光面预裂爆破技术

PAGEPAGE2铁路工程光面预裂爆破推广应用交流会光面预裂爆破技术本小册子采集《现代水利水电工程爆破》（张正宇、张文煊等著，2003年，中国水利水电出版社）、《现代公路工程爆破》（刘运通、高文学、刘宏刚编著，2006年，人民交通出版社）、《交通土建工程爆破工程师手册》（张志毅、王中黔主编，2002年，人民交通出版社）三部著作中的相关内容汇编成册，供2007年由中国铁道学会与铁道部建设司联合主办的“铁路工程光面预裂爆破推广应用交流会”参考。xx年xx月目录TOC\o"1-2"\h\z\uHYPERLINK\l"_Toc175105288"1路堑预裂爆破和光面爆破1HYPERLINK\l"_Toc175105289"1．1概述1HYPERLINK\l"_Toc175105290"1．2预裂缝的形成机理3HYPERLINK\l"_Toc175105291"1．3预裂爆破参数间的关系10HYPERLINK\l"_Toc175105292"1．4预裂爆破装药量的确定15HYPERLINK\l"_Toc175105293"1．5预裂爆破施工20HYPERLINK\l"_Toc175105294"1．6预裂爆破与主爆区炮孔的相互关系22HYPERLINK\l"_Toc175105295"1．7预裂爆破的减震效果25HYPERLINK\l"_Toc175105296"1．8不同抗力条件下的预裂爆破29HYPERLINK\l"_Toc175105297"1．9光面爆破及其作用30HYPERLINK\l"_Toc175105298"1．10光面爆破参数的确定31HYPERLINK\l"_Toc175105299"1．11光面爆破新技术32HYPERLINK\l"_Toc175105300"1．12预裂及光面爆破的质量控制和效果评价34HYPERLINK\l"_Toc175105301"2隧道光面爆破和预裂爆破37HYPERLINK\l"_Toc175105302"2．1爆破参数设计37HYPERLINK\l"_Toc175105303"2．2光面爆破施工42HYPERLINK\l"_Toc175105304"2．3预裂爆破施工43HYPERLINK\l"_Toc175105305"2．4光面爆破、预裂爆破质量评定44PAGE5311路堑预裂爆破和光面爆破1．1概述预裂爆破是在爆破开挖过程中，沿设计开挖轮廓线打密集孔装少量炸药预先爆炸成缝，以防止爆破区炮孔爆破引起爆区外保留岩体或其他建筑物破坏的一种技术。由于在开挖区和保留区之间预先形成一条裂缝，使主爆区爆破的应力波传到预裂缝时被反射掉一部分，透射到保留岩体中的应力波强度减少，从而达到减震的目的。另一方面，预裂缝切断爆区传来的裂缝．避免其伸入保留岩阵内，达到保护岩体不被破坏。此外，采用预裂爆破开挖的岩面平整美观，超欠挖量少，可以减少混凝土的回填量，使其得以广泛推广应用。为了得到整齐的壁面，瑞典的一些科学家，如U.兰格福斯等人在树脂玻璃和地下工程岩石中进行试验，得到关于光面爆破的初步结果。这一技术在美国和加拿大得到进一步发展：l957年在美国科罗拉多矿山采用了预裂法；1959年美国尼亚加拉水电站引水渠和竖井开挖中使用了预裂爆破法；美国的D．Holmes(霍尔米斯)做过许多试验，将预裂爆破应用到各种地下工程中。之后，许多国家在花岗岩、石灰岩、白云岩、片岩、页岩、片麻岩中都取得预裂或光面爆破的良好效果。我国于1964～1965年曾在湖北陆水水电站施工中做过浅孔预裂爆破试验，并在护坦开挖中使用，取得良好效果。20世纪70年代，在葛洲坝水利枢纽工程中曾做过大规模预裂爆破试验，取得了适用于该工程的预裂爆破参数，之后，设计单位在施工中将缓坡均改为较陡的边坡，并实施预裂爆破。像这样大规模地运用预裂爆破，在中国爆破史上尚属首次。该工程预裂孔有垂直的，也有倾斜的(60～75)，一次钻孔最大深度达38m，在砂岩和砾岩地质条件下均取得了良好的预裂壁面。葛洲坝的成功经验为水利水电行业全面推广应用预裂爆破打下了良好的基础。l978～1979年作者及同事对预裂爆破进行了总结，随后在东江水电站等工程中又取得坚硬岩石中进行预裂爆破的经验(1984年，作者将东江水电站等工程的经验再次进行总结，撰写的。预裂爆破的原理、设计、试验与施工论文收录到了由原水利电力部水电建设总局编辑印刷的“预裂爆破在水电建设中的应用”内部专题文集中)。1983年，《水工建筑物岩石基础开挖工程施工技术规范》SDJ211－83将预裂爆破收入其中。自此，在水电建设中，预裂爆破已成为必须进行的保护边坡质量的技术措施。此后，我国水利水电行业在许多工程中都取得了优良的预裂爆破效果，整齐的预裂壁面像纪念碑一样标志着我国开挖质量进入一个崭新的阶段。岩石开挖往往是利用炸药的爆炸力，将岩石炸碎并将其运走。这种爆炸力经常会使靠近开挖区的岩体或建筑物破坏。在大型爆破中，特别是深孔爆破条件下，即使采取斜孔、毫秒分段、限制一响起爆药量等措施，破坏区的范围依然很大。深孔台阶爆破造成的破坏形状如图1－1所示。表1－1系葛洲坝等工程中深孔爆破岩体破坏范围的实测值，由该表可见破坏范围很大。开挖区外的保留岩体，有时是建筑物的基础或支撑体，或者是岸坡，要求完整，以保证建筑物的安全或边坡稳定。过去的开挖爆破方法．超欠挖量大，开挖边界不平整．破坏严重．超挖量要用大量混凝土回填，增加了工程投资。为了保护保留岩体和边界完整，过去主要采用预留保护层或设置防震孔等预防措施。这些措施一则使开挖工期延长，增加投资；另外，防震孔虽有一些防震作用，但却会引导爆破裂隙伸入保留岩体，效果不好。表1－1深孔台阶爆破破坏范围岩石特性台阶后冲表面破破坏范围SS(药包直径径的倍数))台阶底部水平破破坏范围LL(药包直径径的倍数))台阶底部垂直破破坏范围(药包直径的倍数数)裂隙发育（或有有软弱夹层层）120～3500140（葛洲坝工程实实测值）15～36中等裂隙（）60～10020～4055～10注表中为体积裂隙空隙率。美国、加拿大等国家，在预裂爆破未出现前，为了减少超欠挖和保护保留岩体，多年来一直采用轮廓线钻孔法(即防震孔法)、缓冲爆破和光面爆破法等。(1)轮廓线钻孔法。采用50～80mm的孔径，接2～4倍孔径的间距进行布孔，使岩体沿开挖线形成薄弱面。轮廓线孔与相邻炮孔的间距一般是主爆破孔最小抵抗线的50％～70％；相邻炮孔的间距是主炮孔间距的0.75倍，装药量是主炮孔的50％，起着减缓对轮廓线孔破坏的作用。轮廓线钻孔法一般用于明挖，多用于层理、节理和裂隙不发育的均质岩石中。轮廓线孔一般不装药，后来．装入少量炸药，类似于光面爆破。(2)缓冲孔爆破。此法首先在加拿大采用。沿轮廓线打大孔径钻孔(100～170mm)，装入少量炸药(用沙填实)．在主爆孔后起爆，类似于现在采用的光面爆破。炮孔间用导爆索起爆可得到很好的效果．此法较之防震法减少了钻孔量．(3)光面爆破法。此法已是大家很熟悉的减少围岩破坏和获得整齐边坡面的施工方法。它与缓冲孔爆破法相似．但其孔径较小(60～90mm)。上述方法与不采用任何措施，只预留保护层的办法相比，显然前进了一大步，但它们都是在主爆孔之后起爆，所以在时差选择上若有不当，便会造成主爆区裂缝深入保留区。预裂爆破的出现使主爆孔爆破后的裂隙不再深入保留区。但预裂爆破是一种夹制作用很强的爆破，其对岩体的损伤是不能忽视的。与光面爆破比较．预裂爆破有其鲜明的特点，因而直到现在它仍然被许多工程采用。在三峡工程建设中，预裂爆破与光面爆破同时被采用，它们由设计者和施工者根据具体情况及经验而选定。预裂爆破常用于明挖，也可用于洞挖(多用于两边邦)。不论明挖或洞挖，应注意它的爆破不能破坏其他炮孔的完整。预裂爆破一般说来可用于任何一类岩石和任何条件。但是，在对成缝不利的地应力条件下，有时很难形成裂缝；在坚硬岩石中裂缝很窄，而在软岩中裂缝较宽；在破碎的岩体中，裂缝有时不规则，壁面整齐程度也较差。尽管如此，不进行预裂与进行预裂相比，其结果相差是非常明显的。1．2预裂缝的形成机理20世纪60年代初期，在工程施工中成功地进行预裂爆破之后，开始了关于预裂成缝机理和模型试验的探讨。美国、瑞典、日本以及南非的一批爆破学者先后提出爆破成缝机理的见解．也有人从断裂力学的观点解释预裂成缝机理，利用动光弹模型进行另一种途径的研究。预裂爆破实践证明：岩层的走向，倾角、裂隙发育程度，力学强度，地应力的大小等都影响裂缝的形成和开度；钻孔直径、间距和装药量也直接影响裂缝的形成和开度；将它们做成模型进行试验与现场实施效果建立定量关系有很多困难，因为模型无法模拟上述各种因素。但是，模型试验可以作一些定性研究。1．2．1半无限体单孔爆破的物理现象炸药爆炸时，在极短的时间内由固体变成大量气体，体积急剧增大，产生巨大的能量破坏岩体。图1-2不同距离上的压力－时间曲线图1-2不同距离上的压力-时间曲线炸药在炮孔内爆炸，以每秒数千米的爆轰速度顺药柱传播，将能量释放出来。爆炸产生高速冲击作用，同时产生高温高压气体，温度可达2000～5000℃，压力可达数万个大气压。高速冲击作用以波动方式向四周传播．在孔壁作用的时间极短，约为微秒量级。由于高速冲击作用带有很高的冲击压力，许多人把它作为动力作用下岩体破坏的能源。高温高压气体比冲击波的作用时间要长得多，大约在几到几十毫秒以上，与冲击作用相比，可近似地把它看为准静态作用。目前，解释岩石爆破破碎原理和预裂爆破成缝机理都以上述两种动力作用为基础。图1-2不同距离上的压力－时间曲线图1-2不同距离上的压力-时间曲线图1-2是在大理石中实测不同距离的压力一时间曲线，从中可见波峰压力衰减很快。在半无限单孔中装药爆破，炮孔壁受到强大的冲击波作用；峰值压力可达几十万个大气压，在较远的地段，波峰变得平缓并衰变为应力波。岩体受到爆炸冲击波作用时间在微秒级(炮孔爆破)。岩体对它的反应是十分复杂的，岩体内产生应力和变形，同时开始运动。岩体的应力也以运动的形式传播，这种运动往往造成岩体的破坏．在炮孔周围可以明显看到破碎和裂缝。爆炸气体在炮孔中被封闭的时间可达几个毫秒至十几个毫秒(与抵抗线大小和堵塞长度等有关)，可视为压力的均匀作用状态。高压气体可渗入裂缝中，形成所谓的“气刃”效应．使裂缝延伸．实践发现．不是所有的裂缝都同时得到延伸，而是少数几条延伸得特别远。在爆炸冲击波和气体的作用下，炮孔周围的破碎区大约可达炮孔半径的l倍左右，而径向裂缝的长度可达炮孔直径的20倍左右。炮孔内装药爆破，使爆炸不破坏孔壁而又产生径向裂缝，同时在它附近另有装药炮孔存在，爆炸有可能使两孔连线间的径向裂缝连通起来，这就是预裂爆破成缝的基本概念。1．2．2预裂爆破成缝的机理保证预裂爆破成功的必要条件是不压坏孔壁和沿预定的方向成缝。如前所述，炸药爆炸后，产生的冲击压力和高压气体的作用，会使孔壁产生剧烈的破碎。要想不压坏孔壁必须采用低爆速炸药或不耦合装药法。若为药包直径，为钻孔直径；则将D/d称为不耦合系数。试验发现：药包与孔壁之间存在空气间隙，即不耦合系数大于1．会大大降低孔壁所受的压力。伊藤一郎等测量过不耦合条件下孔壁切向应力的变化，如图1-3所示。当不耦合系数为2.5时，作用在药室内壁的最大切向应力只相当于不耦合系数为l.1时的大约l／16。因此．完全有可能将现有的常用炸药，用不耦合装药来降低孔壁压力。把几万个大气压降到每平方厘米其有几千或几百公斤的压力值。当此值小于或接近于岩石的极限抗压强度时便可使孔壁不受压缩破坏或者只有极少量的破坏。图1-3作用在药室内壁的切线方向应力与不耦合系数的关系在不压坏孔壁的条件得到保证后，沿预定方向成缝只需调整相邻孔的孔距和孔内装药量便可达到。至于为什么调整药量和相邻孔之间的距离，便可形成裂缝的解释，有以下几种说法。1.应力波干涉破坏理论1962年，W．I．Duvoll(杜瓦尔)和K．S．Panie(佩因)提出“相邻炮眼产生的应力波相互干扰”的理论。该理论认为：如果几个相邻炮孔中的炸药同时爆炸，爆炸应力波以炮孔为中心呈放射状向外传播，一般在其切线方向会产生拉应力。由两个爆破孔出发，沿半径方向扩展的应力波，在两孔连线的中点相会，并产生干扰(图1-4)。两个波的汇合处产生的合力垂直于两个爆破孔轴线的连接面，方向向外。在这个连接面(图1－4中间虚线)的两侧，岩面各向相反的方向移动。因此．两个炮孔轴线的连接面成为受拉面．整个拉应力的作用使岩体沿此面断裂．应力波干涉作用理论指出了两个物理现象。第一，相邻两孔应同时起爆，以保证应力波在两孔连线的中点产生叠加；第二，应力波叠加后，相邻两孔中点产生的拉应力成倍增加，裂缝因此从中点首先产生，并向两孔方向发展。至于爆炸产生的高压气体在岩体成缝的作用则没有提到。2．以高压气体为主要作用的理论U.兰格福斯、山口梅太郎等人认为，爆生气体的作用对预裂爆破和光面爆破成缝的影响更大。在气体图1-4应力波干涉作用示意图压力共同作用下，炮孔相距很近时，炮孔连线上因应力条件而产生很高的拉应力。相邻炮孔同时作用，会使孔连线的面破裂得更整齐。山口梅太郎的试验和计算证明，两圆孔连线与孔壁的交点在切线方向产生很大的拉应力。这一切向应力在距相邻炮眼较远一侧也发生，这种应力条件，在两孔相距很小和圆孔直径越大时越明显，两孔连线切向最大应力发生在孔壁上，因此他认为，裂缝的发生应首先出现在孔壁上．当孔的间距较小时．两孔之间也会产生较大的拉应力(图1-5)。预裂爆破与光面爆破时岩石的开裂，可认为是由孔壁切向拉应力造成的，而且孔的间距与裂缝的开裂关系很大。据上得出以下结论：不论是单孔或是两孔同时起爆，裂缝均能产生，后者更易形成裂缝；要加长爆破气体的作用时间，强调堵塞和不耦合装药，要求炸药的爆速低，生成气体量多；关于应力波，他们认为不会形成孔间贯穿裂缝，仅能形成潜在的闭合裂缝．对于单孔而言，这些裂隙是无规则的，对于双孔而言，两孔连线方向的裂缝最长，裂缝的贯穿是在气体作用下完成的；裂缝是由孔壁向中间发展的。3．爆炸应力波与高压气体联合作用理论1963年前后，美国科罗拉多矿业学院的研究生A．Maihias对预裂爆破成缝机理进行了模型试验研究，认为爆炸应力波产生的拉应力形成径向开裂，然后被爆炸气体产生的拉应力扩展延伸，当孔间距小到能使气体形成的裂缝连通时，预裂缝便形成了。他还认为．爆生气体在渗入裂缝之前，应力波在两孔间形成的裂缝已经产生．以使其能选择孔间连线扩展成缝。他还认为应力波到达相邻孔后，在孔连线方向的孔壁产生拉应力，应力波的径向是压应力．这种应力状态有利于两孔连线成缝．而阻碍与连线垂直向裂缝的扩展(图1—6)。图1-5孔间距与裂缝的关系图1-6爆炸高压气体对孔壁的作用一孔中心距与孔的直径之间比值1968年，美国人H．K．Kotter和C.Fairhorst的试验证明：应力波在两炮孔中间不可能形成开裂。同时起爆时，爆炸气体形成的应力场在预裂缝的形成中起主要作用。南非人A.N．Brown的高速摄影试验证明：炮孔之间的开裂发生在爆轰波之后、冲击波形成的同时，而裂隙的开展较迟，可以认为是气体产生的。应力集中和应力波的干扰也是存在的。1979年，作者在“预裂爆破及其在水工建设中的运用”一文中曾对这一理论作过论述：“这理论可以用以下粗略的模式来描述，爆炸应力波由炮孔向四周传播，在孔壁及炮孔连线方向出现较长裂缝，随后在爆炸气体作用下，使原裂缝延伸扩大．最后形成平整的开裂面。上述模模式将预裂裂成缝机理理分为两个个过程，即即应力波的作用过过程和高压压气体的作作用过程，它们有先后，但又是连续的不可分割的。第一个过程是应力波的作用。当应力波从孔壁向四周传开后，产生的切向拉应力超过岩石的抗拉强度而使岩石破裂。最初的裂缝出现在从炮孔壁向外的短距离内。如果应力波在两孔之间能够发生叠加，那么，在此区段内，合成拉应力也可能使岩石产生裂缝。因此，应力波的作用，既能够发生叠加，也能在炮孔之间出现某些发状破裂，上述裂缝可能连接起来。于是炮孔连线方向出现较长裂缝的几率较其他方向大得多。这些裂缝给预裂面的形成创造有利的导向条件。爆炸高高压气体紧紧接着应力力波作用到孔孔壁上，它它的作用时时间比应力力波要长得多多，孔周围围便形成类类似于静态态的应力场场。相邻炮炮孔互相作作用，并互互位于应力力场中。孔孔中连线方方向产生很很大的拉应应力，孔壁壁两侧产生生拉应力集集中。如果果孔的间距距很近，则则炮孔之间间连线两侧侧全部是拉拉应力区((图1-6)，并达到足以以拉断岩石石的程度。如果相相邻孔的距距离很小，上上述拉应力力可以是岩岩石抗拉强强度的数倍倍，孔壁的的集中拉应应力还要大大。因此，即即使应力波波没有产生生裂缝，单单靠高压气气体的作用用，也可能能使岩石断断裂。如果果应力波产产生了初始始裂缝，高高压气体渗渗入便裂缝缝尖端产生生‘气刃效应’。由于气气体作用的的时间比应应力波长得得多，其总总能量也大大得多。所所以，气体体的作用不不仅能保证证形成贯通通裂缝，还还可以使裂裂缝有一定定的宽度。因因此爆炸气气体作用是是预裂缝最最终形成的的基本条件件，起着主主导的作用用。”1．2．3两相邻孔预裂爆爆破时的几几种组合情情况的分析析利用应应力波和高高压气体联联合作用理理论，对图图1-7的几种组组合情况进进行分析。1.相相邻炮孔起起爆时间相相差很大见图11-7之一，其其特点为A、B孔各自单单独爆破。无无论是应力力波或准静静态应力场场都不能产产生叠加。当两炮炮孔相距很很远，各自自类似于单单孔爆破，难难于形成贯贯通裂缝。当当炮孔间距距离很近时时两孔爆破破便要相互互影响了。(1))炮孔A先爆破，BB孔起空眼眼作用。AB连线上靠A的一侧因由A传出的应应力波强度度较大，压压缩波波阵阵面切线方方向的拉应应力大于岩岩石极限抗抗拉强度，I点，Ⅱ点处便产生裂缝。B孔上的I’和Ⅱ’点因拉应力集中，只要拉应力超过岩石的极限抗拉强度也形成裂缝。以上两种裂缝都是径向裂缝，并沿AB连线延伸。图1-7相邻炮孔起爆后的相互影响(2))A孔的气体体压力随应应力波通过过之后作用用到炮孔壁壁，使原有有裂缝在准准静态应力力场拉应力力的作用下下延长。如如果气体渗渗入上述裂裂缝中，裂裂缝伸展的的长度会加加长。(33)B孔爆破时A孔起空眼眼作用。但但B孔在AB连线方向向已有裂缝缝产生。所所以不论是是应力波或或是气体作作用都能促促使原有裂裂缝发展。此此方向裂缝缝的发展，势势必阻止其其他方向再再产生新裂裂缝或老裂裂缝的再发发展。图1-7相邻炮孔起爆后的相互影响实践证证明，上述述爆破条件件可以形成成预裂缝，但但相邻孔的的间距要小小，而且裂裂缝面的质质量也不好好。2．相相邻炮孔起爆时时间相差较小小见图11—7之二，其其特点为A孔爆破作作用产生的的应力波已已经掠过B孔，但准准静态气体体压力仍在在起作用。此此时B孔爆破。两两孔间爆炸炸应力波不不能叠加．．但准静态态应力场可可以叠加．．(1))A孔爆破后，应应力波导致致A孔和B孔在其连连线方向的的各自炮孔孔孔壁一侧侧产生径向向裂缝，它们们短而细小小。(2))应力波掠掠过B孔后，B孔爆破。此此时，A孔的气体体压力正在在起作用。该该气体压力力导致A孔壁原有有裂缝的发发展和由于于B孔的空孔孔效应使连连线方向的的裂缝延伸伸。随后B孔爆破，其其产生的应应力波作用用和A孔的准静静态气体作作用应力场场叠加，促促使B孔裂缝向A孔方向发发展。如果果两孔的准准静态应力力作用也能能叠加，则则连线方向向的叠加拉拉应力加速速裂缝延伸伸，从而使使它们可能能连通起来来。(3))高压气体体渗入处于于张开型的的裂缝中，又又加速了上上述裂缝的的扩展，最最终导致裂裂缝形成。这这种情况在在生产中使使用即发段段毫秒雷管管引爆时常常常遇到。3．相相邻炮孔起起爆时间相相差很短见图11-7之三，其其特点是A孔爆破后后的应力波波在到B孔之前B孔起爆。在在多个预裂裂孔用导爆爆索引爆时时一般都属属于这一情情况。这里不不再像上面面那样赘述述破裂的过过程，仅简简单描述其其爆破作用用过程：(1))两孔的爆爆破应力波波有可能在在后爆孔附附近产生叠加。(2))两孔爆炸产生生的准静态态应力场发发生叠加。(3))上述两种种的叠加使使孔间连线线方向的裂裂缝处于有有利的发展展地位，它它们呈张开开型裂缝，易使气体渗入，最终导致裂缝形成。孔间用用导爆索连连接可发生生上述情况况。4．相相邻炮孔同同时起爆见图11-7之四，在在这种情况况下的爆破破作用过程程可简述如如下：(1))两孔的爆爆破应力波波发生叠加加并在其连线线中点处相相遇。(2))两孔的爆爆破准静态态应力场发发生叠加。(3))以上两种种叠加是促促使预裂缝缝产生、发发展及最终终形成的最最佳组合情情况。但是是．这一情情况在实际际施工中难难以实现。从以上上的讨论可可以看出，尽尽量缩小起起爆时差，对对于成缝总总是有利的的。1．2．4预裂爆破机理研研究在我国国的进展19887年，在煤煤炭部、水水电部、冶冶金部、铁铁道部四部召开开的预裂爆爆破、光面面爆破机理理讨论会上上，对全国国洞挖工作作量进行了了估算。当当时，我国国洞挖工程程的年进尺尺约50000km，按减少超超挖10cm计，相相当于少挖挖250kkm隧洞，从从而可节省省开挖直接接投资约112.5亿亿元。由此此可见，采用预裂爆破破与光面爆爆破技术减减少超挖给给工程建设设带来的巨巨大经济效效益。与世界界发达国家家一样，我我国对预裂裂爆破、光光面爆破的的机理研究究，一直落落在实践的的后面。20世纪70年代以前前，我国预预裂爆破机机理研究的的实验技术术还是空白白，只能做做一些小型型砂浆试块块的模型试验验。20世纪80年代以来来，我国在在预裂爆破破机理实验验研究和利利用经典力力学计算炮炮孔间应力力分布、装装药量计算算等方面有有长足进步步，大大缩缩小了与发发达国家的的差距。19887年四部的的光面爆破破、预裂爆爆破机理讨讨论会纪要要中写道，“利用动光光弹研究成成缝机理，研研制现场用用超动态应应变仪和试试块切片分分析法等都都已得到初初步应用，它它们都是我我国爆破机机理研究中中的最新进进展”。此后，有有关预裂爆爆破机理及及利用经典典力学计算算预裂爆破破时炮孔间间应力分布布和计算预预裂爆破的的装药量等等论文又发发表不少，这这充分显示示爆破工作作者对这一一研究领域域的重视。采用现现代化仪器器设备在实实验室里观观测预裂爆爆破的现象象与本质，从从中总结其其基本规律律是推动预预裂爆破技技术发展不不可缺少的的手段。目前，国国内外常采采用动光弹弹方法研究究预裂爆破破的有关问问题。该试试验方法需需有一套与与之相适应应的实验技技术及测量量系统，用用以记录爆爆破载荷作作用下的应应力和应变变波的传播播特性及应应力条纹与与裂缝发展展的动力破破裂过程，以以解释预裂裂爆破与光光面爆破的的机理。中国矿矿业学院北北京研究生生部首先在在我国建立立和完善了了这一工作作，其主要要表现在以以下几方面面：(1))建立了一一套动光弹弹加载系统统和实验技技术；解决决了模型试试验爆炸加加载源——微秒雷管的的加工、起起爆技术。(2))建立了性性能稳定的的超高频动动态测量系系统，为研研究小药量量模型试验验中应力、应应变、质点点位移、质质点振动速速度等提供供手段；并并测出了岩岩板、砂浆浆板中应变变峰值随不不耦合系数数增大而衰衰减的规律律。(3))在动光弹弹实验分析析中，确定定了无限平平面中与PP波相应的应应力条纹级级数的一般般方法，给给出了P波应力场数数据处理方方法和相应应的计算程程序。(4))研究分析析了空孔导导向的作用用机理，用用动光弹方方法研究了了爆炸应力力波在空孔孔附近及炮炮孔连线上上的应力条条纹分布，研研究了空孔孔孔径大小小对成缝的的影响。(5))研究了相相邻炮孔同同时起爆时时，炮孔间间裂缝贯穿穿的基本规规律；以及及相邻炮孔孔起爆时差差不同时，对对炮孔间裂裂缝形成和和贯穿结果果的影响。同时，我我国还有不不少预裂爆爆破论文发发表在有关关刊物上。这这些论文的的研究成果果主要集中中在下述几几个方面：：(1))采用经典典力学理论论计算预裂裂孔周围及及其连线间间的应力场场，证明预预裂缝的产产生主要是是炮孔连线线间的拉应应力造成的的，且这一一拉应力较较炮孔其他他方向要大大得多；同同时，预裂裂缝的开裂裂是从炮孔孔边缘产生生的。(2))提出了预预裂爆破装装药量的多多种计算方方法。到目目前为止，预预裂爆破装装药量计算算方法，可可谓多种多多样，有所所谓理论的的，有半理理论半经验验的．也有有经验的等等等。许多多爆破研究究者总希望望能够找到到一个准确确的药量计计算方法或或公式。然然而，实践践证明．无无论哪一种种计算法都都只能是近近似的。因因为它们都都不能将所所有与预裂裂爆破成缝缝有关的因因素进行准准确的量化化。(3)寻求用较较少的装药药量进行爆爆破，促使使炮孔连线线方向开裂裂，而其他他方向极少少或不产生生裂缝的技技术措施，即即爆炸能量量的定向利利用研究。这这些技术措措施包括炮炮孔壁定向向刻槽、炮炮孔内置入入定向刻槽槽套管及聚聚能药包等等。1．3预裂爆破破参数间的的关系预裂爆爆破的主要要参数有装装药量、岩岩体的抗拉拉与抗压强强度、钻孔孔间距、钻钻孔直径、炸炸药特性和和地质状况况等。目前前，能够建建立定量关关系的主要要是前四项项。1．3．1装药量与岩石强强度的关系系依据预预裂爆破的的理论，炮炮孔壁不被被压坏，主主要与炸药药量和岩石石抗压强度度有关；而而预裂缝的的生成则主主要与炸药药量和岩石石的抗拉强强度有关。岩石的抗拉强度约为抗压强度的1／30～1／l0。在研究装药量与岩石强度关系时，采用岩石抗压强度有一定的代表性。实践表明，预裂爆破的装药量与岩石的抗压强度成正比(表1—2)。表1-2国内外预裂爆破破线装药密密度与岩石石抗压强度度的关系(MPa)1020257080150(kg/m)0.150.20.250.350.400.601．3．2装药量与孔径的的关系在我国国，预裂爆爆破中常用用的钻孔直直径为：隧隧道工程440～50mmm，地下厂厂房70～90mmm，明挖800～110mmm。一些些电站建设设中也采用用150mmm的钻孔孔直径，但但采用大孔孔径是不经经济的。装装药量与孔孔径的一个个重要参数数是不耦合合系数，过过大或过小小的不耦合合系数都不不利于预裂裂爆破的进进行。根据据我国的经经验，不耦耦合系数在在2～4之间均能能取得良好好效果，其其中小孔径径取小值，大大孔径取大大值。葛洲洲坝工程中中，曾用1150mmm孔径装Φ32mmm标准药卷卷，不耦合合系数约为为5，虽然也也达到了预预裂爆破的的目的，但但是不经济济的。一般随随着孔径的的增加，装装药量有所所增大；对对于小于ll10mmm的孔径而而言，其增增值幅度不不大。只要要不耦合系系数在2～4之间，进进行装药量量计算时，可可以不考虑虑孔径大小小的影响。1．3．3钻孔间距与装药药量和孔径径的关系1．钻孔间距与装装药量的关关系预裂爆爆破施工中中，当地的的岩性已经经固定，选选定孔径后后，预裂爆爆破的成败败主要取决决于孔间距距与装药量量。一般装装药量随孔孔距增大而而增加，表表1—3列出了葛葛洲坝工程程的有关资资料。表1—3[]=200MPa((d=90～110mmm)时孔距距与线装药药密度的关关系(g/m)105150165200220(cm)456070100130如表1—4、表表1—5所示，在在同一岩石石中进行预预裂爆破，当当固定某一一合适装药药量和其他他参数，而而钻孔间距距，由大变变小时会发发生如下情情况：地表表由不产生生裂缝到出出现细小裂裂缝，挖出出的壁面质质量较差；；继续减少少间距，表表面裂缝宽宽度增加，能能开挖出平平整的壁面面时，得到到最佳间距距；间距再再继续缩小小，裂缝加加宽但壁面面质量变坏坏。实际施施工中，最最佳钻孔间间距较难准准确确定，而而符合壁面面质量要求求的钻孔间间距有一个个范围，其其值可能相相差一倍。表1－4在允许装药密度度下不同孔孔距对预裂裂爆破效果果的影响岩石性质最大装药密度（kg/m）孔距（m）爆破效果缝宽（cm）不平整度（cmm）辉绿岩、有裂隙隙，抗压强强度为1550MPaa0.650.650.650.650.651.00.80.70.60.40.82.02.54.02820131210石灰石、裂隙发发育，抗压压强度为660～80MPPa0.400.400.400.401.00.90.70.61.01～22.02720108中等裂隙的石灰灰岩，抗压压强度为660～80MPPa0.480.480.481.00.80.61.01.51.5～4.5519138砂岩，抗压强度度为70～90MPPa0.500.500.500.500.90.70.60.420952粉砂岩，抗压强强度为400MPa0.3750.3750.3750.60.40.3191310在同一岩石中进进行预裂爆爆破，当固固定某一个个合适的钻钻孔间距和和其他参数数，而装药药量由大变变小时会出出现如下情情况：最初初裂缝很宽宽、壁面岩岩石破坏严严重；随着着药量减小小，必然会会出现一个个最佳的装装药密度，此此时裂缝宽宽度恰当．．壁面比较较平整；药药量继续减减小，裂缝缝宽度减小小，壁面不不平整度增增加，一直直到不能出出现裂缝。同同样，药量量的最佳值值也难以准准确确定．．依然存在在一个合乎乎预裂爆破破质量要求求的适当药药量变化范范围。上述药药量和间距距变化范围围指出两个个问题，首首先，在合合适的范围围内找出最最佳值，需需要做较多多的试验。其其次，想获获得某一个个合适的参参数值并不不难，因为为它的变化化范围比较较大。另外，由于存在在上述变化化范围，可可能导致人人们在决定定参数2．钻孔间距与钻孔孔直径的关关系钻孔间间距与钻孔孔直径的比比值()称为孔径径比。值是是一个重要要的指标，它它的大小决定钻孔孔的数量。从从施工角度度上讲，值值大一些好好，因为可可减少钻孔孔量。但是是，过大的的值往往不能能保证预裂裂壁面的质质量。爆破破理论再证证明：分散散装药爆破破远比集中中装药爆破破对围岩的的破坏小。值小时，炮孔数目多，药量相对比较分散，预裂壁面质量比较好。一般值宜选定为7～12。目前，水利水电行业的预裂爆中，值通常为8～10；国内其他行业的值用得比较大，达到l0～20。葛洲坝工程初期的预裂爆破，其值曾用到l5，但其预裂壁面的效果较差。上产生谁优谁劣的争论。因为影响这个变化范围的因素比较多，使人难以做出清楚的判断。表1－5葛洲坝工程允许许装药密度度下不同孔孔距对预裂裂面不平整整度的影响响编号装药密度（g//m）钻孔间距（m）测量范围（孔号号）不平整度（cmm）最大值平均值凹进部分凸出部分凹进部分凸出部分11500.92～36～78810.114.01.802.23.86.64.80.901.221500.7518～1921～227.56.74.03.02.83.71.82.531500.65～68～914～1511.713.09.00005.64.33.700041500.68～91101.56.74.701.13.32.351500.610～1212～1321～2223～2411.814.54.79.80.312.32.50.34.84.82.03.40.312.31.30.3作者认认为，重要要水工建筑筑物基岩开开挖的预裂裂爆破，其其值宜取为7～10。西方国国家及前苏苏联水利水水电工程预预裂爆破的的钻孔间距距大多小于于10倍孔径，有有的甚至只只有5～6倍孔径。1．3．4炸药特性对预裂裂爆破的影影响爆破理理论与技术术发展的一一个重要方方面．在于于选择合适适的炸药品品种使其将将更多的能能量用于做做有用功。根据预预裂爆破的的应力波与爆生气气体联合作作用理论，要要求炸药具具有一定的的爆速和猛猛度，其爆爆炸生成的的气体量尽尽量多。我我国普遍使使用岩石硝硝铵炸药、乳乳化炸药、铵铵油炸药、水水胶炸药等等工业炸药药。水利水水电行业主主要采用乳乳化炸药和和2号岩石硝硝铵炸药。尽尽管采用上上述炸药都都有获得预预裂爆破成成功的例证证，但并不不等于它们们都是进行行预裂爆破破最合适的的炸药。预预裂爆破采采用不耦合合装药，可可以使岩石石受力状态态得到调整整，这是上上述炸药都都能获得预预裂爆破成成功的重要要条件。采采用上述炸炸药进行预预裂爆破时时，当不耦耦合系数小小于2时，往往往会使孔壁壁受到损坏坏。瑞典、日本、美国等国家研究出了一些专门用于预裂爆破或光面爆破的新型炸药。我国在20世纪80年代也曾研制和生产出了一些专用光爆炸药，但均未能形成规模生产，也未能在全国普遍推广。因为施工单位为求施工简便，大多采用与一般爆破相同的炸药品种进行预裂爆破，并通过改善不耦合装药结构调整炸药爆炸对孔壁的作用压力而满足预裂爆破效果。在其他他预裂爆破破参数不变变时．采用用不同品种种的炸药爆爆破可以获获得不同的的爆破效果果。19788年，在东东江水电站站花岗岩的的预裂爆破破试验中，在在同一条准准备预裂的的直线上．．一段使用用受潮的22号岩石硝硝铵炸药((实测爆速速1975mm/s)．．地表面得得到一条连连贯的宽度度不到1mm的细裂裂缝；另一段采用新的的同厂同类类型炸药((实测爆速速27000m/s))，在包括括线装药密密度在内的的所有参数数及施工方方法都没有有改变的条条件下，地地表却出现现严重破坏坏，1～2m3的大石块块被掀立起起来。葛洲洲坝工程也出出现过类似似情况：使使用40％耐冻冻胶质炸药药能获得很很好的预裂裂面；而换换成同量的的2号岩石硝硝铵炸药，则则往往形不不成裂缝。因因为后一种种炸药的爆爆力及爆速速较前种炸炸药差。AA.A.费费先柯也指指出：“不同炸药药的最佳装装药密度是是不同的”。“对任何一一种炸药而而言，在轮轮廓爆破((即预裂爆爆破)参数为最最佳的情况况下，用另另一种炸药药时，对轮轮廓质量的的影响又有有不同。”同时，他还还列举了许许多与此有有关的实例例。一般来来说，当预预裂爆破的的其他各种种条件相同同时，采用用某种炸药药的最优装装药密度，而而改换爆炸炸性能更猛猛烈的炸药药，则会使使预裂壁面面形成较重重的破坏；；反之，又又会形不成成裂缝或者者使预裂的的质量变差差。因此，凡凡是能进行行预裂爆破破的炸药，都都有一个适适合于每种种岩石的合合适的装药药量范围。当当炸药性能能改变时，这这个范围随随之而变，此此时必须重重新调整装装药量或钻钻孔间距。在在施工中经经常对所使使用的炸药药进行性能能测定(如爆速等)，对取得得良好的爆爆破效果有有极大的好好处。1．3．5地质条件对预裂裂效果的影影响诸种爆爆破中，大大概要算预预裂爆破和和光面爆破破受地质条条什的影响响最大。裂隙、节节理、层面面和断层等等，使岩体体分割成许许多大大小小小的块体体，块体与与块体之间间形成弱面面。这些弱弱面有的是是连续的，有有的是不连连续的，弱弱面的性质质也因地质质变化而不不相同。岩岩体中这种种自然结构构的差异造造成各种地地质条件的的千变万化化。这些构构造中尤以以裂隙对预预裂爆破的的参数和效效果的影响响最大。但但是，人们们在实践中中逐渐认识识到地质因因素的影响响并非不可可克服，复复杂地质环环境下仍能能进行预裂裂爆破。一般而而言．岩石石愈完整均均匀，愈有有利于预裂裂爆破。非非均质、破破碎和多裂裂隙的岩层层则不利于于预裂爆破破。对于破破碎的岩石石，预裂壁壁面的不平平整度往往往不由爆破破参数决定定．而由破破碎面控制制。甚至预预裂面也不不按设计面面形成，而而沿裂隙面面或破碎面面产生。当当裂隙率达达到5％时，预预裂爆破转转难得到设设计的裂缝缝．当裂隙隙率为1.5％～5％时，采采用小孔距距的预裂爆爆破．可以以收到良好好效果。高倾角角的裂隙对对预裂壁面面不平整度度的影响较较之倾角为为45°～60°时小得多多。与预裂裂面大致平平行，位于于保留区而而距设计预预裂面不太太远的高倾倾角裂隙，爆爆破时它前前面的岩石石是很难保保留住，由由此造成的的超挖很难难避免。与预裂裂面垂直的的裂隙，往往往使裂缝缝不能连接接起来，构构成齿状缝缝面，形成成超欠挖。与预裂裂面斜交的的裂隙，却却又易使预裂裂缝偏离中中心线．顺顺裂隙跑一一段距离后后与另一孔孔连起来，有有时甚至跳跳过许多孔孔再与其他他孔连接起起来，形成成更为严重重的超欠挖挖。岩石的的非均质性性也影响裂裂缝的形成成。官厅水水库预裂爆爆破试验表表明，顺岩岩层走向的的预裂爆破破易形成裂裂缝．而垂垂直岩层走走向的预裂裂爆破则较较难成缝。单单孔爆破试试验结果表表明，顺岩岩层走向的的爆破裂缝缝长度是垂垂直岩层走走向的2～3倍。由上可知，必须须在爆破前前弄清楚爆爆区地质情情况。在地地质条件不不清楚的地地方进行预预裂爆破．．孔距越大大危害也越越大，过大大的孔距对对预裂爆破破效果总是是不利的。选选择和确定定孔距时，应应当考虑岩岩石的裂隙隙率或者裂裂隙密度以以及主要裂裂隙组走向向的影响。对对此建议修修正孔距，其其修正系数数值列于表表1－6中。对于裂隙不发育育、层面近近于水平、厚厚度较薄的的岩石实施施预裂爆破破后，地表表以下1..0m左右右的岩石往往往被抬动动。预防出出现该不利利现象的办办法是减小小孔距和顶顶部装药量量，减少堵堵塞物的深深度(顶部药包包深度不变变)，且不要要堵塞过紧紧。裂隙发育且与预预裂缝斜交交时，地表表容易产生生漏斗。东东江水电站站曾出现过过类似情况况：在岩石石完整的花花岗岩地区区，采取40mm孔径．图1－8超挖形成成的示意图图35cm的间距距、4566g/m的的线装药密密度实施预预裂爆破，地地表形成了了连续2～5mm宽的的裂缝，未未出现任何何漏斗现象象；在与上上述相邻的的另一组预预裂爆破中中．爆区地地表有一组组裂隙与设设计预裂面面斜交(图1-8))，虽然增增大孔距到到55cmm，线装药药密度保持持不变，结结果仍形成成超挖。表1-6不同岩体裂隙状状况的孔距距修正系数数参数名称参数值孔距修正系数AB裂隙率1.5％以下1.5％～3.00％3.0％～5.0％5.0％以上1.00.8～0.000.7无效果－－－－控制性裂隙网的的走向与预裂缝之间夹夹角0○40○90○－－－1.20.90.85注对孔距进行修正正时，将计计划采取的的孔距值分分别乘以AA和B对于复杂地质条条件下的预预裂爆破，通通过减小孔孔距、减少少装药量，尤尤其是减少少顶部装药药量、改变变堵塞条件件，往往可可以改善其其爆破效果果。1．4预裂爆破装药量量的确定1．4．1理论计算法1．霍霍尔姆斯法法美国DD.H.HHolmss(霍尔姆斯)等人，依依据他们在在尼亚加拉拉水电站的的预裂爆破破研究成果果,提出了一一种计算预预裂爆破装装药量的方方法。根据孔孔壁不被压压坏条件有有(1-11)式中——孔壁所受压力———岩石抗压压强度———动荷系数数。由实验得出(1--2)式中——炸药爆破的初始始压力；———药卷体积积；———两药卷之之间的炮孔孔体积。令钻孔半径为，药卷半径径为，药卷卷长度为，两两节药卷中中心之间的的距离为，则则有：(1--3)联立式((1-1)、式(1-3)即得((1-4))由公式式(1-4)即可计算算出装药密密度，在此此装药密度度下孔壁不不会压坏。预预裂爆破时时,两孔间应应力波产生生的拉应力力为(1-5)式中——岩石弹性模量；；———应力波波波阵面切线线方向的应应变；一一一泊松比；；,——钻孔半径和药卷卷半径；———预裂孔间间距;———岩石的吸吸收常数。如果超超过岩石动动抗拉强度度，两孔之之间即可形成成预裂面。2．AA.A.费先柯法法A.A．费先柯柯法和B．C．艾得斯斯托夫应用用空气冲击击波对障碍碍物作用的的理论和孔孔壁压力不不压坏孔壁壁的原则，对对装药密度度进行计算算，得出下下式((1-6))()(1--7)式中△——体积装药药密度；——岩岩石抗压强强度}——所所用炸药的的爆炸热量量；——炸炸药密度；；——线线装药密度度；——药药卷半径。根据冲冲击波在两炮孔孔间形成的的拉应力大大于岩石抗抗拉强度的的条件得出出(11-8)((1-9))式中——孔半径的倍数；；——岩石抗拉强度;;———空气冲击击波遇到障障碍物时的的压力增长长系数；———波阵面压压力;———钻孔半径径；———钻孔间距。他们认认为：为了了获得计算算爆破参数数的必要精精度．岩石石特性指标标等基本参参数的试验验次数均不不得少于ll0次；其他他施工参数数、裂隙发发育程度、裂裂隙走向分分布等对预预裂爆破结结果的影响响可通过试试验确定。3．用用断裂力学学原理计算算线装药密密度的方法法19882年，王中中黔、王兴兴发和冯珊芬芬提出用断断裂力学原原理计算线线装药密度度方法。在在推导计算算公式过程程中作以下下规定：以以2号岩石硝硝铵炸药为为计算标准准；钻孔间间距为钻孔孔直径的8～12倍。通过炸炸药爆轰过过程的理论论计算，得得出作用到到孔壁的压压力为(1-10))式中——爆炸气体最终作作用到孔壁壁上的压力力，kg//cm2；———炮孔直径径，cm；———线装药密密度，g//m，在准静静态气体荷荷载作用下下，长度为为的裂缝失失稳扩展的的临界条件件是(1-111)由式(1-10)和式((1-111)可得预裂爆破使裂裂缝扩展的的临界线装装药密度为为（1-12）为使每个炮孔的的初始裂缝缝向相邻炮炮孔延伸一一半孔距和和令（为钻孔间间距），则则得（1-13）或者（1-14）1．4．2经验数据法上述理理论计算方法由于于存在一些些参数无法法确定或不不易确定的的问题，所所以难以用用于具体爆爆破设计中中。一些爆爆破工作者者根据自己己的工程实实践提出了了一些经验验数据。大大多情况下下．采用这这些数据可可以保证预预裂缝及光光爆缝的形形成，但其其不一定是是最佳值。在在爆破设计计时，往往往需要结合合当地实情情对这些有有关的数据据进行适当当调整。瑞瑞典U.兰格福福斯等提出出的经验数数值见表11—7，“日本爆破破手册”上提供的的经验数据据见表1--8，本书作作者建议的的经验值见见表1—9。表1-7预裂爆破破参数经验验数据表钻孔直径(mm)装药密度（kg/m）药卷牌号及直径径(mm)钻孔间距(m)钻孔间距与钻孔孔直径的比比值备注303744506275871001251502000.120.170.250.350.500.700.901.402.003.00古力特古力特古力特古力特那比特22那比特25狄纳米特25狄纳米特29那比特40那比特40狄纳米特520.25～0..500.30～0..500.30～0..500.45～0..700.55～0..800.60～0..900.70～1..000.80～1..201.00～1..501.20～1..801.50～2..108～178～13.57～119～149～138～128～11.58～128～128～127.5～10..5U.兰格福斯建议值37～4350～6275～871000.11～0..360.11～0..360.19～0..720.36～1..080.25～0..370.37～0..500.37～0..750.50～1..005～10卡里瓦托建议值1．4．3经验公式计算法法19991年，作作者根据大大量工程实实践资料．．提出了预预裂爆破装装药量计算算经验公式式(11-15))式中——线装装药密度，g/m；———岩体极限限抗压强度度，kg//cm2；———钻孔间距距，cm。表1-8光面爆爆破参数表表国名炸药名称药卷外径(mmm)标准钻孔直径((mm)标准装药量(kkg/m))美国光面爆破A36.5127～20331.22光面爆破B36.5103～12770.85光面爆破C28.776～1030.76光面爆破D28.776～1030.47光面爆破E28.751～760.39光面爆破F28.751～760.28古力特17370.12古力特17440.17瑞典古力特17500.25硝甘炸药22620.35表1-9预裂爆破破参数经验验数值表岩石性质岩石抗压强度((MPa)钻孔直径(mmm)钻孔间距(m))线装药量(kgg/m)软弱岩石＜50800.6～0.88100～18001000.8～1.00150～2500中硬岩石50～80800.6～0.88180～30001000.8～1.00250～3500次坚石80～120900.8～0.99250～40001000.8～1.00300～4500坚石＞12090～1000.8～1.00300～7000注药量以2号岩石石硝铵炸药药为标准；；间距小者者取小值，间间距大者取取大值；节节理裂隙发发育者取小小值，反之之取大值。采用国际标准单单位制时，式(1-15)变为(11-16))式中——线装装药密度，kg/m；———岩体极限限抗压强度度，MPaa；———钻孔间距距，m。图1-9预裂爆破装药量与岩石抗压强度的关系作者对收集到的的国内(主要是水水利水电行行业)一些工程程的预裂爆爆破的装药药量进行了了统计分析析(图1—9)。这些工工程的预裂裂爆破，钻钻孔直径为为90～110mmm，钻孔间间距为90～100cmm。采用式(1—15)计算的装装药量(图1-9中所标实实线)是较为合理理的。从图图1-9中可以看看出：在相相同的岩石石抗压强度度和钻孔间间距条件下下，获得预预裂爆破成成功的是线线装药密度度取值范围围而不是某某一确定值值。作者认认为造成这这一结果的的原因是预预裂爆破效效果评价的的模糊性所所决定的。预预裂缝的不不同宽度,可以使装装药量变化化很大。一般成成功的预裂裂爆破，其其预裂缝宽宽度多在1～10mm范围变动，因因此其合适适装药量也也就是一个个范围。在在合适的装装药量范围围内，如何何选取最佳佳值，只有有在工程实实践中寻找找。图1-9预裂爆破装药量与岩石抗压强度的关系1．5预裂爆破施工1．5．1钻孔预裂爆破实践表表明，预裂裂壁面的超超欠挖和不不平整度主主要取决于于钻孔精度度。可以这这样说预裂裂爆破的成成败60％取决于钻钻孔质量，40％取决于于爆破技术术水平。钻孔质质量的好坏坏取决于钻钻孔机械性性能、施工工中控制钻钻孔角度的的措施和工工人操作技技术水平。以以上三个影影响钻孔质质量的因素素中，尤以以工人操作作技术水平平最为重要要。有时，由由于操作人人员技术不不高，即使使采用些好好设备(操作简便便，使用方方便，可打打任意角度度)，也难以以打出高质质量的炮孔孔。有时，即即使采用一一些性能较较差的设备备，但技术术工人认真真操作，仍仍可打出高高质量的炮炮孔。国内内的钻孔经经验表明，对对于平整的的施工场地地．设置钻钻机移动轨轨道，是打打出高质量量钻孔的一一个非常重重要的技术术措施。目目前，已有有国家研制制生产出保保证钻孔精精度的控制制器，它在在钻孔时能能自动调整整钻孔角度度。预裂孔孔的偏差直直接关系到到边坡面的的超欠挖，控控制钻孔质质量是施工工人员必须须关注的问问题。预裂裂孔的放样样、定位和和钻孔施工工中角度的的控制决定定着钻孔质质量。一般般施工放样样的平面误误差不应大大于5cm。钻孔孔定位是施施工中的重重要环节，对对于不能自自行行走的的钻机，铺铺设导轨往往往是不可可少的；而而对于能自自行行走的的钻机必须须注意机体体定位。钻钻孔过程中中，应有控控制钻杆角角度的技术术措施。在预裂裂面内的钻钻孔左右偏偏差比在设设计预裂面面前后方向向的钻孔偏偏差危害要要小一些。因因为它尚不不致于给超超欠挖带来来过大的影影响，仅仅仅使相邻钻钻孔之间平平面内的不不平整度增增大。在设计计预裂面前前后方向的的钻孔偏差差的危害则则要大得多多，它使壁壁面参差不不齐、波浪浪起伏和造造成超欠挖挖的根源，钻钻孔中要防防止这种偏偏差的产生生。在我国国，预裂爆爆破的钻孔孔深度多在在l5m以内；也也偶有深度度达40余米的情情况。国外外的预裂爆爆破钻孔深深度一般也也都小于115m。过大的的钻孔深度度，易使钻钻孔精度难难以控制而而对其预裂裂爆破效果果不利。天天生桥一级级水电站溢溢洪道一次次成型的预预裂面高222m。它是孔孔深超过15m取得大面积积优良预裂裂面效果的的一个成功功范例。1．5．2药包结构及装药药施工目前。国国内的预裂裂爆破基本本上是采用用连续或间间隔的将药药包绑扎在在导爆索上上的装药结结构形式。所所谓连续装装药结构，是是将25mm、32mm或35mm等直径径的标准药药卷顺次连连续绑在导导爆索上，亦亦可将较大大药卷改装装为细药卷卷后绑在导导爆索上。间间隔装药结结构是将上上述直径的的标准药卷卷或改装药药卷按一定定间距绑在在导爆索上上，同时其其间距值应应通过计算算确定。上上述药卷的的直径与孔孔径之比值值．应取0.25～0.5为宜。制作药药包时，应应合理确定定炮孔内各各不同长度度段的装药药量。炮孔孔底部1～2m范围的装药量应应比计算线线装药时大大l～4倍．其取取值视孔深深而定，深深者取大值值；扣除堵堵塞长度后后，炮孔顶顶部l范围的装装药量约为为计算的线线装药量的的l／2或1／3；炮孔中中部的装药药量采用计计算的线装装药量。装药时时，宜将加加工好的药药串捆在竹竹片上缓缓缓送孔内。在其其下放过程程中，应使使竹片贴紧紧保留岩壁壁一侧。1．5．3堵塞关于预预裂爆破炮炮孔堵塞作作用及相关关机理的系系统研究成成果不多。一一般正常台台阶爆破条条件下，当当炮孔不堵堵塞时，由由于其孔内内轴向压力力大大超过过横向压力力，使得炮炮孔内的部部分气体消消散在孔口口以外的空空间，形成成较强的空空气冲击波波对爆破效效果不利；；欲使空气气冲击波余余压接近于于零，炮孔孔堵塞长度度大约为11倍抵抗线线。预裂爆爆破的炮孔孔装药量大大大小于台台阶爆破孔孔的装药量量，所以它它的堵塞长长度不可能能像台阶爆爆破孔那样样大。对于于预裂炮孔孔的堵塞效效果是以气气体不冲出出炮孔为好好，还是允允许冲出一一部分为好好，目前尚尚无定论。作作者认为，炮炮孔堵塞较较短且堵塞塞得过于密密实时，由由于孔口部部分岩石受受气体上抬抬力的作用用，容易产产生漏斗或或破坏；堵堵塞较大时时，炮孔内内的气体虽虽不冲出，尽尽管增强了了气体作用用时间，但但堵塞段有有时就产生生不了裂缝缝或产生裂裂缝的面质质量很差。过过去，在应应力波干涉涉理论的指指导下，有有人主张预预裂爆破的的炮孔可以以不堵塞，并并在坚硬岩岩石中有时时可以形成成宽度非常常小的缝。事事实上，由由于实践和和理论的发发展，坚持持不堵塞观观点的人已已不多。对对于坚硬完完整岩石中中的预裂爆爆破炮孔的的堵塞没有有软弱、破破碎岩石中中要求得那那样严，是是因为此时时应力波的的作用在其其成缝过程程中占主导导地位。目前，水利水电电行业进行行的预裂爆爆破，堵塞塞物冲出的的情况占大大多数。这这样做的目目的，是使使堵塞段不不要太长，以以保证这一一段不装药药的岩体也也能形成裂裂缝。预裂裂爆破时，对对炮孔进行行适当堵塞塞，尽量延延长爆炸气气体在孔内内的作用时时间对增加加裂缝宽度度是有利的的。目前，常常采用的堵堵塞长度约约为l～2m之间。1．5．4起爆依据预预裂爆破的的理论，为为使应力波波与爆炸气气体作用应应力场在两两孔之间叠叠加，应尽尽量使预裂裂孔同时起起爆。目前前工程中常常用的爆破破材料唯有有导爆索可可基本达到到上述要求求。由于预预裂爆破是是在夹制条条件下的爆爆破，振动动强度很大大，有时为为了防振，可可将预裂孔孔分段起爆爆(图1—10)．一般采用用25ms或50ms延时的毫毫秒雷管。在在分段时，一一段的孔数数在满足振振动要求条条件下尽量量多一些，但但至少不应应少于3孔。实践践证明，孔孔数较多时时预裂爆破破，有利于于预裂成缝缝和壁面整整齐。□——延时接力力雷管○——预裂炮孔孔图1－10预裂孔的分段起起爆当预裂孔与主爆爆区炮孔一一起爆破时时，预裂孔孔应在主爆爆孔爆破前前引爆，其其时间差应应不小于75～110ms。1．6预裂爆破与主爆爆区炮孔的的相互关系系1．6．1预裂缝与松动爆爆破最后一一排炮孔之之间的距离离预裂爆爆破成缝后后，紧靠预预裂缝的一一排深孔爆爆破，既要要将抵抗线线方向的岩岩石破碎并并被推走，又又要能破碎碎和完全带带掉预裂缝缝前的岩石石．同时还还不要破坏坏预裂壁面面。紧邻预裂面的最最后一排爆爆破孔，一一般采用缓缓冲爆破的的方法，即即减小孔径径、减小抵抵抗线、减减小孔距、减减小装药量量。该排炮炮孔到预裂裂面的距离离选取不当当，会导致致爆破效果果恶化；一一般均是通通过工程类类比及现场场试验的方方法合理确确定该值。有关文文献指出；；合适的主主爆破孔至至预裂面的的距离应当当是其炮眼眼间距的一一半，并认认为这是一一条对于各各种直径的的炮眼都适适用的简单单法则。美国康康涅狄格州州公路局规规定．药卷卷直径大于于75mm后，主主体爆破孔孔到预裂面面的距离不不小于3.6m；特殊情情况下，也也不应小于于l.2m。葛洲坝坝工程的爆爆破施工中中，最后一一排主炮孔孔采用1550mm孔径，装55mm直径的的药包，其其距离预裂裂面l～1.5m，装药量量为其他主主爆孔的60％，获得得较好的爆爆破效果。东江水水电站施工工中，最后后一排主爆爆孔的直径径为90～100mmm，药径为80mm，其到到预裂缝的的距离为ll.2～1.5m，装药量量为正常深深孔爆破药药量的l／2，最多不不超过2／3．爆破效效果较理想想。浙江亭下水库施施工中，当最后后一排主爆爆孔的药包包直径为35mm和50mm时，其其到预裂面面的距离分分别取0.6m和0.8m，爆破效效果较好。1．6．2建立破碎带和预预裂光面爆爆破法预裂爆爆破对保留留岩体有一一定损伤，如如果它尚不不危及岩体体的稳定，从从工程意义义说是可以以接受的，可可以说大部部分工程都都是如此,但是，在在某些要求求特别严格格的部位。有有时不允许许对保留岩岩体产生破破坏，必须须采取更严严格的措施施。1．建建立破碎带带如图11—11所示，在在距最终开开挖轮廓线线lm左右的地地方，先初初步预裂一一次。该预预裂孔间距距可以适当当加大．如如达到孔径径的15～20倍．对此此预裂面的的质量不做做过高要求求．只要求求裂开成缝缝。然后再再沿设计轮轮廓线打正正常预裂孔孔进行爆破破，在两条条裂缝之间间造成破碎碎带。图1－ll开挖区边边缘形成破破碎带的示示意图一般，必须在主主爆区爆破破之前进行行建立破碎碎带的爆破破。若建立立破碎带的的爆破需与主爆爆区的爆破破同次进行行时，其起起爆时间应应早于主爆爆孔1000ms以上。在破碎碎带的形成成过程中，最最终轮廓线线的预裂爆爆破，因其前面有有第一次预预裂形成的的粗裂缝，吸吸引爆炸能能量向它发发展，从而而减轻了它它对保留岩岩体的破坏坏。所以，采采用建立破破碎带的办办法较正常常预裂爆破破方法而言言，更有利利于使保留留岩体获得得较好质量量。但是，由由此增加了了部分钻孔孔工作量．．这需要对对被保护物物的重要性性与施工可可行性进行行比较后，再再作出决策策。2．预预裂一光面面爆破法图1－－11中，第一一次预裂后后，沿开挖挖轮廓线打打光爆孔，在在主爆区炮炮孔爆破后后再进行光光面爆破的的方法，即即为预裂一一光面爆破破法。此法法可在中硬硬以上、裂裂隙发育程程度中等的的岩体采用用。它的钻钻孔量较之之破碎带法法略有减少少，同时，因因光面爆破破对保留岩岩体的损坏坏也较预裂裂爆破小，故故其有可取取之处。此法在三峡永久久船闸开挖挖中采用，效效果良好。永永久船闸二二期开挖中中，还采用用施工预裂裂及二次光光爆法。如如图1-12所示，三三峡永久船船闸二期工工程——闸室开挖是是三峡工程程最重要的的开挖部位位之一，为为保证闸室室边墙及保保留岩体的的质量．预预留5m厚的保护护层，并采采甩手风钻钻光爆逐层层开挖该保保护层。3．施工预裂爆破破在同一高程深孔孔台阶爆破破范围较大大而必须实实施分区爆爆破时，先先爆区往往往造成后爆爆区界面的的严重拉裂裂及破坏，致致使后爆区区钻孔及爆爆破困难，从从而延误工工期。若在在爆区分界界面上增设设施工预裂裂爆破工序序，可获得得事半功倍倍的效果。施工预裂爆破因因属临时工工程，可采采取较大孔孔距施爆，孔孔距增大至至l5～20倍钻孔直直径。其他他参数计算算及施工工工艺与正式式预裂爆破破相同。图1－l2三峡工程二期闸闸室开挖示示意图1．6．3预裂缝的超深及及超长1．预预裂孔底以以下开裂深深度合适的的预裂爆破破装药量，均均可使裂缝缝在孔底贯贯穿；有时时预裂缝还还可向下延延伸一段距距离。葛洲洲坝工程中中实测的预预裂缝向下下延伸距离离为0.7m，万安水水电站测到到的数据为为l.5m，东江水水电站测得得的数据为为不小于11.3m。预裂缝缝向底部延延伸的深度度，与炮孔孔装药量，尤尤其是底部部装药量有有较大关系系。以上数数值给我们们一个大体体的数量概概念，可供供施工中参参考。当预裂裂孔底近区区有水平夹夹层或裂隙隙时，预裂裂缝一般就就此止住，不不会再向下下延伸。2．预预裂缝的超超深和超长长设计中中，预裂缝缝的超深和和超长．是是起防止主主爆区爆炸炸应力波和和爆破裂隙隙直达保留留区的作用用。如图1—13所示，预预裂缝的超超深可由式式(1—17)决定(1-17))式中——预裂缝缝超过炮孔孔底的深度度，m;———预裂缝的的总深度，m;———炮孔深深度，m。图1－l3预裂缝的超深值值()及超长()示意图如果预裂缝的超超深值，等等于或大于于主爆孔爆爆破的底部部破坏深度度，那么由由于主爆孔孔造成的破破坏性裂缝缝当然不会会通过预裂裂缝延伸至至保留区。从从防震上讲讲，应力波波绕射到保保留区较之之直达，强强度要减弱弱。一般，预预裂缝的超超深值应大大于1.Om。预裂缝超长值(()的确定大大多采用经经验数据。作作者认为：：为了防止止爆破冲击击波绕过预预裂缝破坏坏保留岩体体，预裂缝缝应该越过过爆破界限限范围以外外7～10m。美国有有人建议预预裂缝的超超长值为l5m。1．7预裂爆破的减震震效果1．7．1预裂缝的减震原原理爆炸应应力波是造造成建筑物物和结构物物破坏的主主要能源．．在岩体内内传播的应应力波有体体波和面波波。体波由由纵波和横横波构成。面波是是沿介质表表面或层面面传播的一一种波。工工业爆破里里，面波往往往是造成成建筑物损损坏的主要要能量。表表面波中最最重要的是是瑞利波，它它引起的质质点运动是是膨胀和剪剪切两种矢矢量的合成成，其轨迹迹是椭圆。大大约在l倍波长深深度以下，面面波的强度度便很小了了。纵波、横横波的衰减比比瑞利波快快，在距爆爆源一定距距离后瑞利利波起着主主要作用。应力波传到界面面后，要产产生反射和和折射，当当纵波垂直直入射时，只只产生一个个反射波和和一个折射射波。在预预裂缝前面面进行爆破破时，产生生的应力波波传到缝面面，可近似似地按垂直直入射考虑虑。当它到到达界面后后．波的一一部分能量量反射回去去，另一部部分能量透透过第二种种介质继续续传播，界界面上应力力的转换可可由下述两两个公式确确定：式中——界面上上的反射波波应力；———界面上的的入射波应力；———界面上的的折射波应应力；——分别为为入射波通通过介质的的密度与波波速；——分别为折射波通通过介质的的密度与波波速。当主爆爆区的应力力波传到裂裂缝面，如如果裂缝具具有一定的的宽度，缝缝内全由空空气充填而而无其他物物质时，由由于空气的的波阻抗值值()对于岩石石的波阻抗值()值而言可可忽略不计计。由上述述式可知＝－＝0这是一一种全反射射现象，即即入射到界界面上的应应力波完全全变成反射射(反号)应力波回传传到主爆区区。这就是是预裂缝能能起减震效效果的理论论解释。当预裂裂缝充水和和充填其他他碎石、土土之类物质质后，由于于其值加大大，增强了了折射作用用，从而减减低隔震效效果。所以以，为了取取得优良的的减震效果果，预裂爆爆破后，应应尽快地进进行开挖区区的爆破工工作．以免免地下水、岩岩粉、碎石石及泥土之之类的物质流流入缝内降降低防震效效果：在有地下水水的地区，应应当尽量降降低地下水水位。1．7．2预裂缝的防震效效果国内水水利水电工工程建设中中，过去多多采用预留留保护层——防震孔法法，防止保保留岩体遭遭受破坏作作用。此法法可以减低低部分爆破破振动影响响，但不能能防止爆破破裂缝在保保留岩体中中的延仲；；且其钻孔孔工作量大大，经济效效益差。预预裂缝则不不同，它既既可截断伸伸向保留区区的爆破裂裂缝，同时时也能起到到比防震孔孔更好的防防震效果。对对于预裂缝缝防震作用用的定量描描述，需通通过现场爆爆破试验获获得。1．预预裂缝与防防震孔减震震效果的比比较葛洲坝坝工程预裂裂爆破试验验时，选择择岩性比较较均一完整整的地区。按按图1—14所示进行行试验布置置：炮孔一一侧按0.6m间距打预预裂孔后进进行爆破形形成预裂缝缝;与其对称称的一侧打打一排或两两排防震孔孔，孔距约约为0.2m，预裂孔孔、防震孔孔与爆破孔孔同深;测点l、测点2、测点3到炮孔距距离相等由上上可知，预预裂孔的钻钻孔量只有有防震孔的的l／3．但是表1－10的测量结结果表明预预裂缝的防防震效果明明显优于防防震孔。从从记录到的的振动波形形看，经过过预裂缝和和防震孔后后的波峰被被削减，变变得比较平平图1－14葛洲坝工工程预裂爆爆破试验布布置示意图图缓，强度度大大减低低，振动周周期加长。一般，预裂缝的的减震作用用与裂缝宽宽度、深度度、长度和和岩石性质质等因素有有关，不能能用同一个个减震百分分率率断定定。2．．通过预裂裂缝的振动动衰减规律律测量通过预裂缝与不不通过预裂裂缝的振动动衰减规律律的对比测测量，可以以定量了解解预裂缝的的减震作用用与效果。图1－15葛洲坝工程预裂裂爆破试验验布置示意意图如图1-15所所示，找一一地质地形形条件大体体类似的地地区钻爆破破孔，分别别按等距离离在炮孔两两侧布置测测点。经过过多次试验验后．整理理出通过预预裂缝与不不过预裂缝缝的衰减经经验公式式式(1-18)、式(1—19)不通过裂缝时(1-188)通过预裂缝时(1-199)式中——垂直向向质点振动动速度．ccm/s;——一响爆破破药量，kkg；———测点至爆爆心距离，m。如表11—11所示，在在实测的值值范围内，对对式(1—18)、式(1－19)的计算结结果进行对对比分析，可可以看出预预裂缝的减减震率由近近及远达到到48.2％～70.8％。表1－10预裂缝、防震孔孔减震效果果观测对比比表无防震预裂缝两排防震孔一排防震孔试验次序药量(kg)距爆破中心的距距离(m)振动速度(cmm/s)削减振动强度((％)振动速度(cmm/s)削减振动强度((％)振动速度(cmm/s)削减振动强度((％)振动速度(cmm/s)削减振动强度(％)13.423.422.352.357.2217.2423.1012.