；Ａ为侧压力系数；Ｐ０为初始冲击波压力峰值；Ｒ为测点距炮孔距离；Ｒ为炮孔半径；Ｐ为水的密度；＾为岩石上表面到水面的距离。
可以发现，在水深ｈ一定时，岩石受拉应力主要
在孔底距离炮孔附近的单元Ａ，峰值压应力为
４３０
ＭＰａ，而在距离单元Ａ。的单元Ｂ：峰值压力就衰
减为１３０ＭＰａ，在往外的单元Ｃ：峰值压应力为
３５
ＭＰａ。由此可见，在炮孔近区，应力衰减很快，在
０。１２
与冲击波初始应力Ｐ０及距离炮孔距离尺有关：距离炮孔越近、Ｐ。越大时，拉应力也越大。而在炸药性质及炮孔尺寸不变情况下，Ｐ０与装药量有关。
因而可将拉应力服从的应力衰减规律表示为下式
盯＝Ｉ｜｝Ｑ”Ｒ“
（２）
中远区，应力衰减较慢［１
Ｊ。
基于四种水深（０ｍ、１０ｍ、２０ｍ、３０ｍ）条件下
分析了炸药爆炸后应力传播过程及特征。表ｌ为四种水深在Ａ。、Ｂ。、Ｃ。、Ａ：、Ｃ：六个测点的压力峰值。
表１不同水深条件下不同测点的压力峰值（单位：ＭＰａ）
Ｔａｂｌｅ１
Ｐｅａｋｐｒｅｓｓｕｒｅｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐｏｉｎｔｓａｔ
式中：盯为最大拉应力；Ｉ｜｝、ｍ、ｎ为与岩石地质条件及水深相关的参数；Ｑ为药量，本模型炸药密度设为
ｋｇ／ｍ３；尺为炸药距测点距离。
ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｄｅｐｔｈｓｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ（ｕｎｉｔ：ＭＰａ）
Ａ２４５２４０９４５５４２１
Ｂ２１５２１４４１０１７６
Ｃ２４９４１３２３０
观察模型不同高程上距离炮孔相同距离的测点的应力曲线，发现整个药柱爆炸产生的应力在炮孔轴向并不是相同的，这是由于炸药的爆轰需要一段时间才能从起爆点传播到药柱的顶部和底部¨４｜。为了研究岩石中切向拉应力的衰减特性，简化研究问题，取与炮孔底面平行的平面上距离炮孑Ｌ不同水平距离的单元，得到如表２所示拉应力峰值与距离的关系。
从表２中可以发现，随着爆心距的增大，同一水深下峰值拉应力不断减小，而峰值拉应力在炮孑Ｌ附近衰减很快。同一测点的拉应力值随着水深日的
由表ｌ的结果可知：
（１）对比同一水深情况下同一水平截面上的压力，可以发现在沿着炮孔方向，随着距离炸药越来越远，冲击波压力逐渐减小。
（２）在炮孑Ｌ近区，应力衰减很快，在中远区，应
爆破
２０１５年１２月
逐渐增大而不断变小；在模型的边界处，由于压应力的反射形成拉应力，导致拉应力的突然增大［１
５１。
由表３可见：Ｈ＝０ｍ时，被爆岩石上方不存在
水层时，在炮孔径向４ｍ外，拉应力才会小于岩石的动态抗拉强度７８１．６
ｋＰａ；Ｈ＝１０
根据式（２），通过ＭＡＴＬＡＢ软件对表中的数据进行非线性拟合，得到不同水深条件下的ｋ、ｍ、ｎ值，分别为
水深Ｈ＝０ｉｎ时：ｏｒ。。＝０．１０８Ｑ１．３８８Ｒ。１・４２４；
水深Ｈ＝１０ｍ时：盯一＝０．１０９Ｑ１．２１１Ｒ＿・３９９；水深Ｈ＝２０ｍ时：ｏｒ。。＝０．０９７Ｑ“１３８Ｒ‘１・３３６；水深Ｈ＝３０ｍ时：矿。。＝０．０８４Ｑｉ．０１６Ｒ‘１
５１５。
ｉｎ时，被爆岩石上
ｋＰａ；Ｈ＝２０
方存在１０ｍ水层时，在炮孔径向３Ｉｌｌ外，拉应力才会小于岩石的动态抗拉强度７８１．６
４
Ｉｌｌ
时，被爆岩石上方存在２０ＩＴＩ水层时，在炮孔径向２．Ｉｌｌ外，拉应力才会小于岩石的动态抗拉强度Ｉｎ时，被爆岩石上方存在３０Ｉｎ水
层时，在炮孔径向１．５ｍ外，拉应力才会小于岩石的
７８１．６ｋＰａ；日＝３０
表２不同水深下拉应力与距离之间的关系对比（单位：Ｍ阳）
Ｔａｂｌｅ２
动态抗拉强度７８１．６ｋＰａ。用ｒ表示拉坏区的半径，则不同水深条件下的炸药单耗可表示为
口＝Ｑ／，ｒｒｒ２
５
Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｒｅｌａｓｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｓｔｒｅ鳃ａｎｄ
ｄｉｓｔａｎｃｅｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｗａｔｅｒ
ｄｅｐｔｈｓ（ｕｎｉｔ：ＭＰａ）
结论
（１）水深数值模拟表明：水下钻孔爆破的峰值
应力相同水深时，随着测点到爆源距离增大而逐渐减小；不同水深时，冲击波峰值随着水深的增大而逐
渐减小。
（２）依据工程中岩石破坏拉应力，结合数值模拟不同水深峰值应力结果，计算得到不同水深条件下岩石的破坏范围。当其它条件不变时，随着水深的增加，岩石所受拉应力逐渐减小，受拉破坏区域逐
渐减小。
（３）不同水深条件下，水越深，炸药要抵抗水压
由于建立的模型为破碎模型，岩石基本完全被破坏，为了研究不同水深下相同药量造成的岩石破坏体积，利用上式，计算得到不同水深条件下不同距离的峰值拉应力理论值，如表３所示。
表３峰值拉应力理论值（单位：ＭＰａ）
Ｔａｂｌｅ３
越大，导致破岩岩体的体积越小，破坏范围越小。
（４）计算结果得到不同水深条件下的爆破损伤区域，以及不同水深条件下的炸药单耗求解公式，可以为相关工程提供参考依据。
Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｐｅａｋｔｅｎｓｉｌｅｓｔｒｅｓｓ（ｕｎｉｔ：ＭＰａ）
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ａｎ・
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第３２卷第４期
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李春军，吴立，李红勇，等不同水深条件下水下钻孔爆破破岩机理研究
ｓｈｏｃｋｈａｚａｒｄｓ
ａｎｄ
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不同水深条件下水下钻孔爆破破岩机理研究
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：
李春军， 吴立， 李红勇， 周瑞锋， 叶小敏， 胡伟才， LI Chun-jun， WU Li， LI Hong-yong，ZHOU Rui-feng， YE Xiao-min， HU Wei-cai
李春军,李红勇,叶小敏,胡伟才,LI Chun-jun,LI Hong-yong,YE Xiao-min,HU Wei-cai(长江重庆航道工程局,重庆,400011)， 吴立,周瑞锋,WU Li,ZHOU Rui-feng(中国地质大学(武汉),武汉,430074)爆破Blasting 2015,32(4)
引用本文格式：李春军. 吴立. 李红勇. 周瑞锋. 叶小敏. 胡伟才. LI Chun-jun. WU Li. LI Hong-yong. ZHOU Rui-feng. YE Xiao-min. HU Wei-cai 不同水深条件下水下钻孔爆破破岩机理研究[期刊论文]-爆破 2015(4)