隧道微差爆破的延時計算及電子雷管減振應(yīng)用

管曉明， 王旭春,*， 安建永， 張 良， 趙晨旭

(1. 青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院， 山東 青島 266033； 2. 中國建筑第二工程局有限公司, 北京 100160)

0 引言

在城市中采用鉆爆法修建隧道時，經(jīng)常會遇到近距離下穿密集建筑群的問題，隧道爆破振動常常會危及周圍建筑物的安全，還會影響到當?shù)鼐用竦恼９ぷ骱蜕睢Ｒ虼?，需要采取合理的措施來控制爆破振動。目前，工程上廣泛使用的非電毫秒雷管控制隧道爆破振動具有很大的局限性。當隧道采用微差爆破時，由于非電毫秒雷管的延時通過采取控制化學(xué)藥劑燃燒速度的方法來實現(xiàn)，受到工藝水平的影響，延時精度較差，延時誤差為±(10～150)ms，導(dǎo)致炮眼起爆時間具有很大的隨機性，使得爆破振動控制存在很大的不確定性和不穩(wěn)定性，無法達到理想的延時干擾降振效果。電子雷管的電子延時功能采用專用集成電路芯片來實現(xiàn)，最大延時為16 s，最小延時為1 ms，延時誤差為 0.1 ms，可以根據(jù)實際需要任意設(shè)定并精確實現(xiàn)發(fā)火延時，具有使用安全可靠、延時精確度高、設(shè)定靈活等特點。采用電子雷管進行隧道爆破時，可以實現(xiàn)單孔藥量間隔起爆，降低單次起爆藥量，極大降低爆破峰值振速，確保下穿建筑物的安全，減少“擾民”事件的發(fā)生。

隧道采用電子雷管進行微差爆破的關(guān)鍵在于合理設(shè)置延時。U.蘭格福斯等[1]最早提出在爆破振動周期不變及各段振動波形相同條件下，采用微差時間間隔Δt=T/2(T為振動波周期)可以使炮孔振動的大部分相互抵消的結(jié)論； 田振農(nóng)等[2]也得出要使爆破地震波到達被保護點時相位錯開約1/2周期的結(jié)論； 楊年華[3]提出了根據(jù)單孔爆破振動波形半周期時差設(shè)置相鄰炮孔起爆時間，然后根據(jù)降振點的位置、P波傳播速度等參數(shù)修正各炮孔的實際起爆時間的方法； 張志毅等[4]得出根據(jù)實測單孔起爆某點產(chǎn)生的爆破振動波波峰處的半個周期調(diào)整各炮孔內(nèi)電子雷管的起爆時間，促使到達該點的振動波的波峰與波谷相互疊加抵消從而降低振動的結(jié)論； 凌同華等[5]利用小波分析的時-能密度法、時-頻轉(zhuǎn)換技術(shù)，分析得到較優(yōu)的微差延期時間； 鄭炳旭等[6]和魏曉林等[7]提出了“電算精確延時干擾減振爆破方法”和“迭后減前”算法； 張光雄等[8]得出孔間延時間隔T/3<Δt<2T/3時，兩列地震波能夠不同程度干擾相消的結(jié)論； 蘇波等[9]得出延時間隔大于單孔爆破振動持續(xù)時間時，可使前后地震波主震段分離的結(jié)論； 代勤榮等[10]給出了隧道爆破開挖平峰降低振動最佳間隔時差的經(jīng)驗值，孔間延時為5～8 ms時可以達到波峰錯相疊加的效果； 傅洪賢等[11]研究了隧道圍巖為Ⅳ級時炮孔延時間隔的經(jīng)驗值，掏槽眼延時間隔為5 ms，周邊眼延時間隔為3 ms，其他炮眼延時間隔為10 ms。

在實際工程中，采用電子雷管實施隧道爆破干擾降振時，相鄰2個單孔的振動波之間的疊加是十分復(fù)雜的,除了受到電子雷管不同延時設(shè)置的影響，還受到隧道埋深、巖石性質(zhì)、地質(zhì)結(jié)構(gòu)、炮孔分布、傳播距離等眾多因素的影響。首先需要確定電子雷管單孔藥量間隔起爆的合理延時，以防止出現(xiàn)多孔同時起爆，然后在此基礎(chǔ)上通過現(xiàn)場試驗調(diào)整優(yōu)化,獲取干擾降振的最佳延時。但是，目前現(xiàn)場隧道電子雷管延時的設(shè)置都是根據(jù)工程經(jīng)驗確定的，還沒有電子雷管實現(xiàn)單孔藥量間隔起爆的延時計算方法，還未得出電子雷管不同延時與爆破振動速度和主頻之間的相互關(guān)系。本文根據(jù)微差爆破最佳延時的計算理論，考慮圍巖的物理力學(xué)參數(shù)及隧道爆破施工參數(shù)，研究隧道爆破中采用電子雷管實現(xiàn)單孔藥量間隔微差起爆的延時計算方法，分析電子雷管微差爆破起爆藥量對爆破地震波的振速和主頻的影響，并將研究成果應(yīng)用到實際隧道工程的爆破振動控制中。

1 隧道微差爆破延時計算理論及方法

1.1 微差爆破延時計算理論

采用電子雷管進行單孔間隔微差爆破時，電子雷管單孔延時時間是影響爆破振動速度和頻率的一個關(guān)鍵參數(shù)。單孔延時設(shè)置過短時，巖石的破碎、拋擲沒有完成，臨空面也沒有完全形成，相當于2個及2個以上炮孔同時起爆，不利于降低爆破振動； 單孔延時設(shè)置過長時，又不利于相鄰炮孔之間巖石的疊加破碎，這對掏槽眼的爆破影響較大。掏槽孔爆破時，由于僅有掌子面1個臨空面，圍巖的夾制作用較大，孔間延時過長時，不僅相鄰炮孔巖石之間不能產(chǎn)生疊加破碎，而且先爆炮孔破碎巖石的拋擲也缺少緊鄰后爆炮孔所產(chǎn)生的高壓氣體的助推力，造成掏槽孔巖石已經(jīng)破裂但是沒有完全拋擲出來，難以形成新的臨空面，造成掏槽失敗，影響后續(xù)炮眼的爆破。因此，需要計算電子雷管的單孔合理延時，以滿足相鄰炮孔巖石之間的疊加破碎和拋擲。故對掏槽孔的單孔延時進行計算時，首先要在滿足巖石能夠?qū)崿F(xiàn)疊加破碎拋擲并形成臨空面的基礎(chǔ)上再考慮減振，根據(jù)微差爆破最佳延時計算理論[12]進行計算； 對于輔助眼、周邊眼的單孔延時，由于掏槽孔爆破后提供了新的臨空面，其延時計算在滿足能夠完成單孔爆破之后(也根據(jù)微差爆破最佳延時計算理論[12]進行計算)，同時考慮爆破地震波之間的疊加抵消干擾減振確定最終的單孔合理延時。

根據(jù)微差爆破最佳延時計算理論[12]，得出延時t的下限必須足以使第1批藥包和介質(zhì)輪廓線之間的裂縫得以充分發(fā)展并形成新的臨空面，延時t的上限根據(jù)第2批藥包起爆時第1批藥包處的整個巖體必須仍處于受力狀態(tài)來確定。延時t由3個時間組成：

t=t1+t2+t3。

(1)

t1是第1批藥包使介質(zhì)獲得受拉破碎狀態(tài)所需要的時間，即藥包爆炸后，產(chǎn)生的壓縮波縱波向四周傳播，到達臨空面后壓縮波反射形成拉伸波，巖石受拉開始發(fā)生破碎，直到藥包中心，所以t1是指應(yīng)力波由藥包中心到臨空面，再由臨空面返回到藥包中心所需的時間。計算如下：

t1=2w/cP。

(2)

式中：w為抵抗線；cP為縱波傳播速度。

t2是從裂縫產(chǎn)生直到裂縫表面勾畫出拋擲體的輪廓線的時間，不同條件下通常所取拋擲體的形狀也不同，本文考慮為1個通過炮孔橫向切割為橢圓形的拋擲體，如圖1所示，可以得出式(3)。

圖1 單孔爆破拋擲體示意圖Fig. 1 Diagram of casting body of single hole blasting

(3)

式中：utr為一定單位耗藥量下均勻介質(zhì)中裂縫傳播速度；κ為介質(zhì)的破裂能力系數(shù)；β為棱柱形拋擲體的角度。

t3是圍成棱柱形拋擲體的裂縫擴展到與形成的新的臨空面相應(yīng)的寬度的所需時間，以拋擲體產(chǎn)生10 cm位移的所需時間為基準，計算如下：

(4)

式中：φ為炮孔的直徑；ρ為巖石的密度；S為拋擲體的面積，S=w2ρtan(β/2)。

1.2 隧道電子雷管延時計算方法

隧道炮眼布置的立面如圖2所示，隧道采用楔形掏槽。本文計算的單孔延時為同一排相鄰炮孔之間的延時，且同排炮孔延時相等，故全斷面炮孔延時計算可以簡化為圖3中所示炮眼(圖2中A-A截面上的炮眼)進行計算。分析第1排掏槽眼、第2—5排輔助眼及第6排周邊眼采用電子雷管爆破時的合理延時，拱部炮眼的延時可參考以上炮眼的取值。

圖2 隧道炮眼布置立面圖Fig. 2 Cross-section of layout of tunnel blasting holes

根據(jù)圖3所示，不同炮眼的抵抗線Hi取炮孔底部最大抵抗線，根據(jù)不同炮眼之間的幾何關(guān)系，計算出不同炮眼的抵抗線Hi和炮眼長度Li，在此基礎(chǔ)上計算出炮孔合理延時。計算公式如下：

Hi為不同排數(shù)炮眼的抵抗線； Li為不同排數(shù)炮眼的長度； Xi為不同的水平距離； i為不同炮孔與水平線的夾角。

H1=L；

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

式(5)—(9)中：i為炮眼的排數(shù)；Hi為不同排數(shù)炮眼的抵抗線，用于計算藥包爆破時應(yīng)力波到達自由表面及返回藥包的時間t1i；L為隧道開挖進尺；Li為不同排數(shù)炮眼的長度，用于計算裂縫擴展到掌子面所需的時間t2i；X1為掏槽孔底部和端部之間的水平距離，X2—X6為炮眼之間的距離，如圖3所示。

t1i、t2i、t3i計算如下：

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

式(13)中X0為掏槽孔底部與斷面中心的距離。

將式(10)—(12)相加，得到每一排相鄰炮孔微差爆破延時的總時間

(15)

式中：Si為每段巖石拋擲的面積；ρ為巖石密度；φ為炮孔直徑；tzi為各排炮眼的微差起爆延時。

對于掏槽眼，單孔延時根據(jù)式(15)進行計算，并取整數(shù)； 對于輔助眼和周邊眼，首先根據(jù)式(15)進行計算并取整數(shù)，再考慮爆破地震波之間的疊加抵消干擾減振，采用U. 蘭格福斯等[1]提出的采用微差時間間隔Δt=T/2(T為振動波周期)可以使炮孔振動的大部分相互抵消的基本理論，對計算出的P波半個周期取整數(shù)，根據(jù)式(15)和P波半個周期計算出的2個時間綜合確定單孔延時。

P波的周期取為運動上升到最大值的時間ΔT的4倍，單獨考慮P波時，其周期與距離無關(guān)，與裝藥量和巖石的性質(zhì)有關(guān)。P波的周期T的計算如下：

(16)

式中：PKT為P波與周期相關(guān)的巖土性質(zhì)常數(shù);W為單次起爆藥量。

在實際隧道爆破工程中，首先根據(jù)式(5)—(16)計算不同炮眼中電子雷管合理延時的范圍，然后通過現(xiàn)場爆破試驗，并監(jiān)測爆破振速，確定出最優(yōu)的延時。首先需要通過現(xiàn)場的工程巖體試驗確定相關(guān)的圍巖參數(shù)，如巖石中縱波的速度cP、巖石的密度ρ、巖石在裂縫中的擴展速度utr、巖石的破裂能力系數(shù)κ； 其次還需要確定相關(guān)爆破施工參數(shù)，如抵抗線Hn、炮眼的深度Ln、炮眼的間距Xn和炮眼直徑φ。巖土和施工參數(shù)取值的準確性直接關(guān)系到延時設(shè)置的準確性。

2 電子雷管微差爆破對振速和主頻的影響

2.1 電子雷管微差爆破對振速的影響

(17)

(18)

對于一個特定的隧道爆破工程，巖層地質(zhì)條件、埋深等均無法改變，通過采用電子雷管實現(xiàn)單孔藥量間隔起爆，起爆藥量為普通毫秒非電雷管段藥量的1/n(n為每段炮孔數(shù))； 同時炮孔之間可以實現(xiàn)一定程度的疊加干擾抵消減振，從而有效降低爆破地震波的峰值振速。

2.2 電子雷管微差爆破對爆破振動主頻的影響

淺埋隧道爆破近區(qū)，爆破地震波的主要載體為縱波(P波)，S波、R波落后于P波且在距離較遠處才發(fā)揮作用。P波周期計算公式見式(16)。

此外，孟海利等[14]考慮了距離因素的影響，推導(dǎo)了爆破地震波主頻率f隨藥量和距離的變化關(guān)系。

(19)

T=a1W1/3+a2R2。

(20)

式(19)—(20)中：a1、a2為常數(shù)；R為測點與爆源中心的距離。

不考慮傳播距離的條件下，式(16)和(20)2個公式的形式十分接近，主要差別在于前者周期與藥量W1/6成正比，后者周期與藥量W1/3成正比。2個公式均說明采用電子雷管實施單孔藥量間隔起爆，降低了單次起爆的藥量，能夠減小振動波的周期，從而提高爆破振動波的主頻。

3 工程應(yīng)用

3.1 成渝客專新紅巖隧道非電雷管爆破

成渝客運專線新紅巖隧道位于沙坪壩—菜園壩區(qū)間。隧道穿越地層主要由泥巖、砂巖、泥巖夾砂巖組成，其中Ⅴ級圍巖占29%，Ⅳ級圍巖占71%。隧道淺埋段下穿沙坪壩區(qū)建設(shè)新村和新民坡村山區(qū)，隧道埋深為15～30 m，周圍2～3層磚房十分密集，房屋老舊，多為20世紀70—80年代修建的土坯房、毛石房屋和磚房，房屋安全性要求較高。

采用非電雷管分Ⅰ、Ⅱ部分2次爆破，第1次爆破Ⅰ部分2排掏槽眼和6個底板眼，第2次爆破剩余的Ⅱ部分炮眼。典型的炮眼布置及非電雷管段位如圖4所示。

MS1—MS13代表非電雷管的段位。

隧道原采用普通毫秒非電雷管爆破，開挖進尺為2 m，總藥量約96.0 kg。其中： 掏槽眼20個，單孔裝藥量為1.2 kg； 輔助眼54個，單孔裝藥量為0.6～0.8 kg； 周邊眼44個，單孔裝藥量為0.4 kg； 底板眼12個，單孔裝藥量為0.8 kg。

實測地表振速如圖5所示。從圖5中可以看出：地表的豎向峰值振速為2.974 cm/s，主頻為70.8 Hz，峰值振速出現(xiàn)在掏槽段，主要是因為掏槽眼最大段裝藥量較大(14.4 kg)且為齊發(fā)爆破，加上隧道埋深較淺(18 m)，造成地表振速很大，超出了土坯房、毛石房屋主頻>50 Hz時1.5 cm/s的安全振速標準[15]，也超過了一般民用建筑主頻>50 Hz時2.5 cm/s的安全振速標準，導(dǎo)致部分房屋薄弱的局部構(gòu)件發(fā)生開裂，隧道爆破施工已經(jīng)對當?shù)胤课莸陌踩珮?gòu)成了嚴重威脅。

圖5 非電雷管爆破引起的地面豎向振動波形圖

Fig. 5 Ground vertical vibration waveform induced by non-electrical detonators blasting

3.2 電子雷管單孔間隔微差爆破減振

采用電子雷管爆破方法以降低爆破振動。隧道開挖進尺2 m保持不變，總炮眼數(shù)138個，總藥量約96.0 kg保持不變。其中：小掏槽眼4個，單孔裝藥量為0.4 kg； 掏槽眼20個，單孔裝藥量為1.2 kg； 輔助眼54個，單孔裝藥量2、3、4排為0.8 kg，5、6、7排為0.6 kg； 周邊炮眼44個，單孔裝藥量為0.4 kg； 底板眼12個，單孔裝藥量為0.8 kg。為了計算采用電子雷管進行微差爆破的合理延時，繪制隧道炮眼縱斷面(圖2中A-A截面)，如圖6所示，并計算得到相關(guān)的施工參數(shù)。

圖6 隧道炮眼參數(shù)(單位： m)Fig. 6 Parameters of tunnel blasting holes (unit: m)

根據(jù)工程現(xiàn)場勘察資料，獲取所需的計算參數(shù)ρ=2.6 g/cm3、φ=4.2 cm，縱波速度采用聲波探測方法單孔法獲取，cP=4 000 m/s，裂紋擴展速度utr及κ值按照斷裂力學(xué)的相關(guān)結(jié)論，裂紋擴展的最大速度不超過其縱波速度的0.38倍[16]，本工程取0.35倍的縱波速度得utr=1 400 m/s、κ=0.65。根據(jù)式(15)計算得到每一排炮孔的微差延時tn，取整數(shù)； 已知PKT=0.003 2，根據(jù)每一排炮孔的藥量和式(16)可以計算得到振動波的半個周期(T/2)，并取整數(shù)，綜合上述2個時間，炮孔延時計算結(jié)果如表1所示。根據(jù)表1的計算結(jié)果，現(xiàn)場進行若干組不同延時的爆破振動試驗，并進行爆破振動測試，根據(jù)振動測試結(jié)果確定最終的每一排的單孔合理延時。

舉一例進行說明，不同炮孔延時(4、5 ms)引起的振動波形和減振效果不同，如圖7和圖8所示。從圖7和圖8可以看出： 延時為4 ms時相鄰炮孔之間的地震波并未發(fā)生任何疊加抵消減振； 延時為5 ms時大部分相鄰炮孔之間的地震波發(fā)生了疊加抵消減振，使得峰值振速明顯降低。從中可以對比得出，延時為5 ms的減振爆破效果要優(yōu)于4 ms。故第1排炮孔延時設(shè)置為4 ms，第2—8排炮孔延時設(shè)置為5 ms； 每排與每排之間的時間間隔考慮為20～30 ms，即可以最大程度上避免排與排之間的炮孔地震波的疊加，降低爆破振動。

表1 電子雷管延時計算值Table 1 Calculated values of delay times of electronic detonators

圖7 延時4 ms時部分隧道爆破振動波形Fig. 7 Partial vibration waveform of tunnel blasting in condition of delay time of 4 ms

圖8 延時5 ms時部分隧道爆破振動波形Fig. 8 Partial vibration waveform of tunnel blasting in condition of delay time of 4 ms

通過試驗得出隧道全部炮眼布置及單孔合理延時,如圖9所示。實測的電子雷管爆破振動波如圖10所示。

圖9 隧道炮眼布置及延時圖(單位： ms)Fig. 9 Layout and delay time of tunnel blasting holes (unit: ms)

圖10 隧道電子雷管爆破振動波Fig. 10 Vibration waveform of electrical detonator

從圖10中可看出： 在爆破進尺、炮眼布置、炮眼裝藥量等爆破參數(shù)不變的情況下，通過采用微差爆破延時計算出合理延時，并且采用電子雷管實施單孔微差間隔起爆，爆破后實測地表最大峰值振速為1.0 cm/s、主頻為78.74 Hz，滿足不同形式建筑物的安全振速要求，相比非電雷管引起的爆破峰值振速(2.974 cm/s)減振60%以上，其降振效果要遠遠好于普通毫秒非電雷管，也驗證了電子雷管延時計算方法的正確性和實用性。

4 結(jié)論與討論

1)應(yīng)用微差爆破的延時計算方法，采用電子雷管實現(xiàn)單孔間隔微差爆破，能夠有效降低峰值振速，提高振動主頻。在新紅巖隧道爆破工程中，應(yīng)用電子雷管爆破相比毫秒非電雷管爆破減振60%以上，證明該延時計算方法的準確性、合理性和實用性，可以推廣應(yīng)用于隧道近距離下穿建(構(gòu))筑物的復(fù)雜環(huán)境下的爆破工程中。

2)本文對于輔助眼和周邊眼采用電子雷管進行波峰波谷疊加抵消方式降低爆破振動時，延時的設(shè)置采用半個振動波周期，并根據(jù)經(jīng)驗公式計算獲得，會存在一定的相對誤差。因此在實際隧道爆破降振應(yīng)用中存在一定的局限性，主要是由于單孔爆破振動波受到裝藥量、炮孔類別、爆心距、地層結(jié)構(gòu)和傳播距離等眾多因素的影響，可以結(jié)合現(xiàn)場電子雷管單孔爆破試驗，獲取不同炮眼、裝藥量和爆心距下的單孔爆破振動波周期，對于更好地降低爆破振動具有重要意義。這一點有待于展開進一步研究。