電子雷管在光面爆破中的應(yīng)用

高朋飛 金 鵬 楊 翎 馬立飛

（1.安徽理工大學(xué)土木工程學(xué)院，安徽淮南232001；2.安徽江南爆破工程有限公司，安徽宣城242300）

當(dāng)前，隨著城市化進(jìn)程的快速發(fā)展，我國的公路建設(shè)發(fā)展迅猛，路塹開挖爆破工程越來越普遍［1-3］。路塹開挖爆破工程要求爆破后的邊坡光滑穩(wěn)定，破碎塊度能夠滿足路基用石料要求，這就要求起爆用的雷管要有較高的延遲精度，傳統(tǒng)的工業(yè)雷管段數(shù)有限，且延遲精度低，在光面爆破工程中應(yīng)用時(shí)，使得爆后巖壁平整度差，圍巖受爆破破壞大，易產(chǎn)生大塊和根底，帶來爆破振動(dòng)危害、鏟裝和運(yùn)輸效率低下等諸多問題［4-5］。電子雷管具有延時(shí)精度高，段別精確誤差可控等優(yōu)點(diǎn)在城市密集建筑群下低振速爆破，深孔微差爆破中得到較大的應(yīng)用［6-8］，有效降低爆破振動(dòng)危害。但是電子雷管在光面爆破，控制爆后石料塊度，改善爆破效果中的應(yīng)用報(bào)道較少。

本研究以溫州繞城高速公路路塹開挖爆破工程為背景，運(yùn)用電子雷管并聯(lián)起爆網(wǎng)絡(luò)和導(dǎo)爆管雷管復(fù)式起爆網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了光面爆破試驗(yàn)，比較2種雷管起爆后的石料塊度，討論電子雷管在光面爆破及石料塊度控制方面的應(yīng)用。

1 工程概況

1.1 工程概述

溫州繞城高速公路是溫州大都市區(qū)的交通主骨架，是關(guān)系到能否實(shí)現(xiàn)都市區(qū)半小時(shí)交通圈的關(guān)鍵性工程。它起于鹿城區(qū)仰義街道，接金麗溫高速公路，與繞城北線相連，終點(diǎn)位于閣巷鎮(zhèn)東，設(shè)閣巷樞紐連接甬臺(tái)溫高速復(fù)線，路線全長56.334 km。工程線路位于浙南沿海丘陵平原與浙南中山區(qū)交叉地區(qū)，起點(diǎn)屬于甌江南岸海積平原，隨后在仰義—郭溪段以隧道穿越低山丘陵；路線中段沿條帶狀海積平原及中低山坡麓南行穿越開闊的飛云江海積平原，最后路線折向東穿越低山丘陵啞口進(jìn)入地勢低洼平坦、水網(wǎng)密布的濱海海積平原?？傮w劃分為2種地貌，即侵蝕—?jiǎng)兾g低山丘陵區(qū)、平原堆積區(qū)。

1.2 路塹工程的地質(zhì)條件

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本工程挖方路段均位于侵蝕剝蝕丘陵區(qū)，地形坡伏較大，表部為殘坡積地層，下伏基巖，一般為硬質(zhì)巖，巖性主要有砂巖、凝灰?guī)r、花崗巖、霏細(xì)斑巖等，巖石抗風(fēng)化能力強(qiáng)，巖體完整性一般較好，路塹邊坡坡率根據(jù)圍巖條件不同設(shè)計(jì)取不同的坡率，全風(fēng)化層1∶1.25、強(qiáng)風(fēng)化層1∶1.00、中風(fēng)化層1∶0.5～1∶0.75、微風(fēng)化層1∶0.3～1∶0.5。本項(xiàng)目部分區(qū)段路塹邊坡開挖斷面示意如圖1所示。

1.3 路塹工程設(shè)計(jì)要求

本工程要求爆破后的邊坡光滑穩(wěn)定，破碎塊度應(yīng)滿足路基用石料要求，其包絡(luò)線見圖2，具體爆破開采料技術(shù)指標(biāo)為：最大粒徑dmax≤550 mm，小于5.5 mm含量為＜15%，小于0.1 mm含量少于5%，路基填筑碾壓后指標(biāo)：孔隙率n≤19%，干容重rd=22.0 kN/m3。

2 光面爆破方案的確定

根據(jù)工程設(shè)計(jì)要求，通過對(duì)工程現(xiàn)場的實(shí)地考察，了解現(xiàn)場施工情況，在既保證邊坡光滑穩(wěn)定又讓爆破石塊料滿足一定要求的情況下，初步擬定采用如圖3所示光面爆破開挖以保證邊坡的穩(wěn)定性，主爆區(qū)采用連續(xù)裝藥的中深孔爆破，接近邊坡面的緩沖區(qū)采用不耦合裝藥的光爆層孔緩沖爆破，邊坡面采用不連續(xù)不耦合裝藥的光面爆破。

2.1 爆破參數(shù)的確定

依據(jù)上述光面爆破方案，需要綜合考慮地質(zhì)情況、雷管與炸藥品種、施工設(shè)備與工藝等因素進(jìn)行爆破方案設(shè)計(jì)。光面爆破的難點(diǎn)在于周邊孔之間的互相貫通，并且彼此形成較為規(guī)則的半圓孔，達(dá)到邊坡面平整規(guī)正，對(duì)周邊巖石擾動(dòng)較小。為了達(dá)到設(shè)計(jì)要求和良好的爆破效果，設(shè)計(jì)了如表1所示爆破參數(shù)。

2.2 起爆網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的選擇

光面爆破是一個(gè)動(dòng)態(tài)斷裂的過程，爆破應(yīng)力波首先使炮孔周圍產(chǎn)生初始徑向裂紋，然后在爆生氣體準(zhǔn)靜態(tài)壓力作用下，初始徑向裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展延伸，同時(shí)由于孔間的導(dǎo)向作用會(huì)使得孔間連線產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，這樣就會(huì)在孔間連線產(chǎn)生裂紋，而滯后的高壓氣體膨脹作用使得孔間連線產(chǎn)生的裂紋全部貫通成縫［9］。這其中最關(guān)鍵的技術(shù)就是讓所有光爆孔同時(shí)起爆，以保證裂縫的形成和平整光滑，所以雷管延時(shí)參數(shù)的確定和起爆順序的選擇對(duì)光面爆破效果影響甚大。根據(jù)爆破方案，確定主爆孔和緩沖孔采用排間間隔50 ms，孔間間隔25 ms，最后光爆孔同時(shí)起爆的起爆網(wǎng)絡(luò)。雷管品種可以選擇非電導(dǎo)爆管雷管或者電子雷管。當(dāng)使用導(dǎo)爆管雷管起爆網(wǎng)絡(luò)時(shí)，排間地表雷管用3段，孔間地表雷管用2段，孔內(nèi)雷管用13段（650 ms），組成復(fù)式起爆網(wǎng)絡(luò)；當(dāng)使用電子雷管起爆網(wǎng)絡(luò)時(shí)，由于電子雷管時(shí)間可以現(xiàn)場設(shè)定，所以每發(fā)電子雷管延時(shí)直接按起爆網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，組成并聯(lián)起爆網(wǎng)絡(luò)。

2.3 光面爆破方案選擇電子雷管的理由

傳統(tǒng)導(dǎo)爆管延期雷管采用延期藥來實(shí)現(xiàn)延時(shí)功能，延時(shí)精度不高，常會(huì)出現(xiàn)跳段、盲炮事故，延期時(shí)間不能根據(jù)現(xiàn)場情況靈活設(shè)置，難以實(shí)現(xiàn)起爆時(shí)序的精確控制，爆破效果差。電子雷管是采用電子控制模塊對(duì)起爆過程進(jìn)行控制的雷管，其實(shí)物及結(jié)構(gòu)見圖4。如圖4所示，內(nèi)置在管殼內(nèi)部的電子控制模塊具備雷管起爆延期時(shí)間控制、起爆能量控制功能，內(nèi)置雷管身份信息碼和起爆密碼，能對(duì)自身功能、性能以及雷管點(diǎn)火元件的電性能進(jìn)行測試，并能和起爆控制器及其他外部控制設(shè)備進(jìn)行通信。因此，它具有延時(shí)精確、延期時(shí)間設(shè)置靈活、延期范圍廣、組網(wǎng)規(guī)模大、信號(hào)傳輸距離長的優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)能更好地實(shí)現(xiàn)爆破工程的時(shí)序控制與效果控制，達(dá)到預(yù)期的破碎效果及振動(dòng)災(zāi)害控制。在光面爆破方案中，最關(guān)鍵的技術(shù)就是讓所有光爆孔同時(shí)起爆，以保證裂縫的形成和平整光滑，也就是說要求雷管的延期精度越高越好，這正是電子雷管比傳統(tǒng)導(dǎo)爆管雷管最具有優(yōu)勢的方面，所以理論上光面爆破采用電子雷管起爆網(wǎng)絡(luò)能達(dá)到更好的爆破效果。

3 電子雷管在光面爆破中的應(yīng)用

3.1 電子雷管與導(dǎo)爆管雷管的延期性能比較

光面爆破的裂縫是否平整光滑與起爆時(shí)間的一致性有重大關(guān)系，有研究結(jié)果表明，起爆時(shí)間一致性越好，裂縫的表面越平整越光滑。起爆網(wǎng)絡(luò)中的參數(shù)設(shè)定都是雷管的名義延時(shí)，與其實(shí)際延時(shí)存在一定的差別，因此實(shí)驗(yàn)考察電子雷管和非電導(dǎo)爆管雷管的實(shí)際延期時(shí)間對(duì)起爆網(wǎng)絡(luò)中雷管的選用具有實(shí)際指導(dǎo)意義。本研究分別測試了名義延時(shí)為25 ms、50 ms和650 ms的電子雷管和非電導(dǎo)爆管雷管實(shí)際延期時(shí)間，采用延時(shí)誤差來表示雷管的延期精度［10］，每組25發(fā)，測時(shí)結(jié)果如表2所示。

由表2可知，在25 ms、50 ms和650 ms名義延時(shí)的測時(shí)結(jié)果中，電子雷管的平均延時(shí)與名義延時(shí)更接近，電子雷管延期時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)差、極差和延時(shí)誤差均比導(dǎo)爆管雷管的要小，說明電子雷管的延期精度比導(dǎo)爆管要高。電子雷管的延時(shí)標(biāo)準(zhǔn)差和極差普遍較小，變化不大，導(dǎo)爆管雷管的延時(shí)標(biāo)準(zhǔn)差和極差隨著名義延時(shí)的增加而增大。這與它們的延期原理不同有關(guān)，電子雷管采用電子芯片延時(shí)，延時(shí)準(zhǔn)確度高，其延期性能主要由點(diǎn)火藥頭的延期精度決定，而導(dǎo)爆管雷管采用延期體中的延期藥燃燒延時(shí)，由于燃燒的不穩(wěn)定性會(huì)出現(xiàn)一定程度誤差，它從本質(zhì)上是無法避免的，隨著延期時(shí)間的增加，這個(gè)誤差會(huì)逐漸增大，所以呈現(xiàn)出導(dǎo)爆管雷管延期時(shí)間越大，其延時(shí)誤差和極差也越大的現(xiàn)象。綜上分析可知，電子雷管的延期時(shí)間一致性好，精度高，延期性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)異于導(dǎo)爆管雷管的延期性能。

3.2 電子雷管對(duì)爆破塊度的影響

鑒于電子雷管與導(dǎo)爆管雷管的延期時(shí)間一致性相差較大，本研究在地質(zhì)條件和爆破方案相同的情況下分別采用電子雷管并聯(lián)起爆網(wǎng)絡(luò)和導(dǎo)爆管雷管復(fù)式起爆網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了爆破試驗(yàn)，并對(duì)爆破后石塊的篩分結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，采用電子雷管起爆得到的爆破石料塊度大部分集中在10～450 mm，其塊度在上下包絡(luò)線之內(nèi)，能較好地滿足工程需求。導(dǎo)爆管雷管起爆產(chǎn)生的石料塊度不均勻，大塊和小塊較多。這是因?yàn)殡娮永坠茉谄鸨^程中延期時(shí)間與設(shè)計(jì)時(shí)間比較接近，能較好地進(jìn)行應(yīng)力波疊加，能量均衡，發(fā)揮出協(xié)同效應(yīng)，從而使巖石破碎均勻；而孔內(nèi)的13段導(dǎo)爆管雷管因?yàn)檠訒r(shí)極差較大，起爆時(shí)間無法精確控制，從而導(dǎo)致有的部位能量密集產(chǎn)生大量小塊，進(jìn)而導(dǎo)致有的部位能量損失產(chǎn)生大塊。試驗(yàn)結(jié)果表明，電子雷管由于延期精度高，與設(shè)計(jì)延時(shí)較接近，在爆破中能獲得更均勻的塊度。

3.3 電子雷管與導(dǎo)爆管雷管光面爆破效果對(duì)比

本工程一個(gè)重要的指標(biāo)是邊坡的光滑穩(wěn)定性，它與光面爆破裂縫成型密切相關(guān)，而裂縫的形成又主要依靠鄰孔之間同時(shí)起爆產(chǎn)生的徑向沖擊波和拉伸應(yīng)力波及爆生氣體的共同作用。考慮到電子雷管與導(dǎo)爆管雷管的延期時(shí)間一致性相差較大，在同時(shí)起爆的一致性上會(huì)有所差異，因此研究了它們對(duì)光面爆破效果的影響，爆破后的邊坡效果如圖6所示。

從圖6中可以看出，采用電子雷管起爆網(wǎng)絡(luò)爆破后的邊坡表面平整，光爆孔清晰，光爆效果較好，而采用導(dǎo)爆管雷管網(wǎng)絡(luò)起爆的邊坡表面凹凸不平，光爆孔模糊不清，光爆效果較差。出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因在于光面爆破開挖方式中，各鄰孔之間的時(shí)間差越大，貫通裂縫的時(shí)間越長，作用在切向上的爆炸荷載時(shí)間也越長且越不均勻，形成的裂隙越不平整，甚至?xí)r間差大于100 ms時(shí)，如同各孔單獨(dú)起爆形成凹凸不平的壁面。當(dāng)所有光爆孔同時(shí)起爆時(shí)，會(huì)加速貫穿裂縫的速度，導(dǎo)致爆生氣體的快速逸出，從而減小了爆炸荷載的作用時(shí)間，形成平整的裂縫［11］。由于電子雷管在650 ms時(shí)的極差只有5.06 ms，一致性遠(yuǎn)高于延時(shí)極差為44.70 ms的導(dǎo)爆管雷管，所以它更容易形成平整的裂縫。試驗(yàn)結(jié)果表明電子雷管起爆網(wǎng)絡(luò)比導(dǎo)爆管雷管起爆網(wǎng)絡(luò)的光面爆破效果更好。

4 結(jié)論

針對(duì)溫州繞城高速公路路塹開挖爆破工程，比較了電子雷管并聯(lián)起爆網(wǎng)絡(luò)和導(dǎo)爆管雷管復(fù)式起爆網(wǎng)絡(luò)的光面爆破邊坡效果和石料塊度，得出如下結(jié)論：

（1）試驗(yàn)測試結(jié)果表明電子雷管的平均延時(shí)與名義延時(shí)更接近，電子雷管延期時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)差、極差和延時(shí)誤差均比導(dǎo)爆管雷管小，電子雷管的延期時(shí)間一致性好，精度高，延期性能優(yōu)異于導(dǎo)爆管雷管。

（2）采用電子雷管起爆，起爆過程中延期時(shí)間與設(shè)計(jì)時(shí)間比較接近，爆破后得到的石料塊度大部分集中在10～450 mm，塊度均勻，能較好地滿足工程需求。而采用導(dǎo)爆管雷管起爆，起爆時(shí)間無法精確控制，爆破后產(chǎn)生的石料塊度不均勻，大塊和小塊較多。

（3）采用電子雷管起爆網(wǎng)絡(luò)爆破后的邊坡表面平整，光爆孔清晰，光爆效果較好，而采用導(dǎo)爆管雷管網(wǎng)絡(luò)起爆的邊坡表面凹凸不平，光爆孔模糊，光爆效果較差。