隧道爆破現(xiàn)場(chǎng)高速圖像采集與精確控制爆破參數(shù)研究*

龔 敏，吳昊駿

（北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京 100083）

城市隧道的精確控制爆破是當(dāng)前的發(fā)展方向，但其中一些技術(shù)難題，如第二臨空面形成準(zhǔn)確時(shí)間、兼顧微差降振與爆破協(xié)同作用的時(shí)差選擇等仍未解決。原因是受目前測(cè)試手段所限，不能獲取現(xiàn)場(chǎng)隧道爆破圖像信息，研究巖石破裂與振動(dòng)關(guān)系時(shí)沒(méi)有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的支撐，難以準(zhǔn)確確定隧道爆破關(guān)鍵參數(shù)，也就無(wú)法實(shí)現(xiàn)精確控制爆破。

高速攝影作為一種有效手段，較早被用于爆破模型研究中，Reinhardt 等[1]、Dally[2]利用動(dòng)光彈研究應(yīng)力波傳播特性及臺(tái)階爆破應(yīng)力波與自由面的相互作用；現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用方面，Brinkmann[3]、Chiappetta 等[4]分析了金礦爆破破巖過(guò)程、評(píng)估采礦爆破效果和改進(jìn)設(shè)計(jì)，黃政華等[5]利用高速相機(jī)研究臺(tái)階爆破巖石移動(dòng)時(shí)間及合理微差時(shí)間關(guān)系。近年來(lái)隨著高速數(shù)字?jǐn)z像技術(shù)的應(yīng)用，楊仁樹(shù)等[6]、李清等[7]用高速激光焦散法進(jìn)行切縫藥包爆破機(jī)理系列研究；何理等[8]、張繼春等[9]探討了臺(tái)階微差爆破臨界延時(shí)和含軟弱夾層爆破的運(yùn)動(dòng)特征；朱寬等[10]以高速攝影結(jié)合應(yīng)變測(cè)量分析煙囪定向爆破時(shí)各運(yùn)動(dòng)參量的變化；黃永輝等[11]、李祥龍等[12]、張建華等[13]對(duì)臺(tái)階爆破的巖體位移、鼓包、飛石速度、爆生氣體進(jìn)行大量研究。但上述研究對(duì)象均是以露天工程為特征的臺(tái)階爆破、拆除爆破或?qū)嶒?yàn)?zāi)Ｐ?，目前還未見(jiàn)有利用高速攝像進(jìn)行隧道現(xiàn)場(chǎng)爆破研究的文獻(xiàn)，其原因在于隧道內(nèi)環(huán)境惡劣，相機(jī)防護(hù)、照明與拍攝參數(shù)變化、同步控制及施工干擾等諸多問(wèn)題難以克服，實(shí)現(xiàn)爆破圖像采集非常困難。

本文中采用高速數(shù)字?jǐn)z像系統(tǒng)，首次成功獲取隧道爆破現(xiàn)場(chǎng)巖石被起爆、破裂、拋擲的完整圖像，并同步取得爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)圖像數(shù)據(jù)精細(xì)化分析，得到第二臨空面大小與振速變化定量關(guān)系、臨空面形成準(zhǔn)確時(shí)間，據(jù)此確定臨空面形成前后不同的微差設(shè)計(jì)；探討了兼顧同對(duì)掏槽炮孔爆破協(xié)同作用與微差降振的最優(yōu)時(shí)間；這些研究可為今后隧道爆破研究提供新思路，有助于實(shí)現(xiàn)隧道精準(zhǔn)控制爆破。

1 工程背景與研究?jī)?nèi)容

1.1 工程背景

渝中連接隧道是重慶市重點(diǎn)建設(shè)工程，位于渝中區(qū)小什字地區(qū)。隧道以砂巖為主，IV 級(jí)圍巖，斷面寬11.5 m、高9.5 m，隧道埋深19～25 m，采用上下臺(tái)階開(kāi)挖。隧道施工環(huán)境非常復(fù)雜：地面高樓云集并有宋朝建筑羅漢寺；隧頂部與地鐵1 號(hào)線底板相切，隧底部是運(yùn)行的地鐵6 號(hào)線。要求爆破時(shí)隧道全線地面振速不超1.0 cm/s，羅漢寺地區(qū)不超過(guò)0.5 cm/s，常規(guī)爆破難以滿足要求，需采用精確控制爆破技術(shù)。

1.2 研究?jī)?nèi)容

研究隧道精準(zhǔn)控制爆破需要解決的如下問(wèn)題：

（1）同對(duì)掏槽眼的爆破協(xié)同作用與微差降振之間的矛盾。

爆破協(xié)同作用是表示多個(gè)炮孔（如楔形掏槽每一對(duì)炮孔）相同時(shí)間爆破時(shí)對(duì)巖體的聯(lián)合作用，兩孔同時(shí)起爆效果最好但振動(dòng)最大；微差爆破雖可降振，然而微差時(shí)間越長(zhǎng)協(xié)同作用越差；本文將研究兼顧二者作用的臨界時(shí)差參數(shù)。

（2）第二臨空面形成過(guò)程與振動(dòng)變化間的量化關(guān)系。

公認(rèn)爆破第二臨空面形成后振速將顯著下降，但臨空面形成的準(zhǔn)確時(shí)間、臨空面形成大小與振速變化關(guān)系、以及如何用于參數(shù)設(shè)計(jì)等問(wèn)題仍未解決，對(duì)此將加以研究。

2 現(xiàn)場(chǎng)爆破實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與爆破設(shè)計(jì)

2.1 現(xiàn)場(chǎng)爆破實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)

2.1.1 高速數(shù)字相機(jī)采集系統(tǒng)

數(shù)字高速圖像采集系統(tǒng)由Dalsa HM640 高速數(shù)字相機(jī)主機(jī)、數(shù)據(jù)采集器及自編接口程序組成?，F(xiàn)場(chǎng)拍攝范圍為寬3 m、高2 m 的掏槽區(qū)，采用640×480 分辨率，照片分辨精度4.7 mm；圖像幅間延時(shí)根據(jù)爆破實(shí)際情況設(shè)為3 ms，圖1 是組裝的高速數(shù)字圖像采集和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)圖。

2.1.2 爆破與拍照同步控制系統(tǒng)與相機(jī)保護(hù)裝置

爆破與拍照同步控制方法為：外觸發(fā)啟動(dòng)同步控制儀，同步儀發(fā)出兩路信號(hào)，一路輸入專用起爆器使雷管爆炸；另一路輸入相機(jī)系統(tǒng)啟動(dòng)拍照，圖2 是現(xiàn)場(chǎng)相機(jī)控制布設(shè)方框圖。為準(zhǔn)確確定照片中對(duì)應(yīng)的起爆零時(shí)，另在起爆網(wǎng)絡(luò)中串聯(lián)一引火頭（使用雷管同廠產(chǎn)品）置于鏡頭邊沿，爆前試驗(yàn)測(cè)試火花點(diǎn)燃～雷管爆炸時(shí)間，即可在采集圖片中準(zhǔn)確標(biāo)記起爆零時(shí)。

隧道爆破現(xiàn)場(chǎng)圖像采集的困難首先在于光源與相機(jī)保護(hù)，光源距工作面過(guò)近易被打壞，經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)光源距工作面大于30 m、相機(jī)距工作面50 m 可確保相機(jī)不被破壞；其次與地面同等條件相比圖像分辨率下降較多，難以達(dá)到分析要求。為此相應(yīng)調(diào)整隧道內(nèi)拍攝參數(shù)后獲得較理想拍攝效果。

2.1.3 爆破振動(dòng)測(cè)試裝置布設(shè)

現(xiàn)場(chǎng)爆破振動(dòng)測(cè)試采用成都中科測(cè)控公司生產(chǎn)的TC-4850 測(cè)振儀，振動(dòng)測(cè)點(diǎn)位于隧道爆源正上方地面處，距爆源24.3 m。

圖 1 高速攝像電控與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)圖Fig.1 Electronic control and data processing system of high-speed camera

圖 2 現(xiàn)場(chǎng)相機(jī)控制布設(shè)方框Fig.2 Camera control and layout on field

2.2 爆破方案設(shè)計(jì)與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)起爆時(shí)刻確定方法

2.2.1 爆破方案設(shè)計(jì)

試驗(yàn)樁號(hào)為左洞ZK14+138 m，上臺(tái)階采用兩次爆破，先爆下部(Ⅰ區(qū))，再爆上部(Ⅱ區(qū))，本試驗(yàn)在Ⅰ區(qū)進(jìn)行，采用8 孔楔形掏槽，掏槽孔單孔單段爆破。炮孔垂深1.8 m，堵塞長(zhǎng)度0.4 m。為增加段別爆破時(shí)使用25 段定制高精度導(dǎo)爆管雷管，各名義段號(hào)孔間間隔為：17 段前間隔25 ms、17～20 段50 ms、20～25 段200 ms，以相鄰孔最小間隔不串段為原則，每批次各段雷管延時(shí)均有一定變動(dòng)。爆破設(shè)計(jì)如圖3 所示。在工作面正前方布設(shè)高速攝像儀，隧道爆源正上方地面布置測(cè)振儀同步采集振動(dòng)數(shù)據(jù)。

2.2.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)雷管實(shí)際起爆時(shí)刻的確定方法

在雷管出廠前每段取10 個(gè)樣本進(jìn)行起爆延時(shí)測(cè)試，爆破試驗(yàn)時(shí)掏槽所用前8 段雷管的每段最大、最小延時(shí)時(shí)間如圖4 所示；爆破試驗(yàn)后需要準(zhǔn)確確定各段雷管的實(shí)際起爆時(shí)刻，為此采用文獻(xiàn)[14]方法，根據(jù)實(shí)測(cè)爆破振動(dòng)曲線，用EMD 法結(jié)合圖4 確定起爆時(shí)刻，具體過(guò)程本文中不再闡述。

圖 3 上臺(tái)階炮孔布設(shè)及爆破參數(shù)設(shè)計(jì)圖Fig.3 Holes layout of upper bench and design of blasting parameters

圖 4 掏槽雷管樣本各段延時(shí)范圍Fig.4 Initiation time delay ranges of detonators samples per period for cutting

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2015 年10 月16 日在渝中隧道進(jìn)行掏槽爆破高速圖像采集和振動(dòng)測(cè)試，成功獲取427 張隧道爆破圖片，獲取圖像時(shí)間為起爆后0～1281 ms，幅間延時(shí)3 ms。為方便辨識(shí)，爆前每對(duì)掏槽孔之間用油漆標(biāo)記連線，選取出具有代表性的巖石起爆、破裂、拋擲等部分圖片，如圖5 所示。從所獲圖像看，因采取嚴(yán)密堵孔防煙措施，起爆初期無(wú)煙塵，直到掏槽末期煙塵才開(kāi)始出現(xiàn)，較有利于數(shù)據(jù)處理。圖6 是同時(shí)測(cè)得的地面正上方振動(dòng)曲線。根據(jù)2.2.2 節(jié)所述方法確定了圖6 中2～8 各段準(zhǔn)確起爆時(shí)間。注意圖中各段起爆到出現(xiàn)振動(dòng)峰值需3～5 ms。

4 同對(duì)炮孔爆破協(xié)同作用與微差降振間矛盾研究

本文中將以現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)為基礎(chǔ)，研究如何平衡爆破協(xié)同作用與微差降振間矛盾。鑒于圖3 中最先起爆兩孔為1～2 段，也是振動(dòng)峰值主要產(chǎn)生時(shí)段，下面分析1～2 段爆破協(xié)同作用與微差降振時(shí)間的關(guān)系。

4.1 同對(duì)炮孔微差爆破協(xié)同作用分析

4.1.1 在獲得圖像中爆破協(xié)同作用的定義

同對(duì)炮孔協(xié)同作用過(guò)去只是一個(gè)定性概念，沒(méi)有明確定義。為研究方便，本文需要根據(jù)獲得現(xiàn)場(chǎng)高速攝像圖對(duì)其定義。

對(duì)圖片逐幀分析發(fā)現(xiàn)，爆破后炮孔周邊巖石先產(chǎn)生移動(dòng)，隨后局部點(diǎn)破裂并擴(kuò)展，兩孔附近巖石移動(dòng)的先后與微差時(shí)序有關(guān)。故定義圖片中爆破協(xié)同作用為：每對(duì)掏槽斜眼先后爆破所影響的巖體一旦都發(fā)生相向移動(dòng)，就認(rèn)為產(chǎn)生了爆破協(xié)同作用，其對(duì)應(yīng)時(shí)間可稱為爆破協(xié)同作用時(shí)間，每對(duì)斜眼掏槽爆破協(xié)同作用表現(xiàn)為巖體相互擠壓。

圖 5 隧道現(xiàn)場(chǎng)爆破掏槽區(qū)巖石破裂過(guò)程圖Fig.5 Rock failure processes of cutting blasting on field

圖 6 2015.10.16 爆破振動(dòng)曲線（掏槽區(qū)）Fig.6 Blast-induced vibration curve on October 16, 2015(cutting zone)

爆破協(xié)同作用的工程意義是：不同孔（圖中兩孔）在起爆后同一時(shí)間段內(nèi)使巖石產(chǎn)生移動(dòng)；微差間隔越長(zhǎng)、移動(dòng)的同一時(shí)段越短，直至消失即無(wú)爆破協(xié)同作用。

4.1.2 保持雙孔爆破協(xié)同作用的微差時(shí)間臨界時(shí)段分析

圖7 為掏槽區(qū)部分實(shí)測(cè)照片，因拍攝原因掏槽區(qū)右半側(cè)未全部顯示，但因主要研究的首爆孔在左側(cè)不影響分析。1～2 段起爆間隔39 ms，紅線為左邊1 段孔引起巖石移動(dòng)邊界線，綠線為2 段孔引起右側(cè)巖石移動(dòng)邊界線，黃色小點(diǎn)是炮孔。圖片中距離信息采集方法為：將照片以O(shè)LE 對(duì)象方式插入CAD 中，并將照片比例縮放到與實(shí)際拍攝范圍同樣大小的尺寸，通過(guò)CAD 標(biāo)注量取所需尺寸信息。

當(dāng)1 段炮孔起爆（18 ms）以前，掏槽區(qū)巖石從圖片上看不出任何變化，起爆18 ms 開(kāi)始巖石發(fā)生較大面積整體移動(dòng)，爆破對(duì)周邊巖石產(chǎn)生擠壓作用，與前一時(shí)刻無(wú)移動(dòng)相比沒(méi)有中間過(guò)渡階段。圖7(a)標(biāo)出了巖體移動(dòng)方向和范圍。

第2 段起爆時(shí)間為39 ms，2 段爆破后導(dǎo)致右邊巖塊移動(dòng)時(shí)間為54 ms，故2 段起爆到巖石移動(dòng)用時(shí)15 ms，與1 段的18 ms 大體相當(dāng)，由此判斷巖石移動(dòng)時(shí)間在爆后15～18 ms。每一對(duì)炮孔微差起爆引起掏槽區(qū)巖塊移動(dòng)的方向相反，圖7(d)表明起爆87 ms 后只有右側(cè)巖石的移動(dòng)。

圖8～9 是同對(duì)孔微差起爆后起爆時(shí)間與左右兩側(cè)巖體移動(dòng)面積、移動(dòng)巖體占掏槽區(qū)面積百分率關(guān)系圖。由圖8～9 可知起爆18 ms 時(shí)巖石移動(dòng)面積即占整個(gè)掏槽區(qū)47%，沒(méi)有中間過(guò)渡而呈突變趨勢(shì)；起爆54 ms 以前左側(cè)1 段孔影響的移動(dòng)面積不斷擴(kuò)大；54～72 ms 之間隨著右側(cè)2 段孔爆破影響，左側(cè)移動(dòng)巖體影響面積相對(duì)壓縮，右側(cè)移動(dòng)巖體影響面積增加，54 ms 時(shí)二者占88%的掏槽區(qū)面積，覆蓋了區(qū)內(nèi)主要巖體，巖石移動(dòng)區(qū)間已接近整個(gè)掏槽區(qū)；72 ms 以后沒(méi)有巖體向右移動(dòng)，此時(shí)左孔爆破作用基本消失，只剩右側(cè)后爆孔影響巖體向左移動(dòng)。

圖 7 炮孔起爆初期巖體的移動(dòng)方向和范圍Fig.7 The moving direction and ranges of the rock mass at the initial stage of blasting

圖 8 掏槽區(qū)巖體移動(dòng)面積隨時(shí)間變化圖Fig.8 Moving area change of rock mass with time in cutting blasting

圖 9 移動(dòng)巖體占掏槽區(qū)面積比例隨時(shí)間變化圖Fig.9 The area proportion of moving rock mass in cutting zone change with time

綜上所述，左孔在起爆后18～72 ms 時(shí)段移動(dòng)，左孔引起巖體移動(dòng)時(shí)間為54 ms。兩孔微差起爆間隔39 ms 條件下有18 ms 協(xié)同作用時(shí)間，這個(gè)時(shí)段內(nèi)掏槽區(qū)內(nèi)巖石幾乎都發(fā)生移動(dòng)。由此可推斷當(dāng)兩孔微差時(shí)間大于72-(18～15)=54～57 ms 時(shí)將沒(méi)有爆破協(xié)同作用，兩孔各自產(chǎn)生獨(dú)立爆破漏斗，為保險(xiǎn)起見(jiàn)，具有協(xié)同作用的最大微差時(shí)間應(yīng)不大于50 ms。

需指出逐孔掏槽時(shí)通常只研究首先爆破同對(duì)炮孔的爆破協(xié)同作用，研究表明[15]后續(xù)同對(duì)炮孔爆破時(shí)首爆孔已形成第二臨空面，爆破協(xié)同作用對(duì)爆破效果影響較小。

4.2 兩孔不同微差時(shí)間起爆對(duì)合成振速大小影響

下面將分析確保安全振速指標(biāo)的最小微差間隔時(shí)間。需計(jì)算兩孔微差爆破的合成振速，并以羅漢寺振速不超0.5 cm/s 為安全標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析。

根據(jù)作者前期研究，以單孔單自由面爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)作為計(jì)算振源，進(jìn)行振動(dòng)曲線擬合后可計(jì)算不同微差爆破的合成振速。大量研究表明單孔爆破振動(dòng)曲線在起爆40 ms 后最大振速只有峰值振速的1/10 左右，由于圖6 實(shí)測(cè)振動(dòng)曲線中2 段雷管在39 ms 起爆，在此之后3～4 ms 才有振動(dòng)變化，故可近似按實(shí)測(cè)爆破振動(dòng)曲線前40 ms 作為單孔單自由面爆破振動(dòng)曲線，如圖10 所示。

兩孔不同微差時(shí)間的爆破合成振速計(jì)算方法在文獻(xiàn)[15]中已詳細(xì)闡述，在此僅給出計(jì)算結(jié)果，以1 ms 為增量、微差間隔取1～45 ms 計(jì)算不同間隔最大峰值振速，如圖11 所示。從計(jì)算結(jié)果看：兩孔微差起爆時(shí)，間隔時(shí)間在7 ms 以內(nèi)多個(gè)時(shí)間振速超過(guò)0.5 cm/s，隨著兩孔微差間隔增加，合成振速由高向低逐步下降。就本工程而言，微差時(shí)間8 ms 以上可確保振速不超0.5 cm/s 安全標(biāo)準(zhǔn)，但起爆間隔越長(zhǎng)爆破協(xié)同作用越差。

圖 10 隧道單孔單自由面爆破正上方地面振動(dòng)曲線圖Fig.10 Ground vibration curve which is directly above a single shot with single free surface

圖 11 兩孔不同微差起爆時(shí)間對(duì)應(yīng)的合成振速圖Fig.11 Superposition vibration velocity corresponding to two different millisecond delay times between two holes

4.3 兼顧兩孔協(xié)同作用與振動(dòng)控制的微差時(shí)間

綜合4.1、4.2 研究結(jié)果，兼顧渝中隧道炮孔協(xié)同作用與振動(dòng)控制的合理微差間隔在8～50 ms 之間，此范圍內(nèi)盡量取小值以保證爆破協(xié)同作用；將這一方法應(yīng)用于渝中隧道，爆破與振動(dòng)控制均取得良好效果。

5 第二臨空面形成過(guò)程與振速變化關(guān)系

爆破第二臨空面的工程意義是：形成后爆破振速顯著下降、炸藥單耗顯著降低；但因過(guò)去無(wú)法準(zhǔn)確確定形成時(shí)間，通常采取盡量增大微差間隔時(shí)間等保守方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。下面將以現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)數(shù)據(jù)和爆破圖片為基礎(chǔ)，研究第二臨空面形成時(shí)間、形成時(shí)尺寸及與振速變化的關(guān)系。

5.1 第二臨空面形成時(shí)間的初步確定

學(xué)術(shù)界對(duì)爆破空洞多大尺寸可稱為第二臨空面并無(wú)準(zhǔn)確說(shuō)法，故本文定義當(dāng)振速顯著下降的起始時(shí)間即為第二臨空面形成時(shí)刻，此時(shí)爆破形成的空洞大小為第二臨空面形成尺寸。而怎樣確定爆破振速顯著下降的時(shí)間、用什么方法去界定爆破振速為顯著下降，則是研究的關(guān)鍵。

本文方法是：在前面已獲單孔爆破振動(dòng)曲線（4.2 節(jié)）和8 孔微差起爆各時(shí)刻（見(jiàn)圖6）基礎(chǔ)上，計(jì)算得到8 孔微差爆破合成振動(dòng)曲線如圖12 黑色曲線2 所示，其計(jì)算方法見(jiàn)文獻(xiàn)[15]，過(guò)程不再贅述，僅列出8 孔疊加垂直方向振動(dòng)波形函數(shù)如下：

式中：m=8，Δti為各段雷管實(shí)際起爆時(shí)刻，i=1, 2,…, 8。

注意：上述計(jì)算合成振動(dòng)曲線是在沒(méi)有考慮第二臨空面影響條件下得出的，而現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)得到了逐孔逐段掏槽爆破振動(dòng)曲線見(jiàn)圖6，把曲線2 與圖6 實(shí)測(cè)振動(dòng)曲線放在同一張圖上比較，如圖12 所示，將其定義為在相同時(shí)刻振速差異相差50%以上即為第二臨空面形成時(shí)間。

圖 12 計(jì)算合成振動(dòng)曲線與實(shí)測(cè)振動(dòng)曲線的對(duì)比Fig.12 Comparation of the calculated superposed vibration curve and the measured one

由圖12 可知，綠色方框內(nèi)時(shí)段二者曲線幾乎重合，起爆75 ms 以后計(jì)算合成振速與實(shí)測(cè)振速峰值點(diǎn)差異超過(guò)了50%以上，即3 段以后各段起爆時(shí)形成的振動(dòng)峰值均較計(jì)算振速顯著下降，因此可以判定本次爆破至少75 ms 以前形成了第二臨空面。

5.2 第二臨空面形成與振動(dòng)變化間關(guān)系和臨空面形成時(shí)間的進(jìn)一步確定

根據(jù)獲得的現(xiàn)場(chǎng)攝像圖片研究如下問(wèn)題：（1）掏槽爆破后裂隙形成、擴(kuò)大成新臨空面過(guò)程及與振動(dòng)變化關(guān)系；（2）進(jìn)一步確定第二臨空面形成時(shí)間。上述第二臨空面確定方法是根據(jù)各段起爆后形成振動(dòng)峰值變化對(duì)比，但非電雷管各段延時(shí)間隔較大，當(dāng)?shù)诙R空面形成于兩段之間時(shí)難以準(zhǔn)確判定時(shí)間。

5.2.1 爆破裂隙形成擴(kuò)展規(guī)律

從圖5 可以看出1 段孔爆破后裂隙主要向中上部3 段孔方向發(fā)展，故重點(diǎn)分析炮孔中上部近區(qū)巖體裂隙變化過(guò)程。對(duì)圖片進(jìn)行連續(xù)分析后發(fā)現(xiàn)，爆破裂隙并不是剛起爆就產(chǎn)生，最初裂隙為起爆21 ms 即巖體移動(dòng)3 s 左右形成，位于1 段孔稍向下位置。隨著時(shí)間推移裂隙形成空洞，如圖5 中t2～t7黃色空洞范圍，黃色空洞主要部分向上方3 段孔方向繼續(xù)擴(kuò)大；位于1 段孔水平線以下向5 段孔方向延伸。

由于空洞向上方延伸后對(duì)后面3 段孔爆破效果和振動(dòng)變化影響極大，根據(jù)獲得的攝像圖片，利用CAD 對(duì)空洞尺寸變化進(jìn)行計(jì)算處理，得到20 張圖片中空洞擴(kuò)展的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，圖13 顯示了6 個(gè)關(guān)鍵時(shí)段爆破空洞尺寸擴(kuò)展成臨空面的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。

空洞（裂隙）在縱、橫向長(zhǎng)度隨起爆時(shí)間變化如圖14 所示。圖中爆破初期空洞擴(kuò)張很快，起爆21 ms時(shí)空洞橫、縱向長(zhǎng)度即達(dá)15.5 cm 和13.02 cm；但縱、橫向長(zhǎng)度曲線均存在拐點(diǎn)，縱向拐點(diǎn)A 的時(shí)間為54 ms，橫向拐點(diǎn)B 為33 ms，曲線拐點(diǎn)以后位于平臺(tái)區(qū)，隨著時(shí)間增加縱橫向空洞增長(zhǎng)緩慢，表明第二臨空面尺寸增加是有限度的；其最大空洞長(zhǎng)度產(chǎn)生于起爆后78 ms，此時(shí)縱橫向長(zhǎng)度分別為129.09 cm和62.06 cm。

值得注意的是，33 ms 以后空洞橫向較縱向增長(zhǎng)明顯減少，且隨著時(shí)間增加這種趨勢(shì)更加顯著，這一特征將在今后作深入研究。

5.2.2 爆破裂隙擴(kuò)展與振速變化關(guān)系和第二臨空面形成時(shí)間的更準(zhǔn)確確定

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)高速攝像圖結(jié)合實(shí)測(cè)振動(dòng)曲線，做出起爆時(shí)間與爆破空洞兩個(gè)方向長(zhǎng)度擴(kuò)展過(guò)程（見(jiàn)圖14）、以及與振動(dòng)變化（見(jiàn)圖6）之間的關(guān)系如圖15所示。

右孔2 段爆破振動(dòng)峰值形成于起爆后42 ms，從圖14 可知，此時(shí)已爆1 段孔形成的空洞水平長(zhǎng)度52.3 cm，同對(duì)掏槽孔（1～2 段炮孔）孔口相距3.8 m，1～2 段起爆時(shí)差39 ms，當(dāng)起爆39 ms 時(shí)空洞橫向長(zhǎng)度僅50 cm，即最小抵抗線大于3.3 m，遠(yuǎn)不能到2 段孔起爆附近位置。因此雷管逐孔掏槽時(shí)，2 段起爆引起的爆破振動(dòng)不可能因1 段爆破形成的臨空面降低（通常隧道同對(duì)掏槽孔孔口距都大于2 m），換句話說(shuō)，1 段爆破形成的臨空面對(duì)2 段爆破的合成振速影響很小。

進(jìn)一步分析可知，振速大小基本不受空洞橫向長(zhǎng)度增長(zhǎng)影響。因起爆42 ms 時(shí)爆破振動(dòng)達(dá)到峰值，此時(shí)曲線1 位于圖15 中虛線圍成的平臺(tái)區(qū)，隨著時(shí)間增加空洞橫向長(zhǎng)度變化較?。ㄗ畲笙嗖?5.7%），即平臺(tái)區(qū)既有振動(dòng)峰值點(diǎn)又有振速顯著下降點(diǎn)（根據(jù)5.1 節(jié)可知，至少78 ms 形成第二臨空面），說(shuō)明曲線平臺(tái)區(qū)橫向長(zhǎng)度變化與振速變化沒(méi)有直接關(guān)系。

圖 13 典型起爆時(shí)刻空洞尺寸變化的計(jì)算結(jié)果圖Fig.13 Calculation results of the cave's size change at typical initiation time

圖 14 兩個(gè)方向爆破空洞長(zhǎng)度隨時(shí)間變化圖Fig.14 Cave size change with time in two directions

圖 15 空洞尺寸、振速、起爆時(shí)間之間動(dòng)態(tài)關(guān)系圖Fig.15 Dynamic relationship among cave size, vibration velocity and initiation time

對(duì)振速影響最大的是空洞縱向長(zhǎng)度的擴(kuò)展，從圖15 中曲線2 可以看出，2 段起爆后空洞縱向長(zhǎng)度未達(dá)曲線平臺(tái)區(qū)，即此時(shí)空洞縱向長(zhǎng)度86.3 cm 不足以使2 段振速顯著降低；如前所述，3 段起爆在78 ms的合成振速顯著下降，且曲線2 虛線所圍平臺(tái)區(qū)振速都很低；平臺(tái)區(qū)內(nèi)不同時(shí)間空洞縱向長(zhǎng)度基本相同（起爆54 ms 與起爆78 ms 空洞縱向長(zhǎng)度僅差3.1%），起爆78 ms 時(shí)因第二臨空面形成導(dǎo)致振速下降，而在54 ms 的空洞尺寸與其基本相同，故可推斷導(dǎo)致振速顯著下降的空洞在起爆后54 ms 時(shí)就已形成，此時(shí)空洞即第二臨空面，其縱向長(zhǎng)度為125.02 cm，因此通過(guò)爆破圖片分析，可將前面研究的78 ms 以前形成第二臨空面更準(zhǔn)確確定為起爆后54 ms 前形成。

上述研究表明：不是形成爆破空洞即可使振速下降，空洞不同方向尺寸對(duì)振速影響有很大差異。

5.3 工程應(yīng)用

第二臨空面形成時(shí)間對(duì)微震爆破設(shè)計(jì)具有重要意義：形成前逐孔逐段爆破控制振速，形成后兩孔同段提高爆破效率。將此方法應(yīng)用于渝中隧道ZK14+123.2 m 上臺(tái)階爆破，由于事先已測(cè)得各段雷管延時(shí)范圍，3 段雷管延時(shí)范圍為61～83 ms，其最小延時(shí)61 ms 大于第二臨空面形成時(shí)間54 ms，但為安全起見(jiàn)1～4 段采用逐孔掏槽，后面采用兩孔同段掏槽，即從原設(shè)計(jì)逐孔逐段掏槽優(yōu)化為圖16(a)，由實(shí)測(cè)爆破振動(dòng)曲線圖16(b)可知，所有掏槽爆破時(shí)段振速均不超過(guò)0.5 cm/s，說(shuō)明第二臨空面形成后即使同段藥量增加2 倍仍滿足安全要求。

圖 16 優(yōu)化后的隧道掏槽爆破設(shè)計(jì)與實(shí)測(cè)振動(dòng)曲線圖Fig.16 Optimized cut blasting design and vibration curve measured in the tunnel

6 結(jié) 論

(1) 成功建立了高速數(shù)字?jǐn)z像隧道現(xiàn)場(chǎng)爆破測(cè)試系統(tǒng)，首次實(shí)現(xiàn)隧道爆破圖像采集，獲取了巖體爆破后移動(dòng)、破裂、拋擲的完整圖片信息并同步進(jìn)行爆破振動(dòng)測(cè)試分析，這是隧道爆破現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試具有重要意義的突破，為今后隧道爆破研究提供了新的途徑和可借鑒的方法。

(2) 通過(guò)隧道爆破攝像圖片結(jié)合振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)，研究了同對(duì)炮孔微差爆破時(shí)保持爆破協(xié)同作用的臨界時(shí)差參數(shù)，確定了兼顧楔形掏槽同對(duì)槽眼協(xié)同作用與微差降振的起爆時(shí)差區(qū)間；渝中連接隧道在0.5 cm/s控制振速下，具有協(xié)同作用的最大微差時(shí)間范圍為8～50 ms，此范圍內(nèi)微差時(shí)間越小爆破效果越好。

(3) 提出了確定第二臨空面形成時(shí)間的兩種方法：即初步確定可對(duì)比計(jì)算合成振動(dòng)曲線與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)振動(dòng)曲線的差異；更準(zhǔn)確的方法為根據(jù)隧道巖石破裂過(guò)程的高速攝像分析結(jié)合實(shí)測(cè)振動(dòng)數(shù)據(jù)得出。據(jù)此發(fā)現(xiàn)渝中隧道現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)時(shí)第二臨空面在起爆54 ms 形成，用此優(yōu)化掏槽爆破設(shè)計(jì)效果良好。上述研究對(duì)隧道精確控制爆破具有重要的理論與應(yīng)用價(jià)值。

(4) 研究發(fā)現(xiàn)巖石破裂過(guò)程一些特征和規(guī)律：炸藥起爆15～18 ms 后被爆巖體產(chǎn)生移動(dòng)，21 ms 左右形成空洞并不斷擴(kuò)展最后拋出；空洞形成初期(縱向54 ms、橫向33 ms)增加較快，此后增長(zhǎng)緩慢直至停止，最大可見(jiàn)尺寸長(zhǎng)129.09 cm、寬62.06 cm；

(5) 對(duì)于隧道楔形逐孔掏槽爆破，首爆孔形成的臨空面不可能使2 段孔引起的振動(dòng)峰值降低；爆破形成空洞的縱向長(zhǎng)度對(duì)后續(xù)段合成振速具有重要影響，橫向長(zhǎng)度對(duì)振速影響較小。

重慶中環(huán)建設(shè)有限公司渝中項(xiàng)目部李俊松總工在現(xiàn)場(chǎng)圖像采集過(guò)程中提供了支持，研究生侯航波、李思奇參加了部分圖像處理工作，謹(jǐn)在此表示感謝！