薛 里，劉世波

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

電子雷管起爆的降振原理及工程應(yīng)用

薛 里，劉世波

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

對(duì)高精度電子雷管減震的主要原理及效果進(jìn)行研究。首先，利用波動(dòng)理論分析了波形疊加達(dá)到干擾降振的條件。其次，從爆破地震波之間相互疊加干擾降振的原理出發(fā)，研究了毫秒延時(shí)爆破波形疊加干擾降振時(shí)延時(shí)間隔時(shí)差的計(jì)算方法。最后，將錯(cuò)相減震爆破設(shè)計(jì)應(yīng)用到深圳地鐵11號(hào)線基坑和隧道爆破工程中，取得了理想的減震效果。

微振動(dòng) 控制爆破 地鐵基坑 電子雷管 干擾降振

數(shù)碼電子雷管是一種可以任意調(diào)節(jié)以實(shí)現(xiàn)精確延期發(fā)火時(shí)間的新型電子雷管，延期精度可以達(dá)到1 ms，同時(shí)具有很高的安全性，是近年來(lái)起爆器材領(lǐng)域里新進(jìn)展之一，被稱為爆破技術(shù)的一場(chǎng)革命。目前國(guó)內(nèi)已研制出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高安全、高精度、寬延期范圍、在線可編程的電子雷管，并已成功應(yīng)用于多項(xiàng)交通、市鎮(zhèn)、礦山等重點(diǎn)工程。其可顯著地降低振動(dòng)、改善爆破塊度、提高炸藥利用率和爆堆松散度的優(yōu)點(diǎn)已逐漸得到體現(xiàn)。

電子雷管可以有效降低爆破振動(dòng)的特性已得到廣泛的認(rèn)可。國(guó)內(nèi)外眾多應(yīng)用實(shí)踐表明，使用電子雷管可以降低振動(dòng)30%～60%，但其減振的機(jī)理還處于探討階段。郭學(xué)彬、甄育才等［1-2］通過(guò)試驗(yàn)和理論分析論證了微差爆破干擾減震存在的條件。邢光武、魏小林等［3-4］綜合之前的研究成果，采用電算和提取子波的方法研究了精確延時(shí)干擾減震技術(shù)，為干擾減震技術(shù)提供了新思路。田振農(nóng)等［5］通過(guò)試驗(yàn)和理論分析，認(rèn)為錯(cuò)相減震的機(jī)理在于通過(guò)精確的起爆延時(shí)間隔設(shè)計(jì)使爆炸波到達(dá)被保護(hù)點(diǎn)時(shí)相位錯(cuò)開約1/2周期。陳繼強(qiáng)、張光雄等［6-7］通過(guò)對(duì)爆破地震波形的變化特征和微差爆破地震波的段間疊加特性的分析，提出確定微差爆破合理間隔時(shí)間應(yīng)考慮距離因素的觀點(diǎn)。郭學(xué)彬等［8］認(rèn)為使相鄰段別的爆破地震波的主震相在時(shí)間上錯(cuò)開，就可以獲得較明顯的降震效果。

本文利用波動(dòng)理論分析波形疊加達(dá)到干擾降振的條件，并在深圳地鐵11號(hào)線進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，取得很好的減振效果。

1 電子雷管降振原理

1.1 波的傳播

當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)擾動(dòng)同時(shí)傳到某一點(diǎn)時(shí)，該點(diǎn)的總狀態(tài)參量等于這兩個(gè)擾動(dòng)或多個(gè)擾動(dòng)在這點(diǎn)的參量代數(shù)和，即所謂的波的疊加性。兩波相遇時(shí)，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度、振幅和應(yīng)力發(fā)生疊加，但波的頻率和波速不發(fā)生疊加，每個(gè)波仍繼續(xù)按照原來(lái)的傳播方向、速度傳播。

設(shè)波幅相等、頻率相近并滿足連續(xù)頻散關(guān)系的兩個(gè)諧波u0cos(ω1t-k1x)和u0cos(ω2t-k2x)沿相同方向傳播，則兩者疊加的結(jié)果可以寫成

式中:Δω=ω2-ω1，Δk=k2-k1，ω=(ω1+ω2)/2，k= (k1+k2)/2。

由于頻散關(guān)系是連續(xù)的，當(dāng)ω1接近于ω2時(shí)，k1接近k2，則Δk及Δω均趨向于0。

可以看出式(1)的第1個(gè)因子是合成波形的包絡(luò)線，通常稱為波包或調(diào)制波，第2個(gè)因子為高頻載波。這兩個(gè)因子的傳播速度通常是不同的，由這兩個(gè)諧波組成的波群所攜帶的能量的傳播速度，即振幅的傳播速度或波包的傳播速度，稱為群速度。由式(1)的第一個(gè)因子可知群速度cg為

當(dāng)ω1趨于ω2時(shí)

在頻散情況下，cg與相速度c=ω/k一般不相同，所以波包內(nèi)載波的相位在不斷地變化。

1.2 系列諧波疊加

實(shí)際工程中出現(xiàn)的暫態(tài)波是具有連續(xù)頻譜的一系列簡(jiǎn)諧波的疊加，考慮以頻率ω0為中心的頻帶(ω0-Δω，ω0+Δω)內(nèi)具有頻譜密度U(ω)和頻散關(guān)系k(ω)的所有諧波的疊加，疊加的表達(dá)式為

u=2Re∫

ω0+Δω

U(ω)exp［i(ωt－k(ω)x)］dω(4)

ω0－Δω

假設(shè)在頻帶寬度2Δω內(nèi)，U(ω)近似為常數(shù)U0，在式(4)的積分區(qū)間內(nèi)將波數(shù)k(ω)在ω0附近作泰勒展開，略去二階以上極小值，可得

式中式中:U0=U(ω0)，φ0為U0的幅角。對(duì)于給定時(shí)刻t和t+Δt，在合成波動(dòng)中能量集中于一個(gè)主要波包，波包的包絡(luò)線形狀由式(5)中的因子F(t-x/cg)控制，并以群速度cg向前傳播。因此每個(gè)波群的包絡(luò)線在傳播過(guò)程中是不變形的，如果在頻帶(ω0-Δω，ω0+ Δω)上考慮頻譜密度U(ω)的變化，或在波數(shù)展開式中計(jì)入高階小量，則波包也可以散開，因此穩(wěn)態(tài)波群只能在特定頻帶內(nèi)形成。

群速度與相速度的關(guān)系可由式(3)導(dǎo)出，注意到ω=kc，并將波數(shù)k或角頻率ω分別視作獨(dú)立自變量，則

或

如果相速度與波數(shù)或頻數(shù)無(wú)關(guān)，即無(wú)頻散，則群速度與相速度相等。若取波長(zhǎng)λ為自變量，注意到k=c-2π/λ，可得

通常，將dc/dλ＞0情形稱為正常頻散。就正常頻散而言，群速度小于相速度。

1.3 波的干涉條件

雖然爆破振動(dòng)波的波形并不完全符合正弦波，但當(dāng)兩個(gè)振動(dòng)波錯(cuò)峰疊加時(shí)，還是可以借鑒和參照正弦波在介質(zhì)中傳播的情況進(jìn)行分析。設(shè)在彈性系統(tǒng)中傳播的兩列簡(jiǎn)諧波具有相同的振幅、頻率和傳播方向，只是相位不同。設(shè)兩列波的振幅為U，頻率為ω，相位分別為α和β，則它們的運(yùn)動(dòng)方程可寫為則線彈性系統(tǒng)上任一質(zhì)點(diǎn)在t時(shí)刻振動(dòng)的位移為

對(duì)式(14)進(jìn)行分析:

-1≤y1≤1，-1≤y2≤1，t為任意值，即t∈ (0，∞)，所以有要使式(14)滿足疊加相消的條件，兩列波疊加后振幅不增大，即小于等于兩者中幅值較大的一個(gè)。而若要-1≤ y≤1，則需根據(jù)以上條件，如果α-β滿足

則兩列波是疊加相消的，此時(shí)的相位差也可認(rèn)為是兩列波開始傳播的時(shí)間間隔。所以，對(duì)于主振周期為T的兩列爆破振動(dòng)波，當(dāng)間隔時(shí)間Δt滿足

在能產(chǎn)生疊加的情況下，兩列振動(dòng)波就能達(dá)到不同程度的疊加相消。

在能產(chǎn)生疊加的情況下，兩列振動(dòng)波就能達(dá)到不同程度的疊加相消。對(duì)于爆破振動(dòng)，主振主要發(fā)生在前面1～2幅波，后面的波振幅很小，因此主要是促使前面的幾幅波發(fā)生疊加，式(16)可改寫為

2 工程應(yīng)用

2.1 工程概況

深圳市城市軌道交通11號(hào)線工程福永站—高架區(qū)間分界段位于深圳市寶安區(qū)福永站至橋頭站之間寶安大道下。福永站為地下2層車站，基坑深17 m，開挖方量約80 000 m3，設(shè)計(jì)采取明挖法。區(qū)間長(zhǎng)約654.5 m，地下線擬采用馬蹄形斷面，隧道埋深0～10.133 m，初步設(shè)計(jì)擬采取暗挖法+明挖法。周邊環(huán)境非常復(fù)雜，施工場(chǎng)地兩側(cè)有許多廠房、辦公樓以及給水、電信、電力、燃?xì)獾裙芫€，其中DN500次高壓(1.6 MPa)燃?xì)夤艿谰嗷舆呑罱嚯x只有12 m，埋深約1.86～2.39 m，要求振速控制在2 cm/s以內(nèi)，是影響施工設(shè)計(jì)控制的重點(diǎn)。綜合考慮環(huán)境、工期等因素，決定采用電子雷管進(jìn)行爆破開挖。

2.2 爆破試驗(yàn)

根據(jù)前面的理論分析知道，產(chǎn)生干擾降振的關(guān)鍵技術(shù)是確定合理延時(shí)間隔時(shí)差，保證波形能發(fā)生錯(cuò)相疊加，達(dá)到減振的目的，因此在正式爆破前需通過(guò)爆破試驗(yàn)來(lái)確定最佳延時(shí)間隔時(shí)差。此外，通過(guò)幾次試爆還可以得到該地質(zhì)條件下的振動(dòng)衰減規(guī)律和施工工藝，為優(yōu)化爆破設(shè)計(jì)和編制科學(xué)的施工組織設(shè)計(jì)提供依據(jù)。爆破試驗(yàn)分露天爆破和隧道爆破兩項(xiàng)，下面分別進(jìn)行介紹。

1)基坑露天爆破

延時(shí)間隔時(shí)差與地質(zhì)條件、地形條件、爆破方式、裝藥結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)。為了確定適合本工程的最佳延時(shí)間隔時(shí)差。設(shè)計(jì)了單孔和群孔共9試驗(yàn)組，群孔爆破試驗(yàn)采用8～20 ms的延時(shí)間隔時(shí)差。通過(guò)對(duì)爆破振動(dòng)波形進(jìn)行分析，最終確定適合本工程的延時(shí)間隔時(shí)差。

為了滿足粒徑要求，降低大塊率，同時(shí)達(dá)到爆破、挖裝、運(yùn)輸效率的最優(yōu)化，并滿足振動(dòng)控制要求，主爆破區(qū)域鉆孔直徑不宜過(guò)大。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，選擇本工程淺孔爆破鉆孔直徑d=76 mm。由于爆破區(qū)域內(nèi)多為泥巖、砂巖，應(yīng)針對(duì)不同的巖石類型，選用不同的炸藥單耗。由以往工程經(jīng)驗(yàn)，炸藥單耗應(yīng)在0.35～0.40 kg/m3。

第1組試驗(yàn)，為16個(gè)孔，孔深3.2 m，孔間距為1.6 m×1.7 m，每孔的藥量為3 kg。第1個(gè)孔單獨(dú)響，響完280 ms后，其余的孔以17 ms間隔逐孔起爆，起爆順序及延時(shí)如圖1所示。通過(guò)這組試驗(yàn)可以得到單孔的振動(dòng)波形參數(shù)和群孔延時(shí)17 ms的振動(dòng)情況。

圖1 爆破設(shè)計(jì)示意(單位:ms)

另8組為不同延時(shí)間隔時(shí)差的爆破試驗(yàn)，延時(shí)設(shè)置情況見表1。前5組為4排孔，分2個(gè)延時(shí)間隔時(shí)差，第6組為3排孔，分別設(shè)置了3種不同的延時(shí)間隔時(shí)差，最后2組分別試驗(yàn)了不同孔間和排間的延時(shí)間隔時(shí)差。試驗(yàn)中各孔的裝藥量均與第1組相同。

表1 爆破試驗(yàn)延時(shí)設(shè)置情況

2)隧道爆破

隧道爆破試驗(yàn)在進(jìn)口端進(jìn)行，孔徑為40 mm，先進(jìn)行3組單孔試驗(yàn)，然后做5組全斷面群孔試驗(yàn)。單孔試驗(yàn)藥量為1 kg，群孔試驗(yàn)采取進(jìn)尺1.0～1.5 m全斷面開挖，孔間延時(shí)分別為3，4，5，6和7 ms。可根據(jù)試驗(yàn)效果，補(bǔ)充幾組試驗(yàn)，確定減振效果。群孔爆破孔位布置及延時(shí)設(shè)置見圖2。

圖2 隧道爆破電子雷管起爆順序(圖中數(shù)字為電子雷管起爆延時(shí)，單位:ms)

2.3 測(cè)試方案

測(cè)試采用TC-4850爆破測(cè)振儀和三向速度傳感器。傳感器安裝在爆區(qū)一側(cè)，共布設(shè)5個(gè)測(cè)點(diǎn)，距爆區(qū)分別為10，21，35，49和87 m。其中4#測(cè)點(diǎn)布設(shè)在次高壓燃?xì)夤苌戏剑ㄟ^(guò)多次測(cè)試結(jié)果來(lái)分析得到最佳延時(shí)間隔時(shí)差和回歸得到振動(dòng)衰減規(guī)律。

隧道監(jiān)測(cè)，同樣是布設(shè)5個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)1布設(shè)在拱頂正上方，其余4個(gè)點(diǎn)依次按不同距離向路一側(cè)布設(shè)，其中4#測(cè)點(diǎn)布設(shè)在燃?xì)夤苌戏健?/p>

2.4 測(cè)試結(jié)果

1)基坑露天爆破

第1組試驗(yàn)，爆后最遠(yuǎn)的5#測(cè)點(diǎn)未觸發(fā)，其余均采集到振動(dòng)波形，圖3為3#測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)波形圖。從測(cè)試結(jié)果可以看出，單孔爆破的主振周期為20～35 ms。根據(jù)現(xiàn)有的理論，認(rèn)為要達(dá)到波形疊加減振的效果，孔間延時(shí)為10～17 ms較為合理。另從Z軸的振動(dòng)波形看，群孔爆破的振速值明顯小于單孔的振速值，說(shuō)明群孔爆破發(fā)生了波形疊加，振速降低。電子雷管爆破振速均勻分布，主振頻率較高，降振效果顯著。

圖3 第1組試驗(yàn)3#測(cè)點(diǎn)Z軸的爆破振動(dòng)波形

通過(guò)一系列試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在單響藥量相同的情況下，當(dāng)孔間延時(shí)為17 ms時(shí)，振速最小。圖4為第2組試驗(yàn)孔間延時(shí)分別為9 ms和17 ms時(shí)3#測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)波形。從圖中可以看出，延時(shí)間隔時(shí)差為17 ms時(shí)，振速值明顯小于9 ms時(shí)。追加幾次試驗(yàn)，其結(jié)果相同。

圖4 第2組試驗(yàn)3#測(cè)點(diǎn)Z軸的爆破振動(dòng)波形

通過(guò)后面幾組試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在該地質(zhì)地形條件下，采用17 ms的延時(shí)間隔時(shí)差，可以達(dá)到較好的減振效果，振動(dòng)值最小，在后期的爆破施工中統(tǒng)一采用延時(shí)17 ms的逐孔起爆形式。

2)隧道爆破

從監(jiān)測(cè)結(jié)果來(lái)看，不論采用何種延時(shí)間隔時(shí)差，燃?xì)夤芫€上方的振動(dòng)值均未超出設(shè)計(jì)值，因此延時(shí)間隔時(shí)差在3～7 ms，爆破均不會(huì)對(duì)燃?xì)夤芫€產(chǎn)生影響。以拱頂正上方測(cè)點(diǎn)測(cè)試結(jié)果來(lái)分析干擾減振效果(圖5)。

圖5 單爆孔爆破振動(dòng)波形

圖6 電子雷管微振動(dòng)控制爆破振動(dòng)波形

單爆孔爆破往往只有一對(duì)主波峰波谷，其余為小幅的余震，振動(dòng)最大值一般都出現(xiàn)在第1個(gè)波峰處。單爆孔爆破主振頻率大致在65～82 Hz，主振波周期在10.2～12.4 ms，最大振速值出現(xiàn)在3.1～3.9 ms。根據(jù)式(17)知道，當(dāng)主振周期為12.4 ms時(shí)，產(chǎn)生干擾減振的時(shí)差在4.1～8.3 ms;當(dāng)主振周期為10.2 ms時(shí)，產(chǎn)生干擾降振的時(shí)差在3.4～6.8 ms。通過(guò)群孔試驗(yàn)結(jié)果可以看到，當(dāng)延時(shí)間隔時(shí)差在4 ms以下或6 ms以上時(shí)，爆破振速均＞1.2 cm/s，但當(dāng)延時(shí)間隔時(shí)差控制在4～6 ms時(shí)測(cè)點(diǎn)振速均在1.2 cm/s以內(nèi)，因此在實(shí)際施工中以4～6 ms作為延時(shí)間隔時(shí)差進(jìn)行爆破作業(yè)。

2.5 爆破方案

1)基坑爆破

基坑主爆區(qū)每次爆破布孔不超過(guò)6排。采用梅花形或長(zhǎng)方形布孔，堵塞長(zhǎng)度2.5 m。各雷管腳線并聯(lián)接入起爆主線上，逐孔起爆，延時(shí)時(shí)差間隔為17 ms。

2)隧道爆破

隧道爆破采用掏槽孔，孔間延時(shí)為4 ms，其余孔延時(shí)為6 ms。入口段采用上下臺(tái)階開挖，進(jìn)深20 m后采取全斷面開挖。平均單耗為0.9 kg/m3。

2.6 爆破效果

工程于2013年7月首次采用該工法進(jìn)行了試驗(yàn)爆破，經(jīng)過(guò)1年2個(gè)月精心施工，已于2014年8月完工，取得了良好的爆破效果。保證了周邊建筑、設(shè)施的安全，滿足了工程的進(jìn)度。爆區(qū)西側(cè)的次高壓燃?xì)夤艿恼袼僖螅? cm/s。從第三方監(jiān)測(cè)的結(jié)果看，實(shí)際爆破中該處的振速最大值為1.4 cm/s，大部分＜1 cm/s，振動(dòng)控制效果明顯。圖6為施工中在次高壓燃?xì)夤苌戏綔y(cè)點(diǎn)的一次爆破振動(dòng)波形圖?？梢?，振動(dòng)速度未超出控制標(biāo)準(zhǔn)，且波形振幅在一定范圍內(nèi)分布均勻，達(dá)到了很好的控制爆破振動(dòng)的效果［9］。上述爆破監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明爆破設(shè)計(jì)方案是成功的，爆破振動(dòng)不會(huì)對(duì)周邊建筑設(shè)施造成危害，也不會(huì)影響次高壓燃?xì)夤艿陌踩\(yùn)營(yíng)。

3 結(jié)論與建議

1)通過(guò)波動(dòng)理論對(duì)干擾減振進(jìn)行了分析，得出的結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果基本一致。

2)通過(guò)理論分析和試驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，得到露天大直徑淺孔臺(tái)階爆破的最佳延時(shí)間隔時(shí)差為17 ms，隧道爆破孔間延時(shí)間隔時(shí)差為4～6 ms時(shí)，可以達(dá)到波峰錯(cuò)相疊加的減振效果。該結(jié)論在隨后的工程應(yīng)用中達(dá)到了顯著的降振效果，可為以后的類似工程提供參考。

對(duì)于隧道爆破，一次性使用的電子雷管較多，成本較高。今后可研究電子雷管和導(dǎo)爆管雷管混合起爆的可行性，在控制振動(dòng)的前提下最大限度降低施工成本。

［1］郭學(xué)彬，張繼春，劉泉.微差爆破的波形疊加作用分析［J］.爆破，2006，23(2):4-8.

［2］甄育才，朱傳云.中遠(yuǎn)區(qū)微差爆破振動(dòng)疊加效應(yīng)影響因素分析［J］.爆破，2005，22(2):11-16.

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Vibration-reducing principles of electronic detonator detonating and its engineering application

XUE Li，LIU Shibo
(Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

This paper studied the main principles and effects of vibration-reducing with high-precision electronic detonator.The condition of achieving interference vibration-reducing by wave superposition was analyzed according to the wave theory，the calculation method of time delay interval for interference vibration-reducing by millisecond delay blasting wave superposition was studied based on interference vibration-reducing principle by blasting seismic wave superposition，and phase stagger vibration-reducing blasting design was applied to the foundation pit and tunnel blasting project in Shenzhen metro Line 11，which obtains the ideal damping effect.

Micro vibration;Control blasting;Subway foundation pit;Electronic detonator;Interference vibrationreducing

U455.41

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.01.10

1003-1995(2015)01-0043-05

(責(zé)任審編 李付軍)

2014-11-15;

2014-12-20

薛里(1979—)，男，山西襄垣人，副研究員，博士。