电子雷管在地铁隧道爆破降振中的应用

郭华杰， 袁绍国

(1. 深圳市和利爆破技术工程有限公司， 广东深圳 518034； 2.内蒙古科技大学 矿业研究院， 内蒙古包头014010)



电子雷管在地铁隧道爆破降振中的应用

郭华杰1,2， 袁绍国2

(1. 深圳市和利爆破技术工程有限公司， 广东深圳 518034； 2.内蒙古科技大学 矿业研究院， 内蒙古包头014010)

摘要：研究地铁隧道穿越十字路口和相邻燃气管线时，使用电子雷管的爆破方案及方法。利用电子雷管可以任意设置时间的特点，重点研究上、下台阶间及隧道间的最佳延时间隔时间。确定起爆的间隔时差，通过干扰错峰来达到减振的效果，使爆破振动对周围燃气管线的影响达到最小。

关键词：电子雷管； 地铁隧道； 联合起爆； 干扰降振； 降振； 延时间隔时间

1引 言

本地铁暗挖段采用钻爆法掘进，所处环境复杂，电子雷管的应用使工程在保证工期的前提下最大限度的降低单响药量，控制联合爆破时延时间隔时间，从而减小爆破振动峰值，使爆破振动对周围燃气管线的影响达到最小，达到降振的效果〔1-4〕。

2工程概况

深圳地铁11号线11304标暗挖段下穿宝安大道与福海大道交叉口，隧道位于微风化岩层，以微风化变粒岩和片麻状混合花岗岩为主，属中硬岩层。受爆破振动影响最大的是距爆源30m~49m的中压燃气管线和距爆源36m~55m的次高压燃气管线。左、右线隧道长度分别为164.5m和151.6m，埋深为10.133m～6.895m，采用马蹄形断面，最小线间距为12.78m～15.05m，隧道断面约为36m2，右线超前左线20m掘进。隧道环境见图1。

图1　隧道环境平面示意图Fig.1　Schematic plan view of the tunnel environment

图2　测点布置示意图Fig.2　Schematic diagram of measuring points

3爆破设计及施工

采用两种爆破方案，分别为方案一：数码电子雷管，方案二：数码电子雷管+导爆管雷管。前者在隧道洞门开口处为保证安全时使用，孔内全部用数码电子雷管起爆，后者除掏槽孔装电子雷管处，其余孔装不同段位导爆管雷管。 由于前者均为单孔单响，最大单响药量仅为1.4kg，电子雷管爆破时产生高频低峰值波形，爆破效果好，对周围构筑物影响小，所以只分析方案二。

3.1方案二的应用

除洞口外的剩余部分采用方案二爆破，炮孔布置见图3。隧道上、下台阶爆破设计参数见表1。

图3　隧道上、下台阶炮孔布置Fig. 3　Blastholes layout of the tunnel

下台阶只采用导爆管雷管的形式，但采用三种段位变化形式：(Ⅰ)MS3、MS5、MS7、MS9、MS11;(Ⅱ)MS5、MS7、MS9、MS11、MS13;(Ⅲ)MS7、MS9、MS11、MS13、MS15，以下简写为下台阶Ⅰ、下台阶Ⅱ、下台阶Ⅲ。每种方式都有五个段位。

表1　隧道上、下台阶爆破设计参数

注：上台阶单段最大药量为两帮孔6.6kg。

爆破参数表中底板孔和周边孔的单响药量是最大的，在爆破试验中用更高段位的雷管，即在其它孔内装药不变的情况下，两帮孔改装MS9。周边孔改装MS15，因为此时爆破临空面较好，利用高段位雷管点火延时分散性大的特点可进一步降低爆破振动幅值。

3.2联合起爆

中期时要求同条隧道上、下台阶联合起爆和两条隧道同时装药联合起爆。隧道间联合起爆的形式为(a)左线上、下台阶+右线上台阶联合起爆；(b)左线上台阶+右线上、下台阶联合起爆。上述均采用方案二装药爆破。

4电子雷管的减振爆破应用分析

隧道爆破主要监测对象中压燃气管线，所以测点布置在中压燃气管线上方和隧道开挖掌子面正上方对应地表。测点随着掌子面的移动而移动，本工程采用TC4850N爆破测振仪，并行采集三个方向(X、Y、Z)的振动速度，由于测振点距爆源都未超过55m，所以选择最大垂直方向速度作为评价爆破振动强度的物理量。

4.1方案二振动分析

两条隧道上、下台阶采用方案二分别爆破和联合爆破时的振动数据见表2，典型波形如图4所示：

表2　典型测振数据

图4　典型振动波形Fig.4　Typical vibration waveform

4.2联合爆破降振分析

在表2中知交叉路口的实测振动数值远小于安全标准值5cm/s，而本次爆破受振动影响最大的是燃气管线，所以只分析测点2处的振动数据及波形图，并据此得出最佳延时时间。

根据隧道地质条件和炮孔装药结构，获得相同条件下隧道上、下台阶分别爆破或两条隧道分别爆破时在测点2处的振动波形，并获得其分别起爆时相同段位处的周期T1、T2，由于上、下台阶同段位炮孔的抵抗线和药量不同，所以周期不尽相同，若前后两个爆源的振动波相差(T1+T2)/4到达，必然产生波峰与波谷的叠加〔5-6〕，因此要想达到理想的干扰降振效果，确定合理间隔时差的原则是：①以左线隧道为例，预先获得降振点的单上台阶和单下台阶爆破振动波形，降振点和各爆源的距离，振动波传播速度等；②考虑爆源至降振点的距离差及地震波的传播速度，计算各爆源地震波的传播路程时差，据传播路程时差修正各爆源的实际起爆间隔时间，即△t=(T1+T2)/4±△S/vp； ③设计上、下台阶起爆顺序，上、下台阶联合起爆时，为了避免下台阶先爆时产生的飞石飞到上台阶砸断导爆管雷管，产生拒爆，所以要求下台阶击发雷管先起爆上台阶击发雷管后起爆且上、下台阶的延时间隔时间小于下台阶最低段位雷管延时时间，即当采用下台阶Ⅰ装药时，间隔时间不大于50ms；采用下台阶Ⅱ装药时，间隔时间不大于110ms；采用下台阶Ⅲ装药时，间隔时间不大于200ms，初步按(T1+T2)/4时差设置其起爆间隔时差；④利用电子雷管具有能设置任意起爆时间和高精度延时的优点，可实现波峰与波谷的叠加。

工程中由于爆破地震波的随机性，其波峰与波谷不可能对等，振动周期也不可能固定不变，所以要达到理想波峰与波谷抵消是不现实的，但通过调整上、下台阶或两条隧道间的起爆时差，使爆破时间重叠区域因振动波的干扰叠加，出现联合爆破时的振动幅值小于单独爆破振动幅值是完全可能实现的。

4.3联合爆破时差确定

一般中硬岩中的地震波传播速度为5000m/s左右，下台阶段位Ⅱ中雷管最低段位为MS5，其延时为110ms，假设隧道上、下台阶Ⅱ联合爆破时延时间隔时间为0ms，即同时起爆。因为毫秒延时雷管的延时性，此时下台阶Ⅱ波形图4(b)的0ms与上台阶波形图4(a)的110ms相对应，但由于抵抗线和装药量的不同，波形振动周期也不尽相同。在图4(a)中左线上台阶110ms～650ms的波形与图4(b)下台阶Ⅱ0～650ms的波形相比较知左线上台阶110ms开始处波形周期T1=60ms，下台阶0ms开始处波形周期T2=68ms，所以取(T1+T2)/4=32ms，两爆源与测振点的距离差△S为1m，△S/vp=0.2ms，忽略不计，所以取左线上、下台阶Ⅱ联合爆破时的延时间隔时间为△t=32ms，实测波形图见图4(c)。

需要说明的是由于测振仪传感器是在孔内雷管炸药爆破发生后才开始触发，上、下台阶Ⅱ联合爆破时，下台阶Ⅱ孔外击发雷管起爆32ms后，上台阶孔外击发雷管和第一个掏槽孔开始起爆，此时测振仪传感器开始触发，又下台阶最低段位MS5延时时间为110ms，所以图4(c)中0ms时刻上台阶掏槽孔开始爆破，78ms后下台阶掏槽孔开始爆破，干扰叠加发生在80ms后，80ms前爆破主要发生在上台阶掏槽孔和扩槽孔，此部分与图4(a)相比波形基本不变，将此方法运用于右线上、下台阶联合爆破，爆破效果基本相同，进一步验证了延时时间的合理性。

两条隧道联合爆破时以左线上、下台阶+右线上台阶联合爆破为例，则发现图4(c)中MS3(50ms)开始后的波形周期T1=58ms左右，同样图4(d)中MS3(50ms)处波形周期T2=60ms左右，所以取半周期(T1+T2)/4=30ms，同时两个爆源到测振点距离差为13m，S/vp≈3ms，所以两条隧道联合爆破时取间隔时间t=33ms，爆破波形图见图4(e)，由于高段位雷管的分散性，所以振动时间比预计的要长。联合起爆顺序为:(0ms)左线下台阶→(32ms)左线上台阶→(33ms)右线上台阶，左线上台阶+右线上、下台阶联合爆破的分析方法与此相同。

4.4下台阶段位变化时的振动分析

4.3节分析的都是下台阶Ⅱ时爆破振动情况，由于现场操作时段位会发生变化，所以其联合起爆时的延时间隔时间也会发生变化。

(1)当下台阶采用段位Ⅰ起爆时，其最低段位和最高段位导爆管雷管分别为MS3和MS11，延时时间分别为为50ms和460ms，图4(a)中50ms处波形周期为T1=24ms，下台阶用段位Ⅰ爆破时测点2波形图0ms处波形周期为T2=40ms，取间隔时间t=(T1+T2)/4=16ms，在所得波形图中0ms时刻上台阶掏槽孔开始起爆，34ms时下台阶掏槽孔开始起爆。实测波形峰值降低，区域发生了波峰干扰叠加，因此取延时间隔时间t=16ms。

(2)当下台阶采用段位Ⅲ起爆时，其最低段位和最高段位导爆管雷管分别为MS7和MS15，延时时间分别为200ms和880ms，用上述方法取间隔时间t=72ms，在所得波形图中，0ms时刻上台阶掏槽孔开始起爆，128ms时刻下台阶掏槽孔开始起爆，即使下台阶的MS7与上台阶的MS5发生干扰减振，实际减振效果理想。

(3)利用电子雷管延时的精确性和可控性产生的振动信号主频与普通毫秒延时雷管相比有向高频部分分散趋势，更有利于周围自振频率较低的建筑物的保护〔7-8〕。

5结 论

(1)上、下台阶联合起爆时，要求其延时间隔时间小于下台阶最低段位雷管延时时间，同时由于下台阶击发雷管最先起爆，当上台阶掏槽孔开始爆破时，产生的飞石尽管破坏了下台阶的导爆管，但此时下台阶孔内导爆管雷管的延时药已被点燃，不会发生拒爆，所以设下台阶击发雷管为第一段，首先起爆，之后设上台阶击发雷管为第二段，之后起爆，设掏槽孔电子雷管为第三段，最后起爆。设计起爆雷管起爆顺序有重要意义。

(2)在此实验中当下台阶分别用段位Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ与上台阶联合爆破时，得到的延时间隔时间分别为16ms、32ms、72ms。两条隧道联合起爆时的最佳延时间隔时间为33ms。

(3)由于爆破振动效果受多种因素的影响，所以在考虑半周期做延时间隔时间的情况下还要逐步调整电子雷管延时间隔时间，做多次试验并分析振动波形找出最佳延时间隔时间，达到干扰错峰减振的效果。

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Application of electronic detonator reducing the vibration in subway tunnel blasting

GUO Hua-jie1,2, YUAN Shao-guo2

(1. Shenzhen Heli Blasting Engineering Co., Ltd., Shengzhen 518034, Guandong, China;2. Mining Research Institute of Inner Mongolia University of Science and Technology, Baotou 014010, Inner Mongolia, China)

ABSTRACT：The blasting scheme and method using electronic detonators in subway tunnel crossed the intersection and the adjacent gas pipeline was studied. The characteristics of the electronic detonators time could be arbitrarily set was used. The optimal delay interval time between the upper and the lower bench and the tunnel were focused on. The initiation interval time was confirmed. The vibration reduction was achieved through interference peak, and the effect on surrounding gas pipelines from blasting vibration reached the minimum.

KEY WORDS:Electronic detonator; Subway tunnel; Combined initiation； Interference for vibration reduction; Vibration reduction; Delay interval time

中图分类号：TD235.22

文献标识码：A

doi：10.3969/j.issn.1006-7051.2016.01.012

作者简介：郭华杰(1985-)，男，硕士，研究方向为工程爆破。 E-mail：guohuajie.765@163.com

收稿日期：2015-12-15

文章编号：1006-7051(2016)01-0056-05