龔 敏,吳昊駿,孟祥棟,李永強(qiáng)

(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院,北京 100083; 2.重慶城建集團(tuán)有限責(zé)任公司,重慶 400013; 3.重慶巨能建設(shè)集團(tuán),重慶 404100)

密集建筑物下隧道開(kāi)挖微振控制爆破方法與振動(dòng)分析*

龔 敏1,吳昊駿1,孟祥棟2,李永強(qiáng)3

(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院,北京 100083; 2.重慶城建集團(tuán)有限責(zé)任公司,重慶 400013; 3.重慶巨能建設(shè)集團(tuán),重慶 404100)

為適應(yīng)城市密集建筑物下隧道爆破對(duì)振動(dòng)的高安全要求,研究用普通爆破器材進(jìn)行振速精確控制的爆破技術(shù)和參數(shù)確定方法。以渝中隧道為研究背景,在開(kāi)發(fā)準(zhǔn)確延時(shí)非電雷管的基礎(chǔ)上,利用傅立葉函數(shù)和 MATLAB軟件擬合了不同藥量單孔爆破振動(dòng)波形,分析了1~50 ms不同間隔下振動(dòng)疊加的量化數(shù)據(jù);討論了各微差間隔時(shí)間的降振效果;在指定振速的情況下,確定單孔藥量和微差起爆時(shí)間;實(shí)測(cè)并分析了現(xiàn)場(chǎng)使用雷管各段微差間隔特點(diǎn),據(jù)此進(jìn)行針對(duì)性的爆破設(shè)計(jì)和采用逐孔掏槽爆破進(jìn)行振速控制?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明:隧道爆破振速始終小于1.00 cm/s,在此振速下避免振動(dòng)疊加 的最優(yōu)單 孔 藥量為1.2 kg,爆 破振速峰 值 位 于主掏槽的第1段或第2段雷管起爆后,且與理論分析結(jié)果吻合較好;逐孔起爆60 ms后振速下降50%以上。研究表明:在高安全指標(biāo)下,以非電雷管實(shí)施精確控制爆破是可以實(shí)現(xiàn)的。

爆炸力學(xué);降振;逐孔掏槽;隧道開(kāi)挖;精確控制;振動(dòng)疊加;爆破

城市隧道開(kāi)挖的特點(diǎn)是周圍有密集的建(構(gòu))筑物群,隨著安全與環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng),對(duì)爆破振動(dòng)控制的要求更嚴(yán)格,有些要求已遠(yuǎn)高于現(xiàn)有安全規(guī)程。眾所周知:振速越低,爆破控制越難。在嚴(yán)苛條件下,甚至一些隧道只能以非常規(guī)進(jìn)尺(數(shù)10 cm)和 多次爆 破開(kāi)挖[1-3],效 率很低 。 除 電 子 雷 管 一 定 程 度 上 可以滿足要求外[4-5],在 高安全 指標(biāo)下 如何以 常規(guī)器 材精確 控制振 動(dòng)是城 市隧道 開(kāi)挖中 普遍存 在并 急 待 解決的課題。

高安全要求下隧道爆破精確控制的難點(diǎn):首先在于,低振速必定要求分段藥量較小,但普通雷管段數(shù)不夠,迫使掏 槽多為 同時(shí)起 爆[6-8],逐孔爆 破在振 動(dòng) 控 制 較 嚴(yán) 的 城 市 隧 道 爆 破 中 很 難 實(shí) 現(xiàn);其 次,低 振速與進(jìn)尺間的矛盾難以調(diào)和;另外,低振速下,爆破參數(shù)如掏槽孔數(shù)、單孔藥量、微差間隔時(shí)間等尚無(wú)較好的確定方法。

起爆時(shí)差與振動(dòng)的關(guān)系是近來(lái)研究的熱點(diǎn):陳士海等[9]分析了子信號(hào)在不 同 微 差時(shí)間下振動(dòng) 疊 加和合理降振時(shí)差,用一個(gè)振動(dòng)波模擬不同藥量的變化,發(fā)現(xiàn)2單段信號(hào)的振動(dòng)特性越接近,降振效果越好;趙明生 等[10-11]探 討了基 于礦山 臺(tái)階爆破單段 波形 的 振 動(dòng) 合 成。但 以 上 文 獻(xiàn) 均 沒(méi) 得 到 可 在 現(xiàn) 場(chǎng) 應(yīng) 用的較系統(tǒng)而明確的隧道爆破參數(shù)。還有學(xué)者認(rèn)為按單孔振動(dòng)半周期或大于半周期[12-13]設(shè) 計(jì)起爆 時(shí)差可有效降振,這些仍有待進(jìn)一步探討。至于安全振速與相鄰段微差起爆最大、最小間隔的關(guān)系,在實(shí)際隧道爆破中的量化研究還未見(jiàn)報(bào)道。

本文中,在使用常規(guī)爆破器材的條件下,試圖為密集建筑群下爆破振動(dòng)的精確控制探索一些可行的辦法。以重慶渝中隧道為背景,研究其爆破技術(shù)和確定關(guān)鍵參數(shù),并分析逐孔起爆的振動(dòng)特點(diǎn)。

1 研究背景

為使研究具有普遍性,選擇地面建筑物密集且振速控制嚴(yán)格的重慶渝中連接隧道作為研究背景。目前在建的渝中連接隧道位于重慶最繁華的商業(yè)中心渝中區(qū)解放碑,地面高樓密集,間隔很小,地下有人防洞室,隧道頂板與正在運(yùn)營(yíng)的地鐵1號(hào)線底板相切,環(huán)境復(fù)雜。右洞設(shè)計(jì)上下臺(tái)階開(kāi)挖,斷面尺寸為11.52 m×9.57 m。隧道爆破時(shí),全程要求地面振速在1.00 cm/s以下(局部0.50 cm/s),采用常規(guī)方法爆破,振動(dòng)控制較困難。

2 根據(jù)雷管延時(shí)特點(diǎn)的掏槽設(shè)計(jì)和起爆段位確定

現(xiàn)在工程爆破中,普遍采用非電雷管的名義段別進(jìn)行設(shè)計(jì),而不是根據(jù)雷管的實(shí)際間隔特點(diǎn),這往往是爆破精準(zhǔn)控制無(wú)法實(shí)現(xiàn)的重要原因。在不使用電子雷管的條件下,要利用一般爆破器材實(shí)現(xiàn)嚴(yán)苛振速控制,必須利用現(xiàn)有技術(shù)避免雷管串段,解決雷管分段不足及精度問(wèn)題。為此,與廠家合作開(kāi)發(fā)2.2 s內(nèi)25段不串段雷管(編號(hào)28段),這為根據(jù)雷管微差間隔特點(diǎn)分段和掏槽逐孔精確爆破奠定了基礎(chǔ)。

為獲取各段雷管N的實(shí)際微差起爆時(shí)間,在每段雷管中選10個(gè)樣本進(jìn)行起爆時(shí)間實(shí)測(cè),圖1是各段雷管最大、最小延時(shí)時(shí)間曲線。第1~18段雷管起爆時(shí)間在500 ms以內(nèi),段內(nèi)最大、最小起爆時(shí)間相差較小;第21段雷管后同段起爆時(shí)間誤差較大,這是由延期藥的 特 性 決 定 的[14]。 但 所 有 雷 管 均 無(wú) 串段,相鄰段雷管最小起爆時(shí)間間隔(后一段雷管所有測(cè)試樣本的最小值減去前段樣本內(nèi)的最大值)是第9~10、13~14段雷管的6 ms。

上述雷管段數(shù)增加且不串段是實(shí)現(xiàn)掏槽逐段爆破的關(guān)鍵,這也是過(guò)去用非電管較難完成的。由于前10段雷管中最小段差是第9~10段的6 ms,為避開(kāi)主掏槽起爆在第9段內(nèi),初步設(shè)計(jì)八孔斜眼逐段掏槽。鑒于輔助掏槽時(shí)新自由面已形成,采用短間隔逐孔起爆并以第11段作為輔助掏槽的開(kāi)始段。圖2為實(shí)測(cè)雷管相鄰各段ΔN最小間隔及根據(jù)其特點(diǎn)進(jìn)行的掏槽孔設(shè)計(jì),經(jīng)計(jì)算得知,2次爆破即可完成上臺(tái)階掘進(jìn)。

圖1 雷管各段微差起爆時(shí)間Fig.1 Time detonated for every period of the detonators

圖2 雷管相鄰段最小間隔時(shí)間與渝中隧道掏槽分段設(shè)計(jì)Fig.2 Minimum interval time of adjacent periods of detonators and design of detonating time for cut blasting

3 掏槽藥量的確定方法和不同微差間隔降振研究

藥量的確定方法:現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定不同藥量單孔爆破振動(dòng)波形,將曲線分不同微差時(shí)間逐一疊加,分析振動(dòng)效果,獲取安全振速下最大單孔藥量和疊加消振時(shí)間段,再將爆前實(shí)測(cè)的雷管各段延時(shí)范圍與之關(guān)聯(lián),最后確定藥量。

3.1 單孔爆破振動(dòng)的標(biāo)定與掏槽藥量范圍

在隧道現(xiàn)場(chǎng)按1.4、1.2、1.0、0.8、0.6 kg等 5 種 藥 量分次單孔單自由面爆破,每一藥量進(jìn)行5次實(shí)驗(yàn),典型振動(dòng)曲線見(jiàn)圖3。測(cè)試結(jié)果表明:每種藥量振動(dòng)峰值變化不超過(guò)13%,主頻變化不超過(guò)20%。圖3取自最接近各組測(cè)試數(shù)據(jù)均值的波形。表1是不同藥量m單孔爆破振動(dòng)峰值的比較。當(dāng)藥量 從1.4 kg降 到1.2 kg,爆 破 質(zhì) 點(diǎn) 振 動(dòng) 峰 值速度vm下 降 24%;當(dāng) 藥 量 從1.2 kg降 到1.0 kg,則vm下降59%。少于1.2 kg的單孔藥量下振動(dòng)衰減較快。

由表1可知:1.0 kg藥量下峰值振速為0.23 cm/s,疊加最大振速不可能超過(guò)1.00 cm/s;若定單孔藥量1.0 kg時(shí)振速不超標(biāo),藥量過(guò)于保守。1.2和1.4 kg藥量下單孔振動(dòng)峰值均超過(guò)0.50 cm/s,最大疊加值有可能超過(guò)1.00 cm/s;如果分清超標(biāo)的微差時(shí)段且能避開(kāi),就可增加單孔藥量。因此,在單孔藥量1.2、1.4 kg的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步研究不同振動(dòng)疊加過(guò)程后,確定藥量。

表1 不同藥量下的單孔起爆峰值Table 1 Maximum vibration superposition velocity by single-hole blasting with different charges

圖3 不同藥量下單孔單自由面爆的破振動(dòng)波形Fig.3 Vibration waves formed by single-hole,single free-face blasting with different charges

3.2 不同起爆間隔振動(dòng)疊加分析

3.2.1 實(shí)測(cè)振動(dòng)曲線的擬合

為方便各種條件下不同間隔時(shí)間振動(dòng)速度的疊加計(jì)算,需對(duì)實(shí)測(cè)曲線進(jìn)行擬合。爆破振動(dòng)信號(hào)是非周期函數(shù),將實(shí)測(cè)離散數(shù)據(jù)采用傅立葉函數(shù)形式擬合爆破振動(dòng)波,特別復(fù)雜的波形用多段函數(shù)擬合。用 MATLAB軟件擬合的函數(shù)形式為:

式 中 :a0、ai和bi隨 藥 量 不 同 而 不 同 ;x為 時(shí) 間 。

對(duì)1.2、1.4 kg炸藥爆炸下測(cè)點(diǎn)振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,考慮到擬合效果,前者用單段擬合(取前400個(gè)離散點(diǎn),時(shí)長(zhǎng)100 ms),后者采用分段擬合(取前320個(gè)離散點(diǎn),時(shí)長(zhǎng)80 ms,第100個(gè)離散點(diǎn)處分為2段)。這2種藥量下的爆炸振動(dòng)擬合結(jié)果為:方差在0.061以下,相關(guān)度在0.995以上。

3.2.2 不同微差起爆時(shí)振動(dòng)疊加效果影響研究

一般隧道測(cè)點(diǎn)到爆源的距離相對(duì)于炮孔孔距大得多,如果掏槽孔裝藥量相同,則可認(rèn)為是同一爆源在不同時(shí)間起爆,且振動(dòng)參數(shù)相同。本文中分析影響最大的豎直方向振動(dòng),則其矢量和簡(jiǎn)化為代數(shù)和:

式 中 :f(t)為 質(zhì) 點(diǎn) 在 振 動(dòng) 方 向 的 總 振 速 ;fi(t)為 第i列 波 在 該 質(zhì) 點(diǎn) 處 引 起 的 振 速 ;t為 時(shí) 間 。

模 擬 振 動(dòng) 時(shí) 長(zhǎng)tm,如 采 用 分 段 擬 合 ,t1為 分 段 時(shí) 間 ,由 此 1.2 kg 炸 藥 爆 炸 下 的 振 動(dòng) 疊 加 公 式 為 :

式 中 :f(t) 為 全 段 曲 線 公 式 ,f( t-Δt) 為 間 隔 時(shí) 間 D t后 的 曲 線 公 式 ,tm=100 ms。1.4 kg炸藥爆炸下的振動(dòng)疊加公式為:

式 中 :f1(t)為 第 1 段 曲 線 公 式 ,f2(t)為 第 2 段 曲 線 公 式 ,f1(t-D t)以 及 f2(t-D t)為 間 隔 時(shí) 間 D t后 的曲 線 公 式 ,公 式 形 式 與 1.2 kg 裝 藥 時(shí) 類 似 ,tm=80 ms,t1=25 ms。

依據(jù)上述2種藥量單孔爆破振動(dòng) 疊 加 公 式 (3)~(4),利 用MATLAB軟件計(jì)算得到2種藥量以每間隔1 ms為增量、不同時(shí)間間隔下波疊加形成的正負(fù)最大峰值,如圖4所示。由于微差間隔大于40 ms后最大疊加振速均低于1.00 cm/s控制指標(biāo),因此只畫出間隔時(shí)間為1~40 ms的振動(dòng)疊加變化,先爆孔不參加疊加的部分圖中未表示。在v軸用水平線表示單孔峰值。圖中以不同標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)點(diǎn)代表振速增、減(以單孔峰值為增減標(biāo)準(zhǔn),大于1.00 cm/s為超標(biāo))情況,特別標(biāo)明第1~2段雷管起爆間隔的區(qū)間為 29~40 ms(根 據(jù) 圖 1 做出),以方便單孔藥量的確定。

根據(jù)圖4,全程疊加振速最大處位于雙孔同時(shí)起爆及附近小間隔時(shí)間內(nèi),1.2 kg藥量的 最 小疊加振速是在二分之一周期T/2處(圖4(a)為12.5 ms),1.4 kg藥量 的 最 小 振 速 則 不 在 T/2 (4.5 ms)微 差 時(shí) 間;總 體 上,起爆間隔越大,振速越低,大多不超過(guò)1.00 cm/s,但有波動(dòng),不一定小于單孔峰值振速。

圖4 1.2和1.4 kg藥 量下在 不同 微差時(shí) 間起 爆疊加 振動(dòng) 峰值Fig.4 Variation of maximum superposition vibration velocities with millsecond blasting interval time for the charge of 1.2 and 1.4 kg

2種藥量下,振動(dòng)疊加也有較大差異:裝藥 1.2 kg 時(shí),起爆 間隔大于 3 ms后,振速 均不超 過(guò)1.00 cm/s的安全指標(biāo);但裝藥1.4 kg時(shí),有起爆間隔為31 ms時(shí)振速超過(guò)1.00 cm/s的情況。

針對(duì)半周期間隔起爆消振,分析了1.2、1.4 kg等2種藥 量 半 周 期起爆振動(dòng) 波 形,為節(jié)省篇幅 僅 列出1.4 kg藥量下炮孔起爆間隔4.5 ms(第1個(gè)半周期)時(shí)的振動(dòng)波形(圖5),其中虛線部分波形為先起爆未參加疊加的部分,實(shí)線部分為疊加后的振速,計(jì)算得到的疊加峰值見(jiàn)表2。

圖5中A區(qū)5~10 ms疊加波形變化較大是由前后半周期、半周期內(nèi)振速及變化趨勢(shì)不同造成的。A區(qū)2波疊加過(guò)程局部放大圖清楚地表達(dá)了2波疊加時(shí)各自的變化趨勢(shì)。

從圖4 可看出:1.2、1.4 kg等2種單孔裝藥起爆時(shí)差大于半周期以上,其疊加振速超過(guò)單孔振動(dòng)峰值均較普遍。

由 表 1~2 可 知:1.2 和1.4 kg裝 藥 以 T/2 微 差 間 隔 時(shí)間起爆后,無(wú)論正向還是負(fù)向的疊加峰值均小于疊加前的單孔振動(dòng)峰值,1.4 kg藥 量 下 疊 加 后 峰值衰減并不像1.2 kg藥量時(shí)明顯。尤其是對(duì)于主周期較短、負(fù)向振動(dòng)衰減較慢的情況,降振效果有限,如1.4 kg藥量的情況下較負(fù)向單孔振動(dòng)峰值僅下降5%。需要指出:盡管以半周期間隔起爆可以減振,但從圖4(b)可知,它不是最小值0.33 cm/s(Δt =7 ms),超過(guò)半周期起爆仍可能超 過(guò) 安 全 振速,如 Δt=7~ 13 ms,而在現(xiàn)場(chǎng)嚴(yán)格按半周期起爆是很難做到的。

表2 不同藥量間隔半周期起爆疊加振動(dòng)峰值對(duì)比Table 2 Maximum vibration at different charge detonated delay T/2

圖5 1.4 kg炸藥起爆間隔二分之一周期時(shí)的疊加振動(dòng)波形Fig.5 Vibration superposition curves at 1.2 kg charge detonated delay half period of blasting vibration

3.3 掏槽孔藥量和循環(huán)進(jìn)尺的確定

將圖4的不同微差段疊加振動(dòng)峰值與圖1實(shí)測(cè)雷管各段延時(shí)間隔范圍關(guān)聯(lián),作圖6。圖6中縱坐標(biāo)為疊加振速值,橫坐標(biāo)是起爆間隔時(shí)差;實(shí)線橢圓區(qū)是振速超過(guò)1.00 cm/s的相鄰段微差間隔時(shí)間,虛線橢圓區(qū)是振速超過(guò)該藥量單孔起爆振速峰值但小于1.00 cm/s的起爆時(shí)差。圖6(a)是1.4 kg裝藥不同時(shí)差起爆疊加振速與各相鄰段起爆時(shí)段的關(guān)系圖,圖中振速超過(guò)1.00 cm/s的共有3個(gè)時(shí)段,即當(dāng) 起爆時(shí) 差在0~3、9~13、31 ms時(shí) 疊加后 振速一 定超過(guò) 控制振 速。第6~7段雷管爆炸引起的振動(dòng)疊加速度將在起爆間隔9~13 ms時(shí)超標(biāo);第1~2、2~3、3~5段雷管爆炸引起的振動(dòng)速度在微差時(shí)間為31 ms時(shí)可能超標(biāo)。由于樣本測(cè)試數(shù)據(jù)存在一定誤差,與其他相鄰段也存在振速超標(biāo)的可能,所以采用1.4 kg單孔藥量無(wú)法控制要求的振速指標(biāo)。

從圖6(b)可知:1.2 kg裝藥下雷管爆炸引起的振動(dòng)速度只在微差間隔3 ms內(nèi)超過(guò)1.00 cm/s,其余時(shí)間段不超標(biāo)。其中第1~2、2~3、3~5、5~6(因最小時(shí)差已超42 ms,圖中未表示)、6~7段起爆時(shí)差都有部分超過(guò)單孔峰值,也有部分時(shí)差低于單孔峰值,但均不超過(guò)1.00 cm/s控制標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)圖2可知,用于掏槽爆破的前9段段間最小起爆間隔是11 ms,因此選用1.2 kg單孔藥量可以 保證振速不超標(biāo);結(jié)合圖6(b)中雷管實(shí)際間隔內(nèi)疊加振速最大 不 超 過(guò) 0.64 cm/s,與1.00 cm/s振速相比,有足夠的安全系數(shù)。

考慮到單孔單自由面爆破波形有一定離散性,將5次1.2 kg裝藥單孔爆破分別進(jìn)行上述振動(dòng)疊加分析,超標(biāo)最大微差間隔為5 ms,仍在安全范圍內(nèi)。為節(jié)省篇幅,不再列出其振動(dòng)疊加圖。

綜上分析,掏槽單孔裝藥最終確定為1.2 kg,這樣將確保控制振速低于1.00 cm/s。

當(dāng)藥量取1.2 kg時(shí),依據(jù)掏槽孔(55~60)%的裝藥系數(shù),孔深可取2.0 m;按掏槽水平角65°設(shè)計(jì)進(jìn)尺大于1.8 m,這在高安全指標(biāo)下是一個(gè)較理想的進(jìn)度。

圖6 雷管各段間隔時(shí)間與圖4振速超過(guò)單孔峰值時(shí)間段的比較Fig.6 Interval times of adjacent periods for detonators compared with ones at which the superposition vibration velocity is greater than the maximum vibration velocity by single-hole blasting in Fig.4

4 現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證與逐段爆破振動(dòng)特點(diǎn)分析

4.1 振動(dòng)控制應(yīng)用效果

將以上確定的爆破參數(shù)嚴(yán)格按要求用于渝中連接隧道爆破施工,首次實(shí)現(xiàn)非電雷管逐孔逐段掏槽爆破,達(dá)到了全程微振控制目標(biāo)。在4個(gè)月爆破施工中,每循環(huán)進(jìn)尺1.8~2.0 m,爆破振速均小于1.00 cm/s控制指標(biāo),大多數(shù)振動(dòng)不超過(guò)0.80 cm/s。圖7給出了掏槽所在1區(qū)典型爆破振動(dòng)曲線,根據(jù)各段延時(shí)范圍在圖中標(biāo)出了主掏槽區(qū)、輔助掏槽區(qū)、擴(kuò)槽區(qū)和周邊眼區(qū)。

4.2 掏槽區(qū)振動(dòng)分析

現(xiàn)場(chǎng)100余次爆破振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)表明:掏槽爆破是爆破全程振動(dòng)峰值所在區(qū),也是振動(dòng)分析的重點(diǎn)。逐段爆破由于爆破間隔時(shí)間短,其振動(dòng)波形圖與以往非電雷管有很大不同,與電子雷管爆破振動(dòng)曲線相比也有自己的特點(diǎn),因此,同樣有必要探討其小間隔起爆振動(dòng)規(guī)律。

圖7 1區(qū)爆破振動(dòng)波形Fig.7 Vibration wave curve in the first area blasted

圖8是同一區(qū)間上臺(tái)階爆破時(shí)提取的5次掏槽振動(dòng)曲線,從圖中可以看各次掏槽爆破振動(dòng)有一些共同特征:爆破振動(dòng)的主周期在25~ 37 ms之間,振速在0.80~0.50 cm/s波動(dòng);起爆60 ms后振速急劇下降。為表達(dá)清楚和進(jìn)一步詳細(xì)分析,將3月16日的掏槽爆破振動(dòng)曲線單獨(dú)作圖(圖9)。

圖9中爆破振動(dòng)主周期為29 ms,C點(diǎn)為主周期結(jié)束點(diǎn)。根據(jù)圖1得第2段起爆時(shí)間為31~41 ms,因此第1段主周期內(nèi)完全沒(méi)有參加疊加,這從圖9也可看出;由圖分析第2段起爆時(shí)刻應(yīng)非常接近起爆33 ms時(shí),此時(shí)第1段起爆尾波與第2段起始振動(dòng)疊加使波形發(fā)生了畸變,另外第2段峰值也與圖5中第1~2段起爆間隔21~35 ms疊加振速減弱趨勢(shì)一致。

D點(diǎn)是以第2段為主的振動(dòng)疊加的波峰,由于第3段起爆時(shí)間為62~66 ms,又根據(jù)圖8可知其他4次振動(dòng)峰值相應(yīng)時(shí)刻均在55 ms以內(nèi),因此可以判定這是第2段的另一個(gè)波峰。

一個(gè)非常重要的現(xiàn)象是,全部振動(dòng)數(shù)據(jù)均表明:60 ms以后振速發(fā)生了顯著下降,如圖9中全場(chǎng)振動(dòng)峰值為0.69 cm/s,60 ms以后最大振動(dòng)為G點(diǎn)的0.33 cm/s,較最大值下降50%,說(shuō)明此時(shí)第2臨空面一定形成。因?yàn)榈?段后續(xù)各孔爆破時(shí)各相鄰段微差間隔范圍、藥量等與前2段并沒(méi)有根本變化。

依據(jù)以上分析,掏槽爆破第2臨空面形成當(dāng)在50~60 ms,它對(duì)控制振動(dòng)有主導(dǎo)作用,在其形成后振動(dòng)疊加對(duì)振速的影響已居于次要地位,如第6~7段間最小微差時(shí)間為11 ms(144~155 ms),是掏槽各段間微差間隔最小的時(shí)段,從圖9對(duì)應(yīng)時(shí)段看振速也很低。因此第2段以后微差時(shí)間沒(méi)有必要大于50 ms,振速即可大幅降低,這對(duì)相鄰段間微差時(shí)間的選擇是有意義的。

根據(jù)國(guó)外 學(xué)者建 議[15],隧道微 差爆破 在考慮 降振時(shí) 時(shí)差宜 大于50 ms以 上。而 從 本 文 3.3 節(jié) 研 究結(jié)果看:在一定安全振速要求下,微差起爆的疊加振速與不同單孔藥量、不同微差間隔時(shí)間有關(guān)聯(lián)關(guān)系。如從圖6可知第1~2、2~3段起爆微差間隔范圍都小于 40 ms,在 1.2 kg單孔藥量振速不超標(biāo),但在1.4 kg藥量下超標(biāo),同樣證明在一定微差間隔時(shí)間范圍內(nèi),爆破降振并不單純是以微差間隔時(shí)間大于50 ms就可決定的,還需要結(jié)合微差爆破疊加振速的具體情況進(jìn)行分析。

圖8 掏槽爆破振動(dòng)波形Fig.8 Vibration wave curves for serial cut blasting

圖9 典型掏槽爆破振動(dòng)分析Fig.9 Representative vibration wave curves for cut blasting

5 結(jié) 論

(1)以實(shí)測(cè)雷管各段準(zhǔn)確延時(shí)范圍為基礎(chǔ),針對(duì)各段不同間隔時(shí)差特性進(jìn)行掏槽設(shè)計(jì)和分段設(shè)計(jì);突破了按雷管名義段別設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)做法;隧道掏槽實(shí)現(xiàn)不跳段逐孔起爆。這些對(duì)于城市隧道爆破振速精確控制具有重要意義。

(2)提供了一種隧道控制爆破選擇單孔藥量的新方法。即在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試不同藥量單孔單自由面爆破振動(dòng)數(shù)據(jù),利用傅立葉函數(shù)擬合得到各藥量下不同微差間隔(以1 ms為增量)爆破形成的疊加振速值,并將其與爆前實(shí)測(cè)的各雷管相鄰段最大、最小延時(shí)時(shí)間相關(guān)聯(lián),以此確定單孔起爆藥量。采用這一方法確定的藥量比根據(jù)薩氏公式計(jì)算得到的藥量更準(zhǔn)確,可為今后進(jìn)行相關(guān)研究提供參考。

(3)掏槽逐孔逐段爆破中,第1段或2段雷管起爆后均有可能是全程爆破振動(dòng)峰值所在時(shí)段。起爆60 ms后必將形成第2臨空面,因此其形成時(shí)間為50~60 ms。第2臨空面形成后,所有時(shí)間段對(duì)應(yīng)振速較最大振速值下降50%以上,對(duì)爆破振動(dòng)降振起主導(dǎo)作用,此時(shí)即使振動(dòng)疊加對(duì)振速的影響也較小。

(4)一般情況下,起爆時(shí)差為半周期時(shí)疊加振速大多小于單孔振動(dòng)峰值,但并不是疊加振速最小值,且超過(guò)半周期間隔起爆仍有可能出現(xiàn)振速疊加超標(biāo),鑒于現(xiàn)場(chǎng)爆破精確按半周期間隔起爆非常困難,其應(yīng)用意義是有限的。

(5)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及爆破測(cè)試表明:在采用普通爆破器材的條件下全線爆 破 振 動(dòng) 均在1.00 cm/s以 下,實(shí)現(xiàn)了與電子雷管類似的高安全性指標(biāo),且成本較后者大幅降低,這對(duì)今后城市隧道爆破振動(dòng)的嚴(yán)苛控制和低成本施工具有示范意義。

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A precisely-controlled blasting method and vibration analysis for tunnel excavation under dense buildings

Gong Min1,Wu Hao-jun1,Meng Xiang-dong2,Li Yong-qiang3
(1.School of Civil and Environment Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China; 2.Chongqing Urban Construction Holding(Group)Co.,Ltd,Chongqing 400013,China; 3.Chongqing Juneng Construction Group Co.,Ltd,Chongqing 404100,China)

To meet higher security requirements for blasting vibration from urban tunnel excavation under dense buildings,a new blasting technology was proposed and the corresponding method for obtaining parameters was explored.The proposed blasting technology uses non-electric detonators to precisely control blasting vibration.Chongqing Yuzhong connecting tunnel was taken as the research background.By applying Fourier function and MATLAB software,the vibration velocity curves were fitted for single-hole blasting with different charges and the quantification data of vibration superposition at different millisecond intervals from 1 to 50 ms were analyzed.The vibration-reduction effect was discussed for different millisecond intervals.The parameters about blasting charge and detonating time delayed were determined under given vibration velocities.Interval characteristics of each period between detonators in the field were measured and analyzed.Accordingly,the blasting scheme was designed,which using hole-by-hole cut blasting to control vibration.The blasting vibration velocity measured in the field is below 1.00 cm/s,and the corresponding reasonable single-hole charge is 1.2 kg for avoiding vibration superposition.The vibration velocity peak occurs after the detonation of the first or second-period detonator in the main cut area,which is consistent with the theoretical results.And the vibration velocity decreases by more fifty percent after 60 ms of hole-by-hole blasting. So blasting vibration can be precisely controlled by using non-electric detonators under high safety standard.

mechanics of explosion;vibration reduction;hole-by-hole cut;tunnel excavation;precisely-controlled;vibration superposition;blasting

O383國(guó)標(biāo)學(xué)科代碼:13035

:A

10.11883/1001-1455(2015)03-0350-09

(責(zé)任編輯 張凌云)

2014-04-25;

2014-12-09

重慶市科技開(kāi)發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(cstc2014yykf B30002)

龔 敏(1963— ),男,博士,教授,博士 生導(dǎo)師,gongmustb@163.com。