小斷面隧道短延時(shí)精準(zhǔn)爆破技術(shù)

李遠(yuǎn)征，王梯普，魏武巍，呼葆俊，張 漢，李泉智

(中交一公局第七工程有限公司， 河南 鄭州 451450)

0 引 言

水工隧洞是常見(jiàn)的小斷面隧洞，開(kāi)挖斷面小、巖體夾制作用大、地質(zhì)條件復(fù)雜，西南地區(qū)喀斯特地貌小斷面隧道施工上述問(wèn)題尤為突出[1]。鉆爆法破巖成本低、對(duì)巖石適應(yīng)性強(qiáng)、移動(dòng)靈活等特點(diǎn)，是當(dāng)前隧道掘進(jìn)的主要技術(shù)手段。傳統(tǒng)隧道爆破一般使用普通非電毫秒雷管起爆，由于雷管延時(shí)誤差較大，在使用過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)重炮、竄段、跳段現(xiàn)象，影響爆破效果。近年來(lái)，隨著數(shù)碼電子雷管技術(shù)的不斷成熟，被廣泛應(yīng)用于拆除爆破、臺(tái)階爆破及井巷掘進(jìn)爆破。由于數(shù)碼電子雷管具有延期時(shí)間可調(diào)、延時(shí)精確等優(yōu)點(diǎn)，有效確保了逐孔起爆技術(shù)的順利實(shí)施，大大改善了爆破效果，但是對(duì)毫秒延時(shí)間隔時(shí)間的選取還存在較大爭(zhēng)議。陳士海[2]等基于新自由面形成機(jī)理給出最佳毫秒延期時(shí)間為 8～25 ms；Yamamoto等[3]研究發(fā)現(xiàn)藥包爆炸過(guò)程中巖體位移與抵抗線(xiàn)具有一定的函數(shù)關(guān)系，同時(shí)給出5～7 ms/m抵抗線(xiàn)；Mogi等[4]基于相鄰藥包爆炸時(shí)巖石碰撞機(jī)理給出最佳延期時(shí)間為15～50 ms；國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者基于等效峰值能量、小波分析、振動(dòng)波運(yùn)動(dòng)規(guī)律等手段來(lái)探究最佳延期時(shí)間，分別給出了不同的選取參數(shù)與依據(jù)[5-8]。

上述學(xué)者的研究為毫秒延期間隔時(shí)間的選取提供了重要的理論依據(jù)，但上述研究成果大都針對(duì)特殊地質(zhì)及爆破方法，不能完全適用于小斷面隧道精確延時(shí)爆破參數(shù)選取。為此本文以凱掌水庫(kù)-松柏山水庫(kù)輸水工程小斷面隧道開(kāi)挖工程為背景，進(jìn)行數(shù)碼電子雷管精確延時(shí)爆破現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，優(yōu)化參數(shù)選取，為類(lèi)似工程毫秒延時(shí)參數(shù)選取提供依據(jù)。

1 工程實(shí)例

1.1 工程概況

凱掌水庫(kù)-松柏山水庫(kù)輸水工程隸屬于黔中水利樞紐工程，主要任務(wù)是替代凱掌水庫(kù)至松柏山水庫(kù)甘河段的輸水功能為城市供水。工程所在地位于貴陽(yáng)花溪區(qū)西南角清鎮(zhèn)市南面，地勢(shì)西南高東北低，場(chǎng)區(qū)屬溶蝕低山丘陵地貌，隧洞埋深20.0～80.0 m，平均埋深約50.0 m，其中，Ⅲ類(lèi)圍巖1910 m，占37%，主要分布于三疊系下統(tǒng)大冶組二段（T1d2）淺灰色至灰色中厚至厚層泥-微晶灰?guī)r地層；Ⅳ類(lèi)圍巖2730 m，占53%，主要分布于三疊系下統(tǒng)大冶組一段（T1d1）灰色薄層至板片狀?yuàn)A薄層泥晶灰?guī)r地層；Ⅴ類(lèi)圍巖490 m，占10%，主要分布于隧洞進(jìn)出口段及斷層發(fā)育段。凱松隧洞為無(wú)壓引水隧洞，隧洞全長(zhǎng)5.125 km，設(shè)計(jì)引水流量為4.016 m3/s。隧洞底坡為1%，為城門(mén)洞型斷面，襯砌后洞徑2.0 m×2.5 m（寬×高），襯砌厚度0.5 m。該隧道總體特征可以概括為巖溶斷層發(fā)育，施工工期緊、隧道斷面小，導(dǎo)致隧道掘進(jìn)難度大大增加。

1.2 爆破方案設(shè)計(jì)

鉆爆法具有破巖成本低、對(duì)巖石適應(yīng)性強(qiáng)、作業(yè)準(zhǔn)備時(shí)間短、對(duì)技術(shù)故障及遇到地質(zhì)斷層較容易處理及應(yīng)變等特點(diǎn)，本工程決定選用鉆爆法進(jìn)行隧道掘進(jìn)。實(shí)踐表明，使用非電導(dǎo)爆管起爆法在掌子面爆破掘進(jìn)過(guò)程中存在超欠挖嚴(yán)重、對(duì)圍巖影響大、容易發(fā)生重炮、跳段等問(wèn)題，所以本工程決定采用數(shù)碼電子雷管進(jìn)行短延時(shí)逐孔毫秒爆破作業(yè)，并對(duì)掌子面炮孔布置及數(shù)碼電子雷管延期時(shí)間進(jìn)行了合理的選擇。

經(jīng)過(guò)相關(guān)理論計(jì)算后，根據(jù)巖石類(lèi)別情況采用不同炮孔深度，其中 III類(lèi)圍巖炮孔深度控制在2.5～3.5 m內(nèi)，IV類(lèi)圍巖控制在1.5～2.5 m內(nèi)，V類(lèi)圍巖控制在0.5～1.5 m內(nèi)，特殊地層應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況修改炮孔深度參數(shù)。本工程采用40 mm直徑炮孔，單位面積鉆眼 3～4個(gè)，由于隧道周邊需要光面爆破，所以可適當(dāng)增加10%～15%炮孔數(shù)目。同時(shí)炮孔布置方式的不同會(huì)影響到炸藥爆炸后能量的分布，直接影響著爆破效果的好壞，需要對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)格的控制。

（1）掏槽眼的布置。因本工程隧洞斷面小，直孔掏槽鉆眼相互干擾少，所以根據(jù)本工程的實(shí)際情況，掏槽設(shè)為小直徑中空直孔掏槽。掏槽炮孔的布置位置一般選擇在斷面的中下部位，并盡量考慮掏槽以上的炮孔為壓頂炮。掏槽眼位于斷面的下部，距開(kāi)挖斷面底部0.6～0.8 m，采用久聯(lián)民爆器材有限公司生產(chǎn)的數(shù)碼電子雷管爆破，可滿(mǎn)足各項(xiàng)施工作業(yè)要求，同時(shí)可減小爆破振動(dòng)。開(kāi)挖掏槽設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1。

圖1 小直徑中空直孔掏槽

（2）周邊炮孔的布置。隧道需要對(duì)周邊進(jìn)行光面爆破，周邊炮孔的布置是否合理會(huì)直接影響到隧道輪廓的形成效果。布置得當(dāng)可減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)，以及控制超欠挖。本工程根據(jù)巖質(zhì)及圍巖類(lèi)別，周邊炮孔孔距E?。?0～15）d（d為炮孔直徑），最小抵抗 W=E/(0.7～1.0)。本工程周邊炮孔設(shè)計(jì)為隔孔裝藥，周邊炮孔孔距 E取50 cm，滿(mǎn)足 E值要求。

（3）其他炮孔的布置。擴(kuò)槽、內(nèi)圈、底板炮孔的布置均比掏槽、周邊炮孔稀疏，而與掘進(jìn)炮孔相比，又要適當(dāng)加密。為了控制爆破對(duì)圍巖的破壞，內(nèi)圈炮孔設(shè)計(jì)間距為0.6～0.8 m，使炸藥量能在內(nèi)圈炮孔帶均勻分布，底板炮孔由于積壓碴的原因，也必須適當(dāng)加密，設(shè)計(jì)為0.5～0.7 m。掘進(jìn)炮孔一般均勻布置即可，采用線(xiàn)形布置和環(huán)形布置相結(jié)合的形式。抵抗線(xiàn)均為同排（或同一環(huán)形）炮孔間距的80%～100%。具體隧道全斷面布孔方式見(jiàn)圖2。

圖2 隧道全斷面布孔圖（本圖尺寸以mm計(jì)；數(shù)字表示數(shù)碼電子雷管延期時(shí)間，單位為ms）

1.3 數(shù)碼電子雷管延時(shí)設(shè)計(jì)

數(shù)碼電子雷管在延期精度（±0.1%）及延期時(shí)間上的優(yōu)勢(shì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通非電毫秒雷管，能夠真正意義上實(shí)現(xiàn)短延時(shí)、逐孔、精準(zhǔn)起爆，且降振效果良好，同時(shí)可有效地防止重炮、竄段、跳段等現(xiàn)象[9]。確定合理微差時(shí)間原則主要有新自由面形成的時(shí)間原則、最佳降振間隔時(shí)間原則、穩(wěn)定優(yōu)勢(shì)頻率的間隔時(shí)間原則等[10]，本工程根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)巖石實(shí)際情況結(jié)合各個(gè)微差時(shí)間原則得到了各類(lèi)圍巖的數(shù)碼電子雷管延時(shí)設(shè)置，具體微差時(shí)間見(jiàn)圖 2，不同巖石類(lèi)別的數(shù)碼電子雷管延時(shí)范圍及其他爆破相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

從圖2可知，除底板孔孔間微差間隔時(shí)間為10 ms外，其他炮孔微差時(shí)間基本為5 ms，傳統(tǒng)的非電毫秒雷管根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)該精度，且5 ms間隔時(shí)間理論上是新自由面形成的時(shí)間，具有較好的爆破效果。

表 1 III類(lèi)圍巖數(shù)碼電子雷管延時(shí)設(shè)置

2 爆破效果分析

2.1 爆破效果

為了驗(yàn)證微差時(shí)間、炸藥單耗等爆破參數(shù)的正確性，對(duì) III類(lèi)圍巖進(jìn)行了一次爆破試驗(yàn)，爆破取得了較好的效果，炸藥單耗降低20%，破碎巖石塊度小且拋擲效果較好、爆破振動(dòng)控制在規(guī)定值以下，隧道周邊輪廓成型效果良好。

2.2 結(jié)果分析

合理的微差時(shí)間是取得良好爆破效果的原因之一，但是微差時(shí)間作用機(jī)理依然存在較大的爭(zhēng)議，眾多研究者得出了不同的微差時(shí)間作用原理，主要有以下幾種：

（1）應(yīng)力波疊加原理。兩個(gè)相鄰藥包間隔時(shí)間設(shè)置合理時(shí)，先爆藥包先產(chǎn)生應(yīng)力波，同時(shí)炮孔附近產(chǎn)生大量的微裂隙，后爆藥包緊接著產(chǎn)生的應(yīng)力波和還未消失的先爆藥包應(yīng)力波相互疊加，使得相鄰藥包附近巖石總應(yīng)力場(chǎng)得到增強(qiáng)，巖石的破碎效果得到增強(qiáng)。相反，延期時(shí)間設(shè)置過(guò)大，相當(dāng)于兩次單獨(dú)起爆，應(yīng)力場(chǎng)無(wú)法得到加強(qiáng)；延期時(shí)間設(shè)置過(guò)短，相鄰炮孔幾乎同時(shí)起爆，爆生氣體過(guò)早釋放，炸藥能量沒(méi)有得到最大程度利用，不利于巖石破碎。

（2）自由面反射原理。自由面又稱(chēng)臨空面，有自由面時(shí)，爆源附近的石頭才能沿著自由面移動(dòng)破壞。炸藥爆炸產(chǎn)生的應(yīng)力波在巖石傳播過(guò)程中，當(dāng)應(yīng)力波達(dá)到自由面時(shí)產(chǎn)生反射作用，轉(zhuǎn)變?yōu)槔觳?，由于巖石的抗拉強(qiáng)度很小，產(chǎn)生的拉伸波加大裂隙的擴(kuò)張和延伸，導(dǎo)致巖石進(jìn)一步破碎。延期時(shí)間設(shè)置合理情況下，先爆炮孔能夠改變后爆炮孔最小抵抗線(xiàn)大小和方向，同時(shí)減弱了巖石的夾制作用和阻礙作用，延期時(shí)間過(guò)小，每個(gè)炮孔只有一個(gè)自由面，微差時(shí)間基本不起作用，爆破效果得不到改善。

（3）增強(qiáng)碰撞原理。先爆藥包爆炸時(shí)使得部分巖石向上運(yùn)動(dòng)，延期時(shí)間設(shè)置合理時(shí)，后爆藥包爆炸拋起的巖石與先拋出巖石發(fā)生碰撞，兩者的一部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為進(jìn)一步破碎巖石的內(nèi)能，使得巖石塊度更加均勻，同時(shí)降低了巖石的運(yùn)動(dòng)速度，進(jìn)而縮短了巖石拋擲距離，提高爆破效果。

（4）能量分散降振原理。微差爆破在一定程度上降低了最大起爆藥量，將炸藥能量在時(shí)間上進(jìn)行了分散，延期時(shí)間過(guò)大，雖然降振效果得到改善，但是巖石破碎效果很差；延期時(shí)間過(guò)小又無(wú)法控制炸藥能量的合理分布，導(dǎo)致振動(dòng)較大，嚴(yán)重影響施工安全，只有合理的延期時(shí)間才能取得良好的爆破效果。

綜上所述，無(wú)論是哪種微差時(shí)間作用機(jī)理，表征延期時(shí)間是否合理的指標(biāo)參數(shù)主要有兩個(gè)，即爆破效果和降振效果，本工程爆破效果良好、振動(dòng)控制在允許范圍內(nèi)，說(shuō)明微差時(shí)間設(shè)置合理。

2.3 建議與措施

基于以上4種微差時(shí)間作用機(jī)理并結(jié)合該隧道具體地質(zhì)條件，提出以下幾點(diǎn)隧道施工建議：

（1）由于本工程的巖石性質(zhì)變化較大，微差時(shí)間設(shè)置時(shí)應(yīng)以爆破效果和振動(dòng)大小這兩個(gè)指標(biāo)為參考，根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)調(diào)整延期時(shí)間。

（2）做好超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，準(zhǔn)確掌握巖溶及斷層分布情況，在巖性較差區(qū)域適當(dāng)減少單孔裝藥量及適當(dāng)延長(zhǎng)微差時(shí)間，巖性特別差地段應(yīng)禁止使用爆破開(kāi)挖。

（3）由于微差爆破時(shí)巖石碰撞產(chǎn)生的小石塊彈射角度具有任意性，因此，應(yīng)做好爆破區(qū)域內(nèi)人員、設(shè)備的安全防護(hù)工作，防止因小石塊彈射傷人及損壞設(shè)備。

4 結(jié) 論

（1）在凱掌水庫(kù)-松柏山水庫(kù)輸水工程小斷面隧道爆破開(kāi)挖法中，采用數(shù)碼電子雷管進(jìn)行短延時(shí)毫秒精準(zhǔn)爆破掘進(jìn)，避免了傳統(tǒng)毫秒雷管的跳段、重炮現(xiàn)象，確保了爆破施工效果。

（2）對(duì)III、IV、V類(lèi)巖石設(shè)置了不同的爆破參數(shù)，掏槽眼和周邊眼延期時(shí)間設(shè)置為10 ms/m、底板眼為 18 ms/m 時(shí)，輔助眼延時(shí)范圍為 7～12 ms/m，爆破效果有效提高，炸藥單耗降低20%、振動(dòng)控制在允許值之內(nèi)。

（3）基于不同的微差時(shí)間作用機(jī)理提出了三點(diǎn)施工建議，為同類(lèi)工程提供了經(jīng)驗(yàn)參考。