曾恭劍　陳　哲

( 1.重慶順安爆破器材有限公司；2.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院)

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城市隧道非電雷管延時(shí)實(shí)測(cè)與振動(dòng)分析

曾恭劍1陳哲2

( 1.重慶順安爆破器材有限公司；2.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院)

城市隧道爆破開(kāi)挖過(guò)程中，由于高安全需求，對(duì)爆破振動(dòng)的要求極為嚴(yán)格。在爆破施工過(guò)程中，針對(duì)振速異?；虺駟?wèn)題，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)非電雷管各段別微差延時(shí)間隔，剔除因段間延時(shí)長(zhǎng)度不夠而引起“串段”的段別，并根據(jù)不同段差間的延時(shí)間隔特點(diǎn)，對(duì)掏槽爆破設(shè)計(jì)進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的不同藥量的單孔單自由面爆破振動(dòng)曲線，與雷管各段別微差間隔時(shí)間綜合分析，最終確定掏槽孔的最優(yōu)藥量。經(jīng)過(guò)后續(xù)40余次的爆破測(cè)試，振速有效降低了30%左右。

降振微差延時(shí)隧道爆破

近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市隧道的修建也越來(lái)越密集，考慮工程地質(zhì)條件和經(jīng)濟(jì)效率，鉆爆法仍然是最常用的施工工法。但是，由于城市地表建筑物眾多、地下空間復(fù)雜、且伴有文物保護(hù)建筑，爆破開(kāi)挖的振動(dòng)難免會(huì)影響附近居民和建筑物安全[1-2]，如何在低振速要求下進(jìn)行隧道控制爆破是當(dāng)前學(xué)者研究的熱點(diǎn)。常規(guī)的分散裝藥、減小斷面或降低進(jìn)尺等降振爆破技術(shù)都是以降低施工效率、增加施工成本為代價(jià)的，電子雷管由于其具有延時(shí)精度高、可以任意設(shè)置段別等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)減少爆破振動(dòng)幅值的疊加，從而有效降低爆破振動(dòng)速度[3-4]。但由于其價(jià)格昂貴，尚未能推廣使用。

許多學(xué)者都進(jìn)行了雷管微差起爆與振動(dòng)關(guān)系的研究。徐振洋等運(yùn)用HHT方法，研究了爆破振動(dòng)信號(hào)的時(shí)頻及能量分布特征，認(rèn)為高精度雷管逐孔起爆可以使爆破振動(dòng)信號(hào)能量分布更均勻，減少能量在10Hz以下低頻帶上的分布[5]；范作鵬、錢(qián)守一、張義平等分析了瞬時(shí)能量法和EMD識(shí)別法在雷管微差間隔的識(shí)別應(yīng)用，依據(jù)爆破振動(dòng)曲線，較為準(zhǔn)確的識(shí)別了各段別雷管的延時(shí)特性[6-8]。本文在使用普通非電雷管進(jìn)行隧道爆破的條件下，通過(guò)分析現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)雷管微差延時(shí)間隔和不同藥量單孔試驗(yàn)的振動(dòng)數(shù)據(jù)，探索一種適用于現(xiàn)場(chǎng)的振速異?；虺瑯?biāo)的原因分析，并提出針對(duì)性的解決方法。

1　研究背景

以重慶渝中連接隧道為背景，該隧道位于重慶最繁華的商業(yè)中心渝中區(qū)解放碑，隧道上方建筑群密集且間隔很小，并有古文物建筑，地下有人防洞室，環(huán)境極為復(fù)雜。區(qū)段基巖以砂巖、泥質(zhì)砂巖為主，巖性為Ⅳ級(jí)巖石，巖石堅(jiān)固性系數(shù)f=5.2。

隧道爆破時(shí)全程振速控制極嚴(yán)，要求地面振速在1.0cm/s以下(部分區(qū)域0.5cm/s)。在爆破施工過(guò)程中，一旦出現(xiàn)振速超標(biāo)或異常，要及時(shí)對(duì)異常原因進(jìn)行分析，并對(duì)爆破參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

2　非電雷管延時(shí)實(shí)測(cè)與段別設(shè)計(jì)

結(jié)合本工程實(shí)際情況，在不使用電子雷管的條件下，僅依靠普通的非電雷管達(dá)到工程嚴(yán)格的振速要求，必須利用現(xiàn)有技術(shù)保證非電雷管的延時(shí)精度和段別數(shù)量。為此，與廠家合作開(kāi)發(fā)專(zhuān)用的高精度導(dǎo)爆管，并重新編制段別，總段別28段，其中可用段別25段(無(wú)4、19、20段編號(hào))。各段雷管微差間隔精度是保證爆破過(guò)程尤其是掏槽區(qū)精準(zhǔn)控制爆破的基礎(chǔ)。為了排除雷管延時(shí)精度不夠或雷管“串段”導(dǎo)致振速超標(biāo)，需要對(duì)雷管的實(shí)際延時(shí)間隔進(jìn)行實(shí)測(cè)。

為獲取各段雷管的實(shí)際微差起爆間隔時(shí)間，在同一批次的雷管中選7個(gè)樣本進(jìn)行延時(shí)起爆精度測(cè)試。圖1是各段雷管平均起爆時(shí)間，從圖中可以看出，各段雷管均沒(méi)有出現(xiàn)“串段”現(xiàn)象。其中1～17段雷管微差間隔較小，為15～35ms；18段雷管之后微差間隔明顯增大，為80～100ms。

圖2為各段雷管起爆時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)差曲線圖。反應(yīng)各段雷管微差起爆時(shí)間的離散性，從圖中可以看出，此外，為確保爆破施工能夠安全有效地進(jìn)行，還要考慮相鄰兩段雷管的最小間隔時(shí)間是否符合安全標(biāo)準(zhǔn)。在7組樣本數(shù)據(jù)中，用后一組數(shù)據(jù)的最小值減去前一組數(shù)據(jù)的最大值，即是段間最小時(shí)間間隔。各段雷管間最小間隔時(shí)間差曲線如圖3所示。

圖1　各段雷管平均起爆時(shí)間實(shí)測(cè)值

圖2　各段雷管起爆時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)差實(shí)測(cè)值

圖3　雷管相鄰各段最小間隔時(shí)間差

由圖3可以看出，2～3段、16～17段和21～22段，段間最小間隔時(shí)間均小于4ms，結(jié)合圖2，1～18段起爆時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)差不大于5ms，這3個(gè)相鄰段別極易發(fā)生“串段”。為保證爆破安全可靠性，在爆破設(shè)計(jì)中應(yīng)該避免這3個(gè)可能發(fā)生串段的間隔。綜合考慮，舍去3段、16段和21段。

在進(jìn)行爆破設(shè)計(jì)調(diào)整時(shí)，低段別的1～19段(舍去3、16段)同段標(biāo)準(zhǔn)差較小，實(shí)際微差間隔時(shí)間較為穩(wěn)定，為30ms左右，適用于精確的掏槽區(qū)控制爆破；高段別的20～28段，同段標(biāo)準(zhǔn)差較大，但微差間隔時(shí)間較大，為100ms左右，適用于輔助孔和周邊孔的控制爆破。

3　爆破工藝改進(jìn)

3.1炮孔布置

根據(jù)上述段別雷管的不同延時(shí)特性，爆破設(shè)計(jì)調(diào)整為：掏槽區(qū)8孔斜眼逐段掏槽，掏槽孔雷管為1～9段；考慮到輔助掏槽孔起爆時(shí)，第二臨空面已經(jīng)形成，輔助掏槽孔由10段作為輔助掏槽開(kāi)始段。經(jīng)過(guò)計(jì)算，分兩次爆破能安全有效的完成上臺(tái)階的爆破掘進(jìn)。圖4為上臺(tái)階兩步開(kāi)挖炮孔示意圖。

3.2掏槽區(qū)單孔藥量的確定

根據(jù)爆破安全規(guī)程振動(dòng)計(jì)算公式，分別計(jì)算不同部位、不同安全距離的炮孔最大安全藥量：

圖4　兩次爆破炮孔設(shè)計(jì)(單位：cm)

(1)

式中，Q為最大分段藥量，kg；R為受保護(hù)的質(zhì)點(diǎn)與爆源距離，m；V為質(zhì)點(diǎn)安全允許最大振動(dòng)速度，cm/s；K、α分別為與地形，地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減系數(shù)，取值見(jiàn)表1。

表1　不同巖性的K、α值

根據(jù)渝中隧道爆破現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)際情況，取V=1.0cm/s、K=185.86、α=1.76，R=25m，計(jì)算可得Q=2.1kg。即最大分段藥量不能超過(guò)2.1kg。

掏槽區(qū)爆破是整個(gè)斷面爆破過(guò)程中最關(guān)鍵的部分，爆破效果的好壞直接影響到后續(xù)擴(kuò)槽孔、輔助孔等的爆破質(zhì)量，且掏槽爆破是爆破全過(guò)程中振速峰值最集中的區(qū)域，也是最容易發(fā)生超振的區(qū)域。因此，掏槽孔單孔藥量直接決定了此次掏槽爆破能否安全高效的決定因素。

為得到最符合工程實(shí)際情況的爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)，在隧道現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行0.8，1.0和1.2kg的單孔單自由面的測(cè)試爆破，得到不同藥量下的單孔爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)。3種不同藥量的單孔單自由面的爆破振動(dòng)峰值如表2所示。

表2　不同藥量單孔起爆峰值

由表2可知，單孔藥量從1.2～1.0kg時(shí)，單孔振速下降了21%；從1.0～0.8kg時(shí)，單孔振速下降了19%。單孔藥量1.2kg的振動(dòng)峰值為0.75cm/s，首爆掏槽兩孔的疊加振速極易超過(guò)最大允許值1.0cm/s，故不采用;1.0和0.8kg的振動(dòng)峰值分別為0.59和0.48cm/s，基于工程安全考慮，掏槽孔單孔藥量在0.8～1.0kg較為合適。

3.3爆破參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)各段實(shí)測(cè)雷管的延時(shí)長(zhǎng)度，對(duì)段別進(jìn)行重新編排并優(yōu)化布置(見(jiàn)圖4)，原上臺(tái)階爆破分兩步爆破，掏槽孔先爆孔(1～5段)藥量確定為0.8kg，后爆孔(6～9段)藥量確定為1.0kg。按掏槽孔水平角63°設(shè)計(jì)，進(jìn)尺為1.5m，既能確保振速控制在1.0cm/s以下，又能最大限度地提高工程效率。不同位置的炮孔參數(shù)如表3所示。

表3　炮孔參數(shù)

4　現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證與振動(dòng)分析

將調(diào)整后的爆破設(shè)計(jì)應(yīng)用于隧道施工，在后續(xù)一個(gè)月的爆破施工中，循環(huán)進(jìn)尺1.5m，全程控制振速小于1.0cm/s。在不影響工程效率的情況下，成功解決了前期振速超標(biāo)的問(wèn)題。在對(duì)后續(xù)40多次的爆破振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析后，選取了相對(duì)穩(wěn)定的一組1區(qū)爆破振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行振動(dòng)分析。圖5是掏槽區(qū)所在1區(qū)爆破振動(dòng)曲線圖。

圖5　1區(qū)爆破振動(dòng)波形

由圖5看出，掏槽區(qū)仍然是全程振動(dòng)最大的區(qū)域，其中振動(dòng)峰值個(gè)數(shù)和振速大小都尤為集中，掏槽區(qū)爆破時(shí)間從0～300ms；輔助孔區(qū)，振動(dòng)峰值和振動(dòng)速度都大幅度下降，分析認(rèn)為由于掏槽區(qū)爆破后，形成新的自由面，極大地降低了爆破振動(dòng)速度，持續(xù)時(shí)間從300～550ms；周邊孔爆破，振動(dòng)峰值和振動(dòng)速度最小，對(duì)工程的影響極小。

5　結(jié)　論

(1)通過(guò)對(duì)雷管各段別準(zhǔn)確延時(shí)實(shí)測(cè)，分析了各段雷管之間延時(shí)差異，結(jié)合前期現(xiàn)場(chǎng)爆破施工振動(dòng)曲線圖對(duì)比分析，準(zhǔn)確找出引起超振的問(wèn)題所在，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)各段雷管微差延時(shí)間隔，對(duì)爆破設(shè)計(jì)中各炮孔(尤其是掏槽區(qū)炮孔)段別重新編排。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證，解決了超振問(wèn)題，達(dá)到了工程預(yù)期目的。

(2)城市隧道爆破施工過(guò)程中，影響振速的因素較多，如雷管段間微差延時(shí)、同段藥量、地質(zhì)情況以及地形等，施工中需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況具體分析。本文在對(duì)雷管段間微差延時(shí)實(shí)測(cè)和對(duì)不同藥量的單孔單自由面現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，進(jìn)而調(diào)整雷管段別和單孔藥量，在后續(xù)的工程應(yīng)用中達(dá)到了預(yù)期目的，對(duì)同類(lèi)爆破工程有借鑒意義。

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2016-03-16)

曾恭劍(1966-)，男，工程師，400713重慶市北碚區(qū)復(fù)興鎮(zhèn)復(fù)興街845號(hào)。