阮清林

(中鐵隧道集團(tuán)有限公司，河南洛陽(yáng) 471009)

0 引言

在我國(guó)鐵路、公路、城市地鐵等工程領(lǐng)域，常常遇到隧道淺埋下穿地表密集建筑群，或從其附近穿過(guò)的情況。對(duì)于巖石隧道，采用鉆爆法施工的居多。而《爆破安全規(guī)程》［1］中對(duì)下穿地表建(構(gòu))筑物的爆破允許振速有嚴(yán)格規(guī)定，因此施工中往往采用減震爆破技術(shù)通過(guò)。以往基于毫秒延期導(dǎo)爆管雷管使用的隧道減震爆破方法有反臺(tái)階法［2］和 CD 法［3］、超前下導(dǎo)后續(xù)擴(kuò)挖面法［4］和分部開(kāi)挖法等，其不足之處是:進(jìn)尺短，一般控制在2 m以內(nèi)［2-5］;需要增加臨時(shí)支護(hù)，如導(dǎo)坑超前和分部開(kāi)挖;分部開(kāi)挖工效低，有的隧道即使在圍巖較好具備大斷面施工的條件下也不得不將斷面分成多個(gè)部分開(kāi)挖，如某機(jī)場(chǎng)路暗挖隧道，花崗巖地質(zhì)，建筑物到爆破地點(diǎn)距離35 m，為保護(hù)地表建(構(gòu))筑物，而采用CD法開(kāi)挖，爆破振速按1．0 cm/s控制，設(shè)計(jì)進(jìn)尺在 1．5 m 以內(nèi)［3］。

根據(jù)減震爆破理論，當(dāng)邊界條件相同時(shí)，爆破開(kāi)挖的最大振動(dòng)速度并不取決于一次起爆的總藥量，而決定于某單段的最大用藥量，減震爆破設(shè)計(jì)時(shí)要根據(jù)薩氏公式對(duì)其進(jìn)行計(jì)算［6］。在使用毫秒延期導(dǎo)爆管雷管進(jìn)行減震爆破時(shí)，在控制爆破振速的前提下，為最大限度地提高工效，布段時(shí)設(shè)計(jì)的單段裝藥量往往接近于根據(jù)薩氏公式計(jì)算出的最大單段裝藥量值，使得一個(gè)段別起爆的炮眼數(shù)量通常至少4個(gè)以上，周邊眼可達(dá)到20多個(gè)。對(duì)于掏槽部分，為使掏槽成功，也需要集中爆破能量，而將多個(gè)炮眼放在一個(gè)段別進(jìn)行起爆也是通常的做法。但這導(dǎo)致了爆破能量過(guò)于集中在一個(gè)段別，造成振速超限。而淺埋下穿城鎮(zhèn)段地表及周邊環(huán)境往往是比較復(fù)雜的，允許爆破振速等于甚至低于1．0 cm/s的建(構(gòu))筑物有時(shí)占有很大比例，這就對(duì)爆破提出了更高的要求，使施工變得更為困難。如本工程的長(zhǎng)洪嶺隧道下穿江池鎮(zhèn)段，爆破安全振速為1．0cm/s的房屋就有28棟。在有些工程中，因爆破允許振速要求過(guò)低，而不得不采用非爆開(kāi)挖方法，使施工效率大大降低，或者不得不采取人員臨時(shí)搬遷等措施。

電子毫秒電雷管(Electronic Detonator)具有高安全、高精度、寬延期范圍、延期在線設(shè)置、在線可編程等特點(diǎn)，是一種新型的爆破用雷管［7］。國(guó)外已廣泛采用其進(jìn)行減震爆破開(kāi)挖，國(guó)內(nèi)僅在為數(shù)不多的特殊重點(diǎn)工程中使用，技術(shù)還不是很成熟，特別是大斷面隧道近距下穿地表建筑物全斷面減震爆破開(kāi)挖技術(shù)還有待發(fā)展?；诖?，依托長(zhǎng)洪嶺隧道近距下穿江池鎮(zhèn)段，對(duì)電子毫秒電雷管爆破減震機(jī)制和途徑展開(kāi)試驗(yàn)研究。

1 工程概況

長(zhǎng)洪嶺隧道長(zhǎng)13 299 m，為渝利鐵路第2特長(zhǎng)單洞雙線客貨共線(開(kāi)行雙層集裝箱)隧道，旅客列車(chē)設(shè)計(jì)行車(chē)速度為200 km/h，隧道出口端位于重慶市豐都縣江池鎮(zhèn)，隧道出口DK183+050～+350段長(zhǎng)約300 m下穿江池鎮(zhèn)，埋深較淺，覆蓋層厚為22．7～43．5 m，地表建筑物密集(見(jiàn)圖1)，且多為民用磚砌房屋，土坯房年代較久，房屋抗震性能差。隧道下穿段施工需要采用控制爆破開(kāi)挖，設(shè)計(jì)要求控制振速不大于1．75 cm/s。專家風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估要求不大于1．5 cm/s。有江馬公路穿鎮(zhèn)而過(guò)，交通條件較好。

圖1 長(zhǎng)洪嶺隧道下穿江池鎮(zhèn)段地表建筑物情況Fig．1 Plan layout of surface buildings above Changhongling tunnel crossing underneath Jiangchi town

DK183+480～+000段圍巖情況好，較完整，掌子面圍巖穩(wěn)定。隧道全部均采用曲墻式帶仰拱復(fù)合式襯砌，邊墻與仰拱圓順連接。斷面面積為126．94～139．27 m2，為大斷面隧道。

隧道采用鉆爆法開(kāi)挖。采用火工品有毫秒延期導(dǎo)爆管雷管、電雷管、電子毫秒電雷管、5號(hào)塑料普通導(dǎo)爆索和2號(hào)巖石乳化炸藥(直徑32 mm)。

2 電子毫秒電雷管及其爆破降震原理

2．1 電子毫秒電雷管及其起爆系統(tǒng)介紹

隆芯1號(hào)TM電子毫秒電雷管(LUX-No．1 Electronic Detonator)是銥缽起爆系統(tǒng)的核心組成部分，是我國(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高安全、高精度、寬延期范圍、在線可編程電子毫秒電雷管。

隆芯1號(hào)TM電子毫秒電雷管主要技術(shù)指標(biāo)如下:

1)延期精度為0～100 ms，偏差小于1 ms;延期精度為101～16 000 ms，偏差小于1‰。

2)延期范圍為0～16 000 ms，最小時(shí)間間隔1 ms。

3)延期方式為在線設(shè)置。

4)檢測(cè)方式為在線檢測(cè)。

5)抗電性能為抗220VAC、50VDC、25KV 靜電、射頻及雜散電流。

6)起爆方式為起爆器登錄密碼、起爆授權(quán)密碼。

7)通信方式為兩線制雙向無(wú)極性組網(wǎng)通信。

8)使用溫度為-40～+85℃。

銥缽起爆系統(tǒng)(Ebtronic Blasting System)是隆芯1號(hào)電子毫秒電雷管專用起爆設(shè)備，分為200型和5 000型2種。

2．2 電子毫秒電雷管爆破波干擾減震原理

根據(jù)有關(guān)資料，隧道爆破使用非電毫秒延期導(dǎo)爆管雷管時(shí)，為使爆破振動(dòng)波形不疊加或較少疊加，合理微差時(shí)間是將雷管跳段使用，這樣爆破振動(dòng)速度基本只與最大單段裝藥量有關(guān)［1，8］。雷管跳段使用時(shí)，除1，3，5和7段之間時(shí)差小于100 ms外，其余跳段之間時(shí)差大于100 ms。而使用電子毫秒電雷管時(shí)，則與之相反，試圖利用前后爆破波的干擾。當(dāng)2個(gè)以上的波在同一質(zhì)點(diǎn)相遇時(shí)，會(huì)產(chǎn)生干擾，這種干擾能加強(qiáng)或削弱峰值。隧道光面爆破時(shí)，每個(gè)段別，也就是單響，都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)爆破振動(dòng)波，當(dāng)單響之間的延時(shí)差Δt小于振動(dòng)波的持續(xù)時(shí)間時(shí)，先后到達(dá)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)波就會(huì)產(chǎn)生干擾。在理想狀態(tài)下，當(dāng)兩波的振動(dòng)頻率一致，Δt等于半波長(zhǎng)的奇數(shù)倍時(shí)，兩波疊加削弱最強(qiáng)。而實(shí)際情況下，由于地質(zhì)、爆破參數(shù)、爆破部位不同等原因，每循環(huán)的爆破振動(dòng)頻率都會(huì)有差異，就是同一次爆破前后爆破波的振動(dòng)頻率也不盡相同。試驗(yàn)中就是要找出合適的電子毫秒電雷管延時(shí)差Δt。

3 隧道高效減震爆破開(kāi)挖技術(shù)試驗(yàn)

3．1 本工程的普通雷管減震技術(shù)情況

本工程使用毫秒延期導(dǎo)爆管雷管，采用分部(2部或3部)減震開(kāi)挖技術(shù)，單循環(huán)進(jìn)尺控制在1．5 m左右，可以將地表振速控制在1．5 cm/s以下。其最大特點(diǎn)是開(kāi)挖第1部下大導(dǎo)坑利用大楔形掏槽區(qū)進(jìn)行設(shè)置，有效地加快了施工進(jìn)度，降低了成本。全斷面各分部炮眼數(shù)總和為160個(gè)左右，掏槽最大單段裝藥量為7．2 kg，導(dǎo)坑第1部單段炮眼數(shù)4～8個(gè)，第2部擴(kuò)挖部分6～24個(gè)。電子毫秒電雷管爆破試驗(yàn)是以此種方法為基礎(chǔ)進(jìn)行的。

3．2 試驗(yàn)段環(huán)境條件

電子毫秒電雷管試驗(yàn)里程DK183+060～+000，隧道覆蓋層厚為33．4～35．22m，巖體性質(zhì)與地質(zhì)條件并無(wú)太大變化。斷面跨度為13．82 m，高為11．82 m。全斷面開(kāi)挖高度為9．98 m(邊墻腳以上部分)，開(kāi)挖斷面面積為116．82 m2。該段地表為工區(qū)駐地，駐地房屋承受安全振速要求不大于2．0cm/s，抗震性相對(duì)較強(qiáng)。在工區(qū)駐地，便于人員組織疏散，試驗(yàn)條件有利。

3．3 炮眼布置和掏槽設(shè)計(jì)

電子毫秒電雷管開(kāi)挖斷面炮眼布置和掏槽設(shè)計(jì)見(jiàn)圖2。

圖2 開(kāi)挖斷面炮眼布置和掏槽設(shè)計(jì)圖(單位:cm)Fig．2 Layout of blasting holes and design of cuts(cm)

3．4 爆破震動(dòng)監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)布置

試驗(yàn)測(cè)試內(nèi)容為爆破震動(dòng)效應(yīng)，以地表垂直爆破震動(dòng)峰值速度為指標(biāo)。為全面了解淺埋隧道爆破引起的地表震動(dòng)效應(yīng)，試驗(yàn)中以隧道開(kāi)挖掌子面(爆區(qū))為中心，在地表沿隧道軸線布置震動(dòng)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)間距為5m。每次爆破在掌子面上方，掌子面后方5 m和10 m各設(shè)一個(gè)測(cè)點(diǎn)。其一般情況下布置形式如圖3所示，過(guò)程中因建筑物影響測(cè)點(diǎn)情況也有變化。使用儀器為UBOX-5016爆破振動(dòng)智能監(jiān)測(cè)儀，直P(pán)S-4．5B垂檢波器。

圖3 振動(dòng)速度測(cè)點(diǎn)的平面布置圖Fig．3 Plan layout of vibration velocity monitoring points

3．5 電子雷管使用流程

領(lǐng)取電子毫秒電雷管—用EBR-812銥缽表對(duì)數(shù)碼子雷管進(jìn)行注冊(cè)—雷管編號(hào)—用專用軟件(EBtronic Plus)進(jìn)行雷管延時(shí)設(shè)置—用專用軟件(EBtronic Plus)進(jìn)行電子毫秒電雷管起爆順序演示—將雷管延時(shí)數(shù)據(jù)導(dǎo)入EBR-812銥缽表用來(lái)控制起爆順序—裝藥前對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工人進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)交底—按炮眼孔號(hào)位置對(duì)應(yīng)裝入電子毫秒電雷管—將導(dǎo)線簇連成網(wǎng)—炸藥雷管裝好后用EBR-812銥缽表進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)測(cè)試—人員撤至安全距離以外準(zhǔn)備用銥缽起爆器起爆。

3．6 減震爆破試驗(yàn)

3．6．1 目的

試驗(yàn)證明:使用普通毫秒延期導(dǎo)爆管雷管采用分部開(kāi)挖法，已可以將爆破振速降至1．5cm/s。但為了拓展鉆爆法使用范圍，減少臨時(shí)支護(hù)量，并提高工效，驗(yàn)證電子毫秒電雷管減震爆破原理，取得全斷面爆破相關(guān)參數(shù)、減震途徑和規(guī)律等，并進(jìn)一步降低地表爆破振速至1．0cm/s以下，形成全斷面隧道高效減震爆破開(kāi)挖技術(shù)，決定采用電子毫秒電雷管進(jìn)行隧道爆破開(kāi)挖試驗(yàn)。

3．6．2 試驗(yàn)方案特點(diǎn)及效果介紹

試驗(yàn)中采用電子毫秒電雷管的爆破方案有兩部開(kāi)挖中的下大導(dǎo)坑、全斷面法，采用毫秒延期導(dǎo)爆管雷管的爆破方案有分部開(kāi)挖楔形掏槽。爆破取得的進(jìn)尺有1．5～2．8 m。其各種方案的爆破設(shè)計(jì)特點(diǎn)及典型效果見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)方案特點(diǎn)及典型效果介紹Table 1 Characteristics of tests and their effects

3．6．3 電子毫秒電雷管全斷面高效減震開(kāi)挖技術(shù)

根據(jù)試驗(yàn)方案、試驗(yàn)次數(shù)及效果，可以得知采用電子毫秒電雷管全斷面爆破時(shí)，將單響間延時(shí)差控制在2～54 ms，雷管總延時(shí)范圍控制在0～693 ms是合適的，對(duì)地表建筑物的震動(dòng)影響最低。此時(shí)典型的全斷面炮孔布置及電子雷管布設(shè)見(jiàn)圖4，裝藥參數(shù)見(jiàn)表2。獲得的典型地表垂直震速波形如圖5所示。

3．6．4 高效減震開(kāi)挖技術(shù)分析及總結(jié)

采用電子毫秒電雷管進(jìn)行隧道減震爆破主要與開(kāi)挖方法、單孔單響、炮眼起爆順序、雷管延時(shí)設(shè)置等相關(guān)。

1)開(kāi)挖方法。根據(jù)隧道地質(zhì)情況，可選擇常規(guī)的施工方法，如全斷面法和臺(tái)階法［9］?？梢圆灰虮普駝?dòng)原因而必須采用反臺(tái)階法、CD法、超前下導(dǎo)后續(xù)擴(kuò)挖面法和分部開(kāi)挖法等。爆破進(jìn)尺可適當(dāng)加大，依振速允許值調(diào)整。

2)單孔單響。若要實(shí)現(xiàn)單孔單響，必須依爆破振速允許值為依據(jù)，做好炮眼設(shè)計(jì)和單孔裝藥量控制，兩者組合須能保證連續(xù)成功破巖。炮眼的間距相對(duì)較小，數(shù)量和密度相對(duì)較大。

其中掏槽眼最為關(guān)鍵，如本工程，使用楔形掏槽，在掏槽區(qū)面積基本不變的情況下，炮眼數(shù)量相對(duì)普通爆破增加了約1倍，由8～10個(gè)增加至16個(gè)，炮眼豎向間距調(diào)整至0．5 m左右。單孔裝藥量由6～7節(jié)增 加至8節(jié)。

圖4 電子毫秒電雷管布置圖Fig．4 Layout of electronic detonators

表2 爆破參數(shù)表Table 2 Blasting parameters

圖5 振速波形圖Fig．5 Vibration waves

3)炮眼起爆順序。單元間起爆的總體順序與普通爆破宜相同，即:由內(nèi)向外逐層起爆，先掏槽，而后輔助眼、周邊眼光面爆破，最后底板眼。但因是單孔單響，各起爆單元內(nèi)炮眼應(yīng)選擇合理的起爆順序，原則為持續(xù)擴(kuò)槽，不宜跳孔起爆。如本工程的起爆順序，其中掏槽眼的起爆順序?yàn)樗淼乐芯€左右側(cè)呈對(duì)稱螺旋形交替連續(xù)起爆。

4)雷管延時(shí)設(shè)置。雷管延時(shí)數(shù)值根據(jù)炮眼起爆順序和單孔單響從小到大設(shè)置，最大延時(shí)值不宜過(guò)大。由于周邊眼藥量較小和光面爆破要求，可設(shè)置2孔以上單響，但炮眼數(shù)不宜過(guò)多。單響延時(shí)差使前后爆破波疊加干擾降低震動(dòng)，避免共振。延時(shí)差可根據(jù)爆破振動(dòng)波形頻率和波長(zhǎng)計(jì)算選取。采集單響爆破波形，更有助于延時(shí)差的設(shè)置［10］。

4 與其他工程減震技術(shù)對(duì)比

本技術(shù)與其他類似工程減震技術(shù)比見(jiàn)表3。

表3 本技術(shù)與其他類似工程減震技術(shù)對(duì)比Table 3 Comparison and contrast among different vibration-minimizing technologies

5 結(jié)論與討論

1)電子毫秒電雷管在隧道爆破干擾降震和工效方面成效是顯著的，相對(duì)毫秒延期導(dǎo)爆管雷管降低振速可達(dá)30%以上，并且振速的控制相對(duì)較穩(wěn)定。其成功運(yùn)用，可以拓展隧道鉆爆法的施工范圍，對(duì)隧道長(zhǎng)距離下穿地表建筑群具有較大的參考意義。同時(shí)，其可進(jìn)行隧道大斷面爆破，可減少臨時(shí)支護(hù)，提高施工工效。

2)在保證減震目標(biāo)值情況下，雷管最大延時(shí)要適當(dāng)控制，以減少震動(dòng)持續(xù)時(shí)間，對(duì)保護(hù)臨近結(jié)構(gòu)物有利。

3)隧道電子毫秒電雷管減震爆破最大振速未必出現(xiàn)在掏槽部位。

4)隧道電子毫秒電雷管減震爆破時(shí)應(yīng)配套進(jìn)行爆破震動(dòng)監(jiān)測(cè)，并根據(jù)振速監(jiān)測(cè)波形最大振速、頻率、波形等信息，分析爆破振速效果，指導(dǎo)爆破參數(shù)調(diào)整。

5)電子毫秒電雷管是新型爆破材料，在以后的實(shí)踐中還需要進(jìn)一步積累經(jīng)驗(yàn)。研制模擬爆破減震軟件，使用工程中的單孔單響爆破波參數(shù)進(jìn)行爆破模擬，或許對(duì)將來(lái)有實(shí)際幫助意義。

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