城市隧道非電雷管延時實測與振動分析

曾恭劍　陳　哲

( 1.重慶順安爆破器材有限公司；2.北京科技大學土木與環境工程學院)

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城市隧道非電雷管延時實測與振動分析

曾恭劍1陳哲2

( 1.重慶順安爆破器材有限公司；2.北京科技大學土木與環境工程學院)

城市隧道爆破開挖過程中，由于高安全需求，對爆破振動的要求極為嚴格。在爆破施工過程中，針對振速異常或超振問題，根據現場實測非電雷管各段別微差延時間隔，剔除因段間延時長度不夠而引起“串段”的段別，并根據不同段差間的延時間隔特點，對掏槽爆破設計進行了進一步優化。根據現場實測的不同藥量的單孔單自由面爆破振動曲線，與雷管各段別微差間隔時間綜合分析，最終確定掏槽孔的最優藥量。經過后續40余次的爆破測試，振速有效降低了30%左右。

降振微差延時隧道爆破

近年來，隨著我國經濟的快速發展，城市隧道的修建也越來越密集，考慮工程地質條件和經濟效率，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、地下空間復雜、且伴有文物保護建筑，爆破開挖的振動難免會影響附近居民和建筑物安全[1-2]，如何在低振速要求下進行隧道控制爆破是當前學者研究的熱點。常規的分散裝藥、減小斷面或降低進尺等降振爆破技術都是以降低施工效率、增加施工成本為代價的，電子雷管由于其具有延時精度高、可以任意設置段別等優點，可以實現減少爆破振動幅值的疊加，從而有效降低爆破振動速度[3-4]。但由于其價格昂貴，尚未能推廣使用。

許多學者都進行了雷管微差起爆與振動關系的研究。徐振洋等運用HHT方法，研究了爆破振動信號的時頻及能量分布特征，認為高精度雷管逐孔起爆可以使爆破振動信號能量分布更均勻，減少能量在10Hz以下低頻帶上的分布[5]；范作鵬、錢守一、張義平等分析了瞬時能量法和EMD識別法在雷管微差間隔的識別應用，依據爆破振動曲線，較為準確的識別了各段別雷管的延時特性[6-8]。本文在使用普通非電雷管進行隧道爆破的條件下，通過分析現場實測雷管微差延時間隔和不同藥量單孔試驗的振動數據，探索一種適用于現場的振速異常或超標的原因分析，并提出針對性的解決方法。

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中心渝中區解放碑，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，環境極為復雜。區段基巖以砂巖、泥質砂巖為主，巖性為Ⅳ級巖石，巖石堅固性系數f=5.2。

隧道爆破時全程振速控制極嚴，要求地面振速在1.0cm/s以下(部分區域0.5cm/s)。在爆破施工過程中，一旦出現振速超標或異常，要及時對異常原因進行分析，并對爆破參數進行相應的調整。

2　非電雷管延時實測與段別設計

結合本工程實際情況，在不使用電子雷管的條件下，僅依靠普通的非電雷管達到工程嚴格的振速要求，必須利用現有技術保證非電雷管的延時精度和段別數量。為此，與廠家合作開發專用的高精度導爆管，并重新編制段別，總段別28段，其中可用段別25段(無4、19、20段編號)。各段雷管微差間隔精度是保證爆破過程尤其是掏槽區精準控制爆破的基礎。為了排除雷管延時精度不夠或雷管“串段”導致振速超標，需要對雷管的實際延時間隔進行實測。

為獲取各段雷管的實際微差起爆間隔時間，在同一批次的雷管中選7個樣本進行延時起爆精度測試。圖1是各段雷管平均起爆時間，從圖中可以看出，各段雷管均沒有出現“串段”現象。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為各段雷管起爆時間標準差曲線圖。反應各段雷管微差起爆時間的離散性，從圖中可以看出，此外，為確保爆破施工能夠安全有效地進行，還要考慮相鄰兩段雷管的最小間隔時間是否符合安全標準。在7組樣本數據中，用后一組數據的最小值減去前一組數據的最大值，即是段間最小時間間隔。各段雷管間最小間隔時間差曲線如圖3所示。

圖1　各段雷管平均起爆時間實測值

圖2　各段雷管起爆時間標準差實測值

圖3　雷管相鄰各段最小間隔時間差

由圖3可以看出，2～3段、16～17段和21～22段，段間最小間隔時間均小于4ms，結合圖2，1～18段起爆時間標準差不大于5ms，這3個相鄰段別極易發生“串段”。為保證爆破安全可靠性，在爆破設計中應該避免這3個可能發生串段的間隔。綜合考慮，舍去3段、16段和21段。

在進行爆破設計調整時，低段別的1～19段(舍去3、16段)同段標準差較小，實際微差間隔時間較為穩定，為30ms左右，適用于精確的掏槽區控制爆破；高段別的20～28段，同段標準差較大，但微差間隔時間較大，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

3.1炮孔布置

根據上述段別雷管的不同延時特性，爆破設計調整為：掏槽區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，第二臨空面已經形成，輔助掏槽孔由10段作為輔助掏槽開始段。經過計算，分兩次爆破能安全有效的完成上臺階的爆破掘進。圖4為上臺階兩步開挖炮孔示意圖。

3.2掏槽區單孔藥量的確定

根據爆破安全規程振動計算公式，分別計算不同部位、不同安全距離的炮孔最大安全藥量：

圖4　兩次爆破炮孔設計(單位：cm)

(1)

式中，Q為最大分段藥量，kg；R為受保護的質點與爆源距離，m；V為質點安全允許最大振動速度，cm/s；K、α分別為與地形，地質條件有關的系數和衰減系數，取值見表1。

表1　不同巖性的K、α值

根據渝中隧道爆破現場工程實際情況，取V=1.0cm/s、K=185.86、α=1.76，R=25m，計算可得Q=2.1kg。即最大分段藥量不能超過2.1kg。

掏槽區爆破是整個斷面爆破過程中最關鍵的部分，爆破效果的好壞直接影響到后續擴槽孔、輔助孔等的爆破質量，且掏槽爆破是爆破全過程中振速峰值最集中的區域，也是最容易發生超振的區域。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際情況的爆破振動數據，在隧道現場進行0.8，1.0和1.2kg的單孔單自由面的測試爆破，得到不同藥量下的單孔爆破振動數據。3種不同藥量的單孔單自由面的爆破振動峰值如表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，單孔振速下降了21%；從1.0～0.8kg時，單孔振速下降了19%。單孔藥量1.2kg的振動峰值為0.75cm/s，首爆掏槽兩孔的疊加振速極易超過最大允許值1.0cm/s，故不采用;1.0和0.8kg的振動峰值分別為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爆破參數優化

根據各段實測雷管的延時長度，對段別進行重新編排并優化布置(見圖4)，原上臺階爆破分兩步爆破，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°設計，進尺為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如表3所示。

表3　炮孔參數

4　現場驗證與振動分析

將調整后的爆破設計應用于隧道施工，在后續一個月的爆破施工中，循環進尺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的問題。在對后續40多次的爆破振動測試數據進行對比分析后，選取了相對穩定的一組1區爆破振動測試數據進行振動分析。圖5是掏槽區所在1區爆破振動曲線圖。

圖5　1區爆破振動波形

由圖5看出，掏槽區仍然是全程振動最大的區域，其中振動峰值個數和振速大小都尤為集中，掏槽區爆破時間從0～300ms；輔助孔區，振動峰值和振動速度都大幅度下降，分析認為由于掏槽區爆破后，形成新的自由面，極大地降低了爆破振動速度，持續時間從300～550ms；周邊孔爆破，振動峰值和振動速度最小，對工程的影響極小。

5　結　論

(1)通過對雷管各段別準確延時實測，分析了各段雷管之間延時差異，結合前期現場爆破施工振動曲線圖對比分析，準確找出引起超振的問題所在，并根據現場實測各段雷管微差延時間隔，對爆破設計中各炮孔(尤其是掏槽區炮孔)段別重新編排。經過現場試驗驗證，解決了超振問題，達到了工程預期目的。

(2)城市隧道爆破施工過程中，影響振速的因素較多，如雷管段間微差延時、同段藥量、地質情況以及地形等，施工中需要根據現場情況具體分析。本文在對雷管段間微差延時實測和對不同藥量的單孔單自由面現場試驗，進而調整雷管段別和單孔藥量，在后續的工程應用中達到了預期目的，對同類爆破工程有借鑒意義。

[1]林從謀.淺埋隧道掘進爆破震動特性預報及控制技術研究[D].上海：同濟大學，2005.

[2]肖文芳，肖文濤，房澤法.地鐵隧道掘進爆破地表振動效應研究[J].工程爆破,2012,18(2)：46-49.

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[4]李順波，楊軍，陳浦，等.精確延時控制爆破振動的實驗研究[J].爆炸與沖擊,2013,33(5):513-518.

[5]徐振洋，楊軍，陳占揚.高精度雷管逐孔起爆地震信號的精確時頻分析[J].煤炭學報，2013,38(2)：333-335.

[6]范作鵬，錢守一，李啟月.微差爆破實際延遲時間識別方法比較與優選[J].礦冶工程，2012,32(3)：4-8.

[7]錢守一，李啟月.微差爆破實際延遲時間的HHT瞬時能量識別法[J].礦業研究與開發，2012,32(2)：113-116.

[8]張義兵，李夕兵，趙國彥.爆破微差延時的EMD識別法[J].地下空間與工程學報，2006,3(2)：488-490.

2016-03-16)

曾恭劍(1966-)，男，工程師，400713重慶市北碚區復興鎮復興街845號。