浅埋隧道爆破施工电子雷管降振延时时间的分析

康永全，孟海利，薛　里，孙崔源，管仁生( ．中国铁道科学研究院研究生部，北京　0008; ．中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京　0008)



浅埋隧道爆破施工电子雷管降振延时时间的分析

康永全1，孟海利2，薛里2，孙崔源1，管仁生1
( 1．中国铁道科学研究院研究生部，北京100081; 2．中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京100081)

摘要:结合北京一地铁隧道爆破开挖工程，利用ANSYS/LS-DYNA动力有限元软件模拟爆破现场两个相邻炮孔在不同延时时间下的应力波叠加情况，研究逐孔起爆的振动累积效应，得到数码电子雷管降低爆破振动最佳的延时时间，并与现场爆破试验进行了对比。结果表明:在该工程地质条件下，孔间延时时间7 ms起爆时降振效果最明显。在北京地铁16号线08标段的隧道爆破施工中采用这一延时时间，将爆破振动控制在允许范围内。

关键词:浅埋隧道数值模拟电子雷管延时时间现场试验

近些年来，随着我国城市化进程的快速推进，城市基础交通设施的发展变得日益迫切，以地铁为代表的城市轨道交通系统成为缓解特大城市交通拥堵的有效方式。目前，城市地下隧道硬岩段仍需要采用爆破技术掘进。但由于市区复杂的周边环境，除了对周围重要的建筑物基础设施进行保护，更要考虑行车的安全、行人的心理感受等因素，这就对爆破振动的控制提出了更严格的要求［1］。

电子雷管毫秒延时逐孔起爆产生的地震波振速峰值小、频率高、主振相持续时间短，具有降振效果明显、爆破效果良好的特点，为科学的爆破参数优化提供了理论依据［2-3］。毫秒延时逐孔起爆技术实现了单孔依次顺序起爆，将最大段装药量控制在一个炮孔的药量范围内。孔间采用合理的间隔时间可以使得各炮孔的振动信号错峰叠加或峰谷抵消叠加，从而大幅度地降低爆破地震波的危害。岩石破碎体在移动抛掷过程中相互碰撞、挤压，达到改善破碎效果的目的［4-5］。

随着电子雷管爆破技术在各种复杂控制爆破工程中的广泛应用，关于如何确定合理的间隔时间已成为工程爆破技术人员普遍关心的问题。但由于延时时间受诸多因素的影响，至今还没有公认的理论和公式［6］确定。电子雷管延时时间的设定成为爆破安全技术中亟待解决的关键问题。

本文根据北京16号地铁线隧道的工程地质条件，采用显式非线性动力分析软件LS-DYNA模拟两个相邻炮孔在0～11 ms不同延时时间下地震波的叠加干扰过程。结合现场爆破振动监测试验，探讨浅埋地铁隧道电子雷管延时时间的选取，以充分发挥电子雷管精确延时的技术优势和促进毫秒延时逐孔起爆技术在地铁隧道施工中的推广和应用。

1　工程简介

1. 1工程概况

北京地铁16号线08标段肖西区间中的区间风井—西苑站采用矿山法施工。隧道埋深约20 m，为城市浅埋隧道。爆破段位于L1竖井至L2竖井之间，单线长118. 2 m，爆破施工段示意如图1。

图1爆破施工段示意

爆破段场地位于永定河冲积扇中上部。隧道地层以强风化砂岩、中风化砂岩为主，洞身和底拱主要位于中风化砂岩中。中风化砂岩坚硬，完整性好，岩芯多呈长柱状，饱和极限抗压强度为91. 27～110. 70 MPa。

爆破段平行下穿圆明园西路，邻近圆明园，行人、游客较多，爆破环境复杂。隧道西侧与国际关系学院办公楼最近水平距离为65 m，隧道东侧临近西苑北桥，水平距离为13 m。西苑北桥为城市快速路，车流量较大，在爆破施工时属于重点保护对象，爆破振动需按2. 0 cm/s进行控制，爆破周边环境见图2。由于隧道整体埋深较浅，工程地质条件较差，开挖难度大;西苑公交枢纽站车辆、人流汇聚;周围被保护建筑物密集，再加上本工程为北京地区五环内首次使用爆破开挖的隧道工程。因此，必须采取严格的减振与防护措施，最大限度地保护周围建筑物的安全和避免对居民、行人的干扰。

图2爆区周边环境及测点布置

1. 2爆破方案

爆破方案遵守“弱爆破、微振动、短进尺、强支护、勤量测”的施工原则。采用分步分台阶开挖方案，严格控制炸药单耗和单段最大药量，控制爆破规模，以达到控制爆破质点振动速度的目的。根据工程设计资料、周边环境、岩体地质条件，确定如下控制爆破方案:孔径为42 mm，采用楔形掏槽方式，中间钻4排掏槽孔，垂直深度1. 3 m，孔距0. 4 m，周边采用光面爆破，孔深1. 2 m，孔距0. 5 m，单孔最大装药量为0. 9 kg，每次爆破进尺深度1 m。采用电子雷管起爆网路，按顺序逐孔起爆，孔间延时时间的选取通过数值模拟和现场试验的对比分析来确定。

1. 3测点布置

由于西苑北桥离爆源最近，为控制爆破振动对其产生的不利影响，利用数值仿真的方法分析孔间不同延时起爆时西苑北桥的振动情况，并在西苑北桥上布设测点，实时监测每次爆破的振动速度，评估对保护物的振动影响。根据监测结果，反馈到爆破设计方案中并及时调整孔网参数。爆源与测点的距离大约25 m，测点( + )布置参见图2。

2延时时间的数值分析

2. 1计算模型

根据16号线地铁隧道的实际情况，利用ANSYS/ LS-DYNA软件建立两个间距40 cm的炮孔，计算不同间隔时间起爆测点振动速度的变化情况。为计算简便，将隧道掌子面三维空间模型简化为准二维模型。模型尺寸为2 000 cm×2 000 cm×30 cm，炸药尺寸为30 cm×30 cm×30 cm。建模时炸药和岩石均使用映射法划分网格，单元采用多物质ALE算法，使用无反射边界条件模拟半无限岩石介质。由于炸药和介质的尺寸相差悬殊，为方便观看，截取计算模型的局部放大图如图3所示。

图3计算模型局部放大

2. 2材料参数和状态方程

采用高能燃烧模型( MAT_HIGH _EXPLOSIVE _ BUR)模拟二号岩石乳化炸药，该模型定义了爆炸产物压力［7］。

炸药爆炸后爆轰产物流动行为将导致压力与体积的变化，采用JWL( Jones-Wilkins-Lee)状态方程描述爆轰C-J状态后的压力与体积、内能之间的关系。JWL状态方程形式如下

式中: p为压力; E为初始比内能; V为爆轰产物的相对体积; A，B，R1，R2，ω为炸药参数。模拟中需输入的乳化炸药参数见表1。

表1乳化炸药的数值模拟参数

岩石简化为均匀、单一的弹塑性介质，材料模型采用弹塑性随动硬化材料( MAT_PLASTIC_KINEMATI)，需要输入的参数为密度、弹性模量、泊松比、切线模量、失效应变等。具体砂岩的力学性能参数见表2［8］。

2. 3计算结果与分析

1)两孔不同时刻起爆应力波的干扰过程

通过对单自由面双孔毫秒延时爆破过程的数值模拟计算，可动态观察爆破过程中药包爆炸形成的应力波传播、反射、干涉等情况。图4给出了两孔间隔10 ms起爆时介质中不同时刻的有效应力云图。

表2岩石的数值模拟参数

图4炮孔应力叠加云图

岩石介质中不同时刻的爆炸应力云图清楚地再现了爆炸应力的产生、发展与重分布过程，两个炮孔先后起爆会在某个时刻产生应力交集，通过应力云图可以查看应力集中的区域。第一个炮孔起爆后爆炸应力波以爆源为中心快速向四周传播，并对周围介质产生强烈的破碎作用，紧接着第二个炮孔起爆，爆炸应力波同样向周围迅速地扩散，在某个时刻追上第一个炮孔的应力波，产生应力波的叠加，从而延长了对介质的作用时间。

2)孔间不同延时时间振速的变化

为对毫秒延时爆破地震波叠加规律进行定量分析，在LS-Prepost后处理程序中提取计算模型中与西苑北桥位置相对应的节点2543，查看该节点在两个炮孔延时分别为0～11 ms时的垂向振动速度时程曲线。图5为孔间延时分别为0和7 ms时的速度时程曲线，图6为第一个炮孔单独起爆的振动波形图，并将对应的振动速度峰值整理绘制成折线图，见图7。由于边界的透射性，振动衰减得很缓慢，余振相的持续时间较长，故取前50 ms的振动波形进行分析。

图5 0和7 ms延时振动波形

图6单孔爆破振动波形(第一炮孔)

图7孔间不同延时对应的振速峰值

由图7中振速峰值随不同延时时间的变化趋势，可以清楚地看到逐孔起爆与齐发起爆的降振效果相比是非常明显的:当两个炮孔同时起爆时，振动较大，最大振动速度达到了1. 53 cm/s，而当两孔延时起爆时，振动明显减小，降振率可达30%左右，说明前后两个振动波产生叠加干扰，波峰与波谷相互抵消得较好。通过进一步分析发现两孔间延时在6～8 ms时，降振效果是比较突出的，在此区间内7 ms延时的爆破振动峰值将近为齐发爆破的一半，爆破振动降低45%，为降振的最佳延时时间。孔间延时＞10 ms的振动峰值几乎为第一炮孔单孔起爆的振动峰值(参见图6)，说明第二炮孔产生的振动波已经追不上第一炮孔振动波的主振相，近乎单孔连续起爆。

3　现场试验及应用

在地铁隧道爆破全面施工前进行了多次试爆以验证数值模拟结果，确定爆破现场降低爆破振动最佳的孔间延时时间。西苑北桥上测点布设如图8所示。

图8西苑北桥测振仪现场布置

隧道掌子面炮孔分掏槽孔、辅助孔和周边孔三部分，每种类型炮孔延时100 ms。根据数值分析结果，现场共进行8次试爆，电子雷管的延时时间分别设定为5～9 ms，得到西苑北桥处地面的爆破振动有效数据5组，见表3。

表3不同延时时间的振动峰值

通过表3可看出在5～9 ms区间内7 ms延时的振动强度最小，主振频率变大，说明数值模拟的结果和现场试验是比较吻合的，具有一定的实践指导意义。

图9为延时设定7 ms时现场一次爆破振动时程曲线，爆破振动速度峰值为1. 19 cm/s，出现在272 ms时，为掏槽孔区域。周边孔和下台阶由于良好的临空面振动强度较小，振动持续时间为1. 16，1. 25 s后波形消失(近乎直线)。波形叠加后振动信号的频率范围变大，主频也随之变大，这对保护物的安全是极为有利的。

图9孔间延时7 ms爆破振动实测波形

数值模拟分析和现场监测试验充分表明该隧道工程孔间最佳的延时时间为7 ms，采用该延时设定进行隧道正常的爆破施工，严格控制了西苑北桥的振动在安全允许范围内，极大地减小了爆破振动的危害。爆后围岩稳定，无大的剥落和坍塌，断面无大的起伏，掌子面附近爆堆比较分散，破碎块度均匀适中，便于铲装，加快了后续的出渣工作，确保了工程质量和施工工期。

4　结语

城市地铁隧道爆破施工由于复杂的周边环境，需对爆破振动有害效应严加控制。电子雷管成功解决了该类隧道工程中的问题，并在破碎效果、循环进尺、降振方面有明显的优势，为解决复杂环境下地铁隧道爆破开挖的安全问题提供了有效的技术手段。通过数值分析软件模拟两个炮孔不同延时的振动叠加情况，结果表明设定延时时间在6～8 ms可达到良好的降振效果，7 ms的延时效果最佳。数值模拟的结果和现场试验的情况比较吻合，并在北京地铁隧道爆破工程中应用，实践证明孔间7 ms的延时严格控制了爆破振动，确保了工程质量和施工安全。

参考文献“”范例(部分) 来源分类:期刊文章—［J］，普通图书、专著—［M］，论文集、会议录—［C］，学位论文—［D］，规范、标准—［S］，报告—［R］，未说明文献类型或资料类—［Z］。

［1］薛里，施龙焱，孙付峰．地铁浅埋隧道爆破开挖振动控制研究［J］．地下空间与工程学报，2012，8( 4) : 791-795．

［2］张光雄，杨军，卢红卫．毫秒延时爆破干扰降振作用研究［J］．工程爆破，2009，15( 3) : 17-21．

［3］杨仁树，车玉龙，孙强，等．城市地铁电子雷管爆破降振技术试验研究［J］．岩石力学与工程学报，2014，33(增2) : 3741-3749．

［4］付天光．逐孔起爆技术应用基础研究［D］．沈阳:辽宁工程技术大学，2010．

［5］郭学彬，张继春，刘泉，等．微差爆破的波形叠加作用分析［J］．爆破，2006，23( 2) : 4-8．

［6］吴腾芳，王凯，倪荣福．微差爆破间隔时间计算模型的探讨［J］．工程爆破，1997，3( 4) : 59-62．

［7］LSTC．LS-DYNA Keyword User’s Manual［M］．Califonia: Livemore Software Technology Corporation，2001．

［8］孟海利，邓志勇．预裂爆破降振规律的数值模拟研究［J］．铁道建筑，2008( 1) : 74-78．

(责任审编赵其文)

［1］刘振民．双块式无砟轨道道床板混凝土裂缝的分析与防治［J］．铁道建筑，2007( 6) : 99-101．

［2］吴宏伟，陈守义，庞宇威，等．雨水入渗对非饱和土坡稳定性影响的参数研究［J］．岩土力学，1999，20 ( 1) : 57-61．

［3］赵国堂．高速铁路无砟轨道结构［M］．北京:中国铁道出版社，2006．

［4］康熊，钱立新，王澜．既有铁路行车综合安全监控系统的研究［C］/ /铁道科学技术新进展——铁道科学研究院五十五周年论文集．北京:中国铁道出版社，2005: 18-25．

［5］赵洪雁，时福久．大秦线万吨列车对轨道的动态影响分析及对策建议［C］/ /中国科协2004年学术年会铁道分会场论文集．北京:中国科学技术出版社，2004: 30-35．

［6］杨勇．型钢混凝土粘结滑移基本理论及应用研究［D］．西安:西安建筑科技大学，2003．

［7］中华人民共和国铁道部．铁运［2006］146号铁路线路修理规则［S］．北京:中国铁道出版社，2006．

［8］湖南省交通规划勘察设计院．常德至吉首高速公路岩门界隧道工程地质勘察报告［R］．长沙:湖南省交通规划勘察设计院，2003: 56-62．

［9］周清跃．国内外最新钢轨标准汇编［Z］．北京:中国铁道科学研究院，2004．

本刊编辑部

Analysis of electronic detonator delay time for vibration-reducing in blasting excavation of shallow-buried tunnel

KANG Yongquan1，MENG Haili2，XUE Li2，SUN Cuiyuan1，GUAN Rensheng1
( 1．Postgraduate Department，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081;
2．Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

Abstract:In the background of Beijing subway tunnel blasting excavation engineering，the stress wave superimposition condition of two adjacent hole under different delay times on blasting spot was simulated by dynamic finite element software ANSYS/LS-DYNA for analyzing the blasting vibration cumulative effects of hole by hole and obtained the optimal delay time of digital electronic detonator for blasting vibration-reducing．T he calculation results were compared with those obtained from the field blasting test．T he results showed that the hole spacing delay time at 7 ms was the most obvious effect of blasting vibration-reducing in this engineering geological condition．Finally the delay time was applied in the blasting construction of tunnel at 08 section on No．16 M etro Line in Beijing，the blasting vibration velocity is controlled in the safety limit．

Key words:Shallow-buried tunnel; Numerical simulation; Electronic detonator; Delay time; Field test

文章编号:1003-1995( 2016) 01-0043-04

中图分类号:U455．41

文献标识码:A

DOI:10．3969 /j．issn．1003-1995．2016．01．09

作者简介:康永全( 1990—)，男，硕士研究生。

基金项目:中国铁道科学研究院基金项目( 2014YJ028)

收稿日期:2015-11-05;修回日期: 2015-12-06