劉桂勇，劉小鳴，陳士海,3

(1.重慶市公安局，重慶 401147；2.華僑大學(xué)土木工程學(xué)院，福建 廈門 361021；3.福建省隧道與城市地下空間與工程技術(shù)研究中心，福建 廈門 361021)

我國隧道建設(shè)中礦山法施工一直以其工程適用性廣和經(jīng)濟(jì)性高占據(jù)重要地位，但由于隧道建設(shè)過程中會(huì)穿越各種建(構(gòu))筑物，而規(guī)范中對(duì)這些建(構(gòu))筑物有明確的振動(dòng)速度要求，這就需要采取延時(shí)爆破的方法將爆破振動(dòng)速度控制在規(guī)范允許范圍內(nèi)。延時(shí)爆破雖然作為一種常用的降振手段[1]，但當(dāng)延時(shí)時(shí)間取值不合理時(shí)，也會(huì)引起波形疊加、振速增大的不利效果[2]，因此在延時(shí)爆破中如何選取合理的延時(shí)時(shí)間一直是學(xué)者們研究的重點(diǎn)。周宜等[3]通過加大延時(shí)時(shí)間的方法以避免波形之間產(chǎn)生疊加；張強(qiáng)強(qiáng)等[4]利用Ls-dyna研究了多段掏槽孔爆破引起的地表振動(dòng)；崔雪姣等[5]采用小波包分析方法對(duì)不同延時(shí)間隔(25、42、65 ms)的爆破振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析研究。李順波等[6]建立毫秒延時(shí)時(shí)間間隔建立精確延時(shí)逐孔起爆振動(dòng)峰值預(yù)測(cè)模型，計(jì)算的預(yù)測(cè)振動(dòng)峰值與實(shí)測(cè)振動(dòng)峰值吻合良好。龔敏等[7]利用高速圖像采集系統(tǒng)探討了隧道掘進(jìn)爆破的合理延時(shí)時(shí)間，但延時(shí)時(shí)間不僅受不同段雷管延時(shí)時(shí)間的影響，還和雷管本身有關(guān)，非電雷管和電雷管起爆時(shí)延時(shí)誤差較大，達(dá)到了±(10～150)ms，而電子雷管延時(shí)誤差僅0.1 ms，可以忽略不計(jì)。傅洪賢等[8]通過采用電子雷管和非電雷管聯(lián)合的方式來降低地表振動(dòng)；龔敏[9]采用多段定制雷管來嚴(yán)格限制隧道掘進(jìn)引起的地表振速。

上述研究主要是通過數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)或者利用高精度雷管的方法進(jìn)行的，且主要集中于峰值振速的研究，而本文在分析實(shí)測(cè)波形的地表疊加效應(yīng)基礎(chǔ)上，利用隧道掘進(jìn)爆破的理論計(jì)算方法分析了兩段掏槽孔在不同延時(shí)時(shí)間下的振速波形疊加效果，并針對(duì)非電雷管和電子雷管的特性提出了相應(yīng)的合理延時(shí)時(shí)間。

1 工程概況

廈門抽水蓄能電站的進(jìn)場(chǎng)通風(fēng)兼安全洞全長(zhǎng)為1 240.022 m，平均縱坡7.3%，洞身斷面采用圓拱直墻的城門洞型，凈尺寸為7.0 m×6.5 m。

通風(fēng)兼安全洞處基巖為晶屑熔結(jié)凝灰?guī)r，地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，斷層不發(fā)育，主要發(fā)育少量巖脈。洞深143～195 m上覆弱風(fēng)化巖體較薄，厚約2～17 m，圍巖呈弱風(fēng)化，巖體完整性差～較完整，圍巖類別為Ⅲ、Ⅳ類，穩(wěn)定性差～較差，要及時(shí)進(jìn)行支護(hù)處理；洞深195～370 m上覆巖體厚約17～36 m，圍巖呈弱～微風(fēng)化，巖體較完整為主，局部完整性差，圍巖類別為Ⅲ、Ⅱ類。在穩(wěn)定性較差的Ⅳ類圍巖條件下采用中導(dǎo)洞和擴(kuò)挖的方式進(jìn)行，在穩(wěn)定性較好的Ⅲ、Ⅱ類圍巖條件下采用全斷面進(jìn)行開挖。

由于隧道軸線穿過村莊，采用的是延時(shí)爆破，故本文的爆破監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)全部為Ⅲ類圍巖條件下的全斷面延時(shí)爆破。鉆孔機(jī)械采用手持式風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)(YT28型號(hào))，鉆孔直徑為42 mm。炸藥為2號(hào)巖石乳化炸藥，藥卷直徑為32 mm，藥卷密度為0.95～1.30 g/cm3，炸藥爆速大于3 200 m/s。

2 爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)方案

本文主要研究延時(shí)爆破中不同延時(shí)時(shí)間對(duì)地表振動(dòng)波形疊加的影響情況，故在分別使用毫秒第1系列延時(shí)雷管和半秒第2系列延時(shí)雷管進(jìn)行全斷面爆破的同時(shí)，在測(cè)點(diǎn)A處安裝測(cè)振儀器，對(duì)延時(shí)爆破產(chǎn)生的地表振動(dòng)速度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。其中，測(cè)點(diǎn)A位于隧道軸線上，且測(cè)點(diǎn)A與爆源的相對(duì)位置如圖1所示。

圖1 爆源與測(cè)點(diǎn)A的方位

其中，毫秒第1系列延時(shí)雷管和半秒第2系列延時(shí)雷管的延時(shí)時(shí)間和每段雷管的誤差時(shí)間分別如表1和表2所示。

表1 毫秒第1系列延時(shí)雷管的延時(shí)時(shí)間

表2 半秒第2系列延時(shí)雷管的延時(shí)時(shí)間

本次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)采用的是成都中科測(cè)控有限公司生產(chǎn)的TC-4 850爆破測(cè)振儀。測(cè)振儀器的現(xiàn)場(chǎng)安裝如圖2所示。

圖2 爆破測(cè)振儀現(xiàn)場(chǎng)安裝

3 振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

選擇2次毫秒延時(shí)全斷面爆破和2次半秒延時(shí)全斷面爆破在地表質(zhì)點(diǎn)A處的測(cè)振數(shù)據(jù)，對(duì)2種不同延時(shí)時(shí)間下的振速波形進(jìn)行分析。

3.1 毫秒延時(shí)爆破

一共進(jìn)行了2次毫秒延時(shí)全斷面爆破，第1次總藥量132 kg，第2次總藥量126 kg，雷管為1～15段跳段使用。

第1次全斷面毫秒延時(shí)爆破時(shí)，測(cè)點(diǎn)A距爆源的水平距離為52.5 m,高程差為54.9 m，直線距離為76 m。其中，振速最大值出現(xiàn)在垂直方向上，最大值為-0.583 cm/s，主頻為50.000 Hz，測(cè)點(diǎn)A振速波形如圖3所示。

圖3 第1次全斷面毫秒延時(shí)爆破測(cè)點(diǎn)A的振速波形

第2次全斷面毫秒延時(shí)爆破時(shí)，測(cè)點(diǎn)A距爆源的水平距離為50.5 m,高程差為55.2 m，直線距離為75 m。其中，振速最大值出現(xiàn)在垂直方向上，最大值為-0.710 cm/s，主頻為86.957 Hz，測(cè)點(diǎn)A振速波形如圖4所示。

圖4 第2次全斷面毫秒延時(shí)爆破測(cè)點(diǎn)A的振速波形

根據(jù)2次爆破的分段可知，第1段掏槽孔和第2段掏槽孔之間的理論延時(shí)時(shí)間為0.05 s，延時(shí)時(shí)間較短，且從圖3和圖4的振速波形可以看出，不同段的振速波形之間會(huì)產(chǎn)生一定程度的疊加作用，可能會(huì)導(dǎo)致振速的增大。

3.2 半秒延時(shí)爆破

半秒延時(shí)全斷面爆破也一共進(jìn)行了2次，第1次總藥量為138 kg，分9段，分別為1、3、5、7、9、11、12、13、15；第2次總藥量144 kg，與第1次一樣。

第1次全斷面半秒延時(shí)爆破時(shí)，測(cè)點(diǎn)A爆源距測(cè)點(diǎn)A的水平距離為37.8 m，垂直距離為64.5 m；直線距離75 m。其中，振速最大值出現(xiàn)在垂直方向上，最大值為0.224 cm/s，主頻為148.148 Hz。測(cè)點(diǎn)A振速波形如圖5所示。

圖5 第1次全斷面半秒延時(shí)爆破測(cè)點(diǎn)A振速波形

第2次全斷面半秒延時(shí)爆破時(shí)，測(cè)點(diǎn)A距爆源的水平距離為35.2 m，垂直距離為64.2 m；直線距離為73 m。其中，振速最大值出現(xiàn)在垂直方向上，最大值為0.302 cm/s，主頻為68.966 Hz。測(cè)點(diǎn)A振速波形如圖6所示。

圖6 第2次全斷面半秒延時(shí)爆破測(cè)點(diǎn)A振速波形

根據(jù)兩次半秒延時(shí)爆破的分段可知，第1段掏槽孔和第二段掏槽孔之間的延時(shí)時(shí)間為1 s，延時(shí)時(shí)間非常大，且從圖5和圖6中的振速波形中也可以看出，不同段的波形之間延時(shí)非常大，每段波形都是相互獨(dú)立的，相互之間沒有任何疊加作用，雖然避免了波形疊加可能產(chǎn)生的振速放大作用，但過大的延時(shí)時(shí)間會(huì)導(dǎo)致一次爆破的持續(xù)過程過長(zhǎng)，對(duì)周圍居民影響加大。

4 振動(dòng)波形疊加理論分析

首先，根據(jù)球形藥包的等效的孔穴理論和Hoop推導(dǎo)的彈性半空間內(nèi)的點(diǎn)源作用下地表質(zhì)點(diǎn)的位移函數(shù)，可推導(dǎo)出彈性介質(zhì)中球形藥包的地表振速波形函數(shù)[10]。但是根據(jù)彈性介質(zhì)推導(dǎo)出的振動(dòng)速度函數(shù)其形式復(fù)雜，很難在具體工程中得到應(yīng)用，且彈性介質(zhì)與實(shí)質(zhì)介質(zhì)兩者之間也存在著很大區(qū)別。因此通過以彈性介質(zhì)中的地表振速波形函數(shù)為基礎(chǔ)，再考慮實(shí)際介質(zhì)的地表振動(dòng)特性能夠構(gòu)造出一個(gè)適用于實(shí)際介質(zhì)中且形式簡(jiǎn)潔的振動(dòng)波形函數(shù)[11]。

其中，構(gòu)造的實(shí)際介質(zhì)中球形藥包爆破引起的地表振速波形函數(shù)為：

(1)

表3 各級(jí)巖石的β和RMR值

根據(jù)實(shí)測(cè)振速波形可知，隧道掘進(jìn)中峰值振速主要是由第1段掏槽孔或者第2段掏槽孔引起的，故本文主要分析這兩段掏槽孔爆破所引起的地表振動(dòng)波形。

一段掏槽孔由多個(gè)炮孔組成，但炮孔的間距相對(duì)于到地表測(cè)點(diǎn)A的距離來說要小得多。故本文借鑒文獻(xiàn)[12]簡(jiǎn)化藥包的方法，在藥包長(zhǎng)度和總藥量不變的條件下，一段的掏槽孔可以簡(jiǎn)化為一個(gè)單孔柱狀藥包，繼而將隧道掌子面上第1段和第2段的掏槽孔轉(zhuǎn)化為兩個(gè)單孔柱狀藥包，并借鑒Starfield A M將柱狀藥包劃分為若干段短柱藥包的疊加[13]，再將劃分后的短柱藥包等效為球形藥包，隨后通過疊加球形藥包來實(shí)現(xiàn)單孔柱狀裝藥爆破，得到單孔柱狀藥包爆炸的地表振速波形函數(shù)，然后分析兩段掏槽孔爆破所引起的地表振動(dòng)波形，單孔柱狀藥包爆炸的地表振速波形函數(shù)可參照公式(2)，其中，柱狀藥包中球形藥包的劃分原則為系列等效球形藥包疊加后的總長(zhǎng)度仍等于柱狀藥包長(zhǎng)度，同時(shí)總藥量不變。

(2)

式中：qe為每個(gè)等效球形藥包的裝藥量。

通過此計(jì)算方法分別得到第1段和第2段掏槽孔爆破引起的地表振動(dòng)波形，再調(diào)整不同的延時(shí)時(shí)間將兩者的振動(dòng)波形進(jìn)行疊加，從而得到不同延時(shí)時(shí)間下的爆破振動(dòng)波形[14]，波形函數(shù)如下。

(3)

由前文可知，隧道圍巖等級(jí)為Ⅲ級(jí)，埋深h=55 m，測(cè)點(diǎn)A距掌子面水平距離x=50 m，所使用的炸藥為乳化炸藥，密度為1 100 kg/m3，爆速為3 500 m/s，巖石的泊松比為0.24，彈性模量E為62 GPa，密度為2 700 kg/m3。故參數(shù)取值為k=50、α=1.6、β=50。第1段掏槽孔的總裝藥量Q=16.8 kg，填塞長(zhǎng)度l1=0.9 m，柱狀藥包長(zhǎng)度l=2.1 m；第2段掏槽孔的總裝藥量Q=10.8 kg，填塞長(zhǎng)度l1=1.2 m，柱狀藥包長(zhǎng)度l=1.8 m。

在總藥量和藥包長(zhǎng)度不變的條件下，可將第1段掏槽孔等效為一個(gè)長(zhǎng)2.1 m、直徑0.1 m的簡(jiǎn)化藥包，再依據(jù)柱狀藥包劃分球形藥包的原則，可將其劃分為17個(gè)直徑0.124 m的球形藥包的疊加，每個(gè)球形藥包的裝藥量為0.99 kg，然后通過疊加這些球形藥包就可得到地表的振動(dòng)波形。同理，可將第2段掏槽孔等效為一個(gè)長(zhǎng)1.8 m、直徑0.083 m的簡(jiǎn)化藥包，并將其劃分為18個(gè)直徑0.1 m的球形藥包，每個(gè)球形藥包的裝藥量為0.6 kg，再疊加球形藥包最終得到該段掏槽孔所引起的地表振動(dòng)波形。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)延時(shí)爆破的延時(shí)時(shí)間，將第1段掏槽孔和第2段掏槽孔的延時(shí)時(shí)間設(shè)置為0.05 s和1 s，并分別繪出相應(yīng)延時(shí)時(shí)間的爆破地表振動(dòng)波形(見圖7和圖8)。

圖7 延時(shí)時(shí)間為0.05 s的波形疊加

圖8 延時(shí)時(shí)間為1 s的波形疊加

從圖7和圖8中可以看出，單段波形的持續(xù)時(shí)間為0.04 s左右，當(dāng)延時(shí)時(shí)間大于0.04 s之后不同段的振速波形之間就獨(dú)立開來，故在延時(shí)時(shí)間為0.05 s和1 s的圖中，兩段掏槽孔的地表波形都沒有形成疊加效果，與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)有所區(qū)別。

在此基礎(chǔ)上再次調(diào)整延時(shí)時(shí)間，使延時(shí)時(shí)間小于0.04 s，讓兩段波形形成疊加效果，分別取延時(shí)時(shí)間為0.007、0.015、0.02 s，繪出相應(yīng)的疊加波形(見圖9～圖11)。

圖9 延時(shí)時(shí)間為0.007 s的波形疊加

圖10 延時(shí)時(shí)間為0.015 s的波形疊加

圖11 延時(shí)時(shí)間為0.02 s的波形疊加

從圖9～圖11中可以看出，當(dāng)延時(shí)時(shí)間小于0.04 s之后，兩段波形發(fā)生了疊加，且不同延時(shí)時(shí)間下的疊加效果完全相反，當(dāng)延時(shí)時(shí)間為0.015 s時(shí)，兩個(gè)波峰發(fā)生疊加，導(dǎo)致第2個(gè)波峰處的振速超過第1個(gè)波峰，造成振速峰值增加的現(xiàn)象；而當(dāng)延時(shí)時(shí)間為0.007 s或0.02 s時(shí)，波峰與波谷發(fā)生疊加，從而第2個(gè)波峰處的振速產(chǎn)生減小的效果。

5 方案優(yōu)化的討論

本次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)先后使用了毫秒延時(shí)雷管和半秒延時(shí)雷管進(jìn)行全斷面爆破。從監(jiān)測(cè)到的地表振速波形中可以看出，毫秒延時(shí)雷管不同段的波形之間產(chǎn)生了疊加作用，造成振速的增加或者減小。而依據(jù)理論計(jì)算得到的振速波形可知，當(dāng)延時(shí)時(shí)間大于40 ms即可避免疊加作用，而毫秒延時(shí)MS1、MS3段之間的延時(shí)時(shí)間為50 ms，卻產(chǎn)生了波形之間的疊加。

將測(cè)點(diǎn)A的2次半秒延時(shí)爆破振速波形中的峰值振速最大的一段波形提取出來，同時(shí)也給出另外兩組不同爆心距處的單段波形(見圖12)。

圖12 單段實(shí)測(cè)振速波形

從圖12a可以看出，爆心距為73 m時(shí)，振速波形的持續(xù)時(shí)間大致為0.15 s左右，在0.15 s之后，這段振速波形就完全消失了，這與理論計(jì)算得到的持續(xù)時(shí)間0.04 s差別較大，并且振速并不是先增大然后逐漸減小，而是在振速衰減的時(shí)候又有新的波形疊加進(jìn)去，這是由于非電雷管存在誤差導(dǎo)致的，同段的雷管并不能同時(shí)起爆，而是在一個(gè)相對(duì)小的時(shí)間范圍內(nèi)起爆，這就導(dǎo)致單段波形的持續(xù)時(shí)間變長(zhǎng)了，且段與段之間的延時(shí)時(shí)間也變短了，這就解釋了毫秒延時(shí)MS1、MS3段之間的延時(shí)時(shí)間為0.05 s時(shí)地表振動(dòng)波形還是形成了疊加的原因。

雖然振速波形的持續(xù)時(shí)間大致為0.15 s左右，但隨著爆心距的變化，持續(xù)時(shí)間有所變化。爆心距為65 m時(shí)，持續(xù)時(shí)間約為0.13 s；爆心距為75 m時(shí)，持續(xù)時(shí)間約為0.23 s；爆心距為100 m時(shí)，持續(xù)時(shí)間約為0.3 s。故可知，隨著爆心距的增加，振速波形的持續(xù)時(shí)間會(huì)相對(duì)增大，但振速相對(duì)減小，即使發(fā)生疊加影響也不大，故合理延時(shí)時(shí)間需要根據(jù)離爆源最近的房屋處或最危險(xiǎn)的房屋處的振動(dòng)持續(xù)時(shí)間確定。

當(dāng)使用非電延時(shí)雷管時(shí)，由于誤差的存在，導(dǎo)致不能按理論計(jì)算來設(shè)置延時(shí)時(shí)間，且每段雷管無法確定具體的爆破時(shí)間，就無法做到將兩段振速波形的波峰與波谷進(jìn)行疊加，只能將兩段波形完全獨(dú)立。故在使用毫秒延時(shí)非電雷管時(shí)，根據(jù)表1中的毫秒延時(shí)時(shí)間和每段的誤差時(shí)間可知，第1段掏槽孔和第2段掏槽孔分別使用MS1段雷管和MS4段雷管才能使兩者的延時(shí)時(shí)間達(dá)到0.04 s以上，實(shí)現(xiàn)兩段波形獨(dú)立，安全爆破。

而使用電子雷管時(shí)，由于電子雷管的誤差可以忽略不計(jì)，不僅可以使兩段波形獨(dú)立開來，而且還能使兩段波形的波峰與波谷進(jìn)行疊加，達(dá)到波形抵消、振速減小的效果(見圖9和圖11)。故根據(jù)理論計(jì)算方法可知，針對(duì)本工程使用電子雷管的合理延時(shí)時(shí)間為0.006～0.011s或者大于0.019 s，對(duì)于0.011～0.019 s 并不能起到減小振速的作用。

6 結(jié)論

1)綜合分析了隧道掘進(jìn)中毫秒延時(shí)爆破和半秒延時(shí)爆破引起的實(shí)測(cè)地表振速波形的疊加效應(yīng)，可知由于非電雷管的誤差影響，導(dǎo)致不同段毫秒延時(shí)爆破引起的地表振動(dòng)波形產(chǎn)生了疊加；而半秒延時(shí)雷管雖有誤差影響，但不同段之間的延時(shí)時(shí)間較大，振動(dòng)波形相互獨(dú)立，沒有產(chǎn)生疊加作用。

2)利用理論計(jì)算的方法，對(duì)比了工程中毫秒和半秒延時(shí)時(shí)間下的爆破振動(dòng)波形；并根據(jù)繪出的不同延時(shí)時(shí)間下的振速波形，探討了不同延時(shí)時(shí)間下的疊加效應(yīng)。

3)根據(jù)實(shí)測(cè)振速波形的疊加效應(yīng)，結(jié)合理論計(jì)算，給出了本工程中不同爆心距下的毫秒延時(shí)非電雷管的合理延時(shí)時(shí)間和某一爆心距下電子雷管的合理延時(shí)時(shí)間，且認(rèn)為合理延時(shí)時(shí)間需根據(jù)離爆源最近的房屋處或最危險(xiǎn)的房屋處的振動(dòng)持續(xù)時(shí)間確定。