塑料导爆管在孔桩爆破中的应用

塑料导爆管在孔桩爆破中的应用

塑料导波管目前广泛应用于各种工程中。在城市住房建设中，当孔桩出现量大、周围能耗复杂时，使用塑料导波管可以有效防止外部电和水的影响，但塑料导波管的施工技术和水量较低时可能出现破裂。为此,已有多位学者如钱华等人对塑料导爆管各传爆性能进行了研究。特别是利用高速摄影法研究导爆管各性能已相对较成熟,如赵继波介绍了APX-RS型高速相机在拍摄高速运动物体的应用,李显寅也介绍了此类相机在导爆管爆轰的应用情况。胡升海、张卅卅、廖小翠用高速摄影仪研究了断药、打结对导爆管性能的影响以及导爆管起爆与传播过程的研究,得到各自的结论,其中张卅卅得出导爆管的爆速为1750m/s;胡升海得到了爆轰波至少需要18.5cm才能达到稳定的规律;廖小翠指出最大切缝长度为9~10cm之间。大部分学者都是在试验室内研究导爆管各性能指标,没有结合工程实例以及性能之间的关系。为此,进行了室内试验,研究了导致孔桩内破损(切缝和渗入地下水)状态下导爆管传爆性能的可靠性及相互关系,并结合贵州省贵阳市花果园V区孔桩石方开挖爆破工程实例,对当前存在的问题进行了分析并提出了解决措施。1试验设备及操作试验器材包括:FastcamSA1.1高速摄像机、电脑(XP系统)、同步仪、起爆针、起爆器、塑料导爆管、小刀、数码游标卡尺、注水器、胶布、标准A4白纸等。本次试验的塑料导爆管为贵州久联民爆发展股份有限公司生产的同一批次的同一型号的产品,外观黄色,外径(3.0±0.1)mm,内径(1.5±0.1)mm;核心器材为PHOTRON公司生产的FastcamSA1.1,它拥有百万像素和高灵敏度的成像传感器使得SA1.1可及时捕捉高速运动物体和后期处理影像、慢动作观测、运动分析。本次试验拍摄前设置参数(像素512×128、拍摄速率75000fps、保存JPG图像格式)、黑平衡处理及低照度模式预览拍摄对象后即可正常录摄,拍摄过程中无需强光电源,试验系统及技术路线图如图1所示。仪器与电脑连通后一切操作均在电脑上控制,如图2高速摄影仪连接电脑实例图。事先准备1m导爆管试样若干,用小刀或注射器人工模拟导爆管切缝或含水状态,用胶布将某模拟状态的塑料导爆管两端固定在高速摄影仪三脚架盒子上,中间位置贴有预先用黑笔画满间距1cm的竖线标准A4纸为拍摄背景,利用起爆针连接起爆器起爆。在切缝试验中,完整导爆管重复试验5次;切缝长度初始值设为10cm,以1cm为步长进行试验直至14cm,各切缝长度重复试验5次;注水试验中设初始注水长度为1mm,以1mm为步长直至5mm,同样各注水长度重复试验5次。2试验结果的分析2.1稳定性传爆试验导爆管受到起爆针击发后,与管内壁高能混合炸药化学反应产生爆轰波,能量以波信号形式经过一定时间从不稳定状态达到稳定传爆,完整导爆管一共试验5次,如图3所示完整导爆管某次传爆瞬时图。任取两次(A、B)作为计算稳定传爆的数据来源。设A次201.347ms时刻、B次78.507ms时刻为起始点,位移为0,计算传爆速度,时刻间隔1/75ms,拍摄背景为1cm间距的标准刻度A4纸,以传播光信号头部亮区移动距离预估位移,具体见表1,得出正常传爆平均稳定爆速为1650m/s。由于试验使用的导爆管不同,各性能有一定的差异导致与张卅卅、胡升海的结论稍有不同。研究导爆管受损(切缝和注水)试验中,爆轰波抵达特定受损点前必须达到稳定爆速,否则将影响试验结果。2.2测试结果及分析对五种切缝长度的导爆管各进行5次重复试验,可通过导爆管变色或图片光信号分析是否成功传爆,见表2。当切缝长度在11cm以内时均传爆成功;12cm时有三次成功传爆、两次失败;达到13cm以上必断爆,显然,导爆管切缝产生断爆的临界值为12cm。如图4所示12cm切缝5次试验图,列举高速摄影仪五次拍摄图片,每一排为一次拍摄图,每幅间隔0.04ms,一排取7幅,共35幅。第一、二、四次均传爆成功,第三、五次传爆失败。产生波动的原因可能是导爆管储存、运输过程中碰撞颠倒导致内壁混合炸药分布不均或人为切割过程中切缝不直导致实际长度误差所致。在12cm切缝试验中任选一次成功传爆(第四次)为例,计算传播过程爆速,设70.147ms为起始时刻,以1/75ms为步长计算位移及速度变化,具体如表3所示。在70.293ms时,传播速度为525m/s,为传爆的最低值,定为断爆爆速临界值。由于高能混合炸药分布不均及管壁破裂泄露高能爆轰气体,爆轰波传至切缝起始端时冲击波的正常传播受到阻碍,若管内爆轰波传播最小速度低于断爆爆速临界值必产生断爆现象,超过此值可经过一段时间恢复到稳定爆速,同理,起爆针击发导爆管时必须达到或者超过断爆爆速临界值。2.3m模型下自然金属浇注试验结果注射器插入导爆管时,不能刺穿导爆管壁,严格控制注水长度,如图5注水长度控制图。注水长度的控制是减小试验误差的关键所在。当注水长度达1mm时,5次传爆中有两次成功传爆、三次断爆;2mm以上时,5次全部断爆,可判断出注水长度达2mm以上必断爆。如图6所示1mm注水试验成功传爆图,图7所示2mm注水试验未成功传爆图,间隔时间均为0.04ms,各取八幅。由图6可见,爆轰波于第三幅图抵达注水点附近,但在第四幅图中注水点并未出现明显的光能量减弱现象,注水点于第五幅图开始出现明显的弱光间隔,随着时间增大间隔越明显。由图7可知,爆轰波于第三幅图同样抵达注水点附近,但随后的光能量减弱较快,第四幅图开始在导爆管注水点外壁溢出光能量,可见注水长度越大时,损失爆轰能量也越大,产生断爆的可能性也越大。3对拒绝爆炸的例子的分析和相关措施3.1塑料导爆管雷管起爆难点分析贵阳市花果园V区孔桩石方开挖爆破工程,孔桩N=500个,直径D=2.0~3.0m,最大挖深H=15~20m,炮孔直径d=36mm,炮孔孔深h=0.5~3m,石方量暂定为5000m3,使用ue78832乳化炸药。该工程岩石为中风化层白云岩,普氏系数f=8~10。在施爆区域西、北范围内有临时用房,同时在爆区50m范围内人群密集且施工用电复杂,开挖深度达8m以上绝大部分孔桩将出现不同程度的涌出水。为确保人员安全和相邻构建物不被破坏,保证孔桩护壁支护和基底岩石完整,松动爆破满足人工除渣要求,采用塑料导爆管雷管起爆方式。施工过程中,多次出现导爆管拒爆现象(预计高达40%以上),首先检查起爆网路完好再接雷管重新起爆,可是仍然出现拒爆现象,然后将炮孔内填塞物掏出,抽出导爆管发现塑料导爆管与雷管接口连接良好,塑料导爆管传爆终止在约为2cm左右的缝隙破裂(变黑)处且此处有水渗入的迹象。3.2导爆管断爆、起爆系统拒爆的关系这种情况可能由以下几点造成:1导爆管出厂自身质量问题导致,如雷管接口不牢或导爆管管壁有破损;2施工工艺欠佳,如填塞石料选用较坚硬且块度较大有锋利棱角的石料或填塞过程中导爆管与孔壁有一定夹角导致炮杆压紧石料时冲击破损导爆管以及孔壁个别岩石突出尖锐状物损伤导爆管;3贵阳属于亚热带高原季风湿润气候,雨水与地下水均较多,即使数日连续不降雨随着开挖深度加大地下涌出水量也越大。以上原因分析中,第一点发生的概率远小于后两者,也可通过施工前认真检查爆破器材质量降低发生的可能性,后两点是导爆管断爆、起爆系统拒爆的主要原因。第二点原因中,使用的填塞材料不符合《爆破安全规程》以及施工工艺不当使导爆管管壁出现2cm左右的切缝,根本不会影响导爆管的正常传爆,且工程中出现12cm的缝隙概率几乎为零,所以切缝是起爆系统产生拒爆的诱导因素。试验结果可知注水长度2mm以上发生断爆,导爆管内径仅(1.5±0.1)mm,孔内积水一旦渗入导爆管形成的注水长度绝大部分超过2mm。第三点原因是本工程产生拒爆的主导因素。可见,本工程施工中由于误操作导致导爆管产生2cm左右的缝隙不是拒爆的主要原因而是缝隙中渗入的积水,两个因素有主次之分且相互作用不可分割。3.3加强孔口教育,正确消除导爆管周围典型缺陷,是爆破人员保证因此,在装药填塞过程中,需要确保导爆管完整无缺,避免因装药填塞过程产生的机械冲击对导爆管产生破损是减小本工程此类问题的重点。针对本工程采取的措施如下:1装药前首先仔细检查爆破器材质量,特别是导爆管接口是否牢固以及管壁有无破损;2孔桩内布孔时一般采用的是手持式凿岩机,钻孔质量与工人操作水平密切相关,应加强钻孔工人技术水平培训,尽可能减小孔壁周围凹凸不均且有锋利突出物出现的现象;3为了减小炮孔直径过小对导爆管摩擦损伤,钻孔钎具直径由ue78836mm更换为ue78840mm,增大炮孔直径有助于减小装药过程中对导爆管的损伤;4提前用水泵将孔桩内涌出水抽干,爆破人员装药前先用足够长度的塑料管尽可能的抽出炮孔内积水,减小积水渗入破裂导爆管的几率;5炮孔填塞前先将导爆管固定到孔壁,减小导爆管与孔壁的夹角,有效降低炮杆在填塞过程中对导爆管的冲击;6装药后马上填塞,单个孔桩装药完成后立即覆盖防护物起爆,以防地下涌出水渗入导爆管;7爆破人员在装药过程中用炮杆将装有塑料导爆管的炸药缓慢匀速送达孔底,填塞物尽量选择细砂石或泥土,避免较锋利的大碎石作填塞物以及填塞过程中避免对导爆管的损伤。经过这一系列措施整改后,拒爆率从大约40%以上降至约5%左右,大大减小了盲炮事件的发生率、提高准爆率,减小安全隐患和施工难度,为相类似工程提供了指导意义。4特定受损状态本试验利用高速摄影法研究导爆管破损(切缝和渗入地下水)状态下传爆性能及相互作用关系,得到如下结论:(1)导爆管厂家不同,各性能有一定的差异。本次试验所导爆管的稳定爆速为1650m/s,为减小试验误差,研究导爆管特定受损状态试验中,爆轰波抵达特定受损点前必