隧道爆破未爆残药影响因素分析

2020-01-04卜天宇周海文孙中富

工程爆破 2019年6期

卜天宇，周海文，孙中富

(1.国检集团安全环保研究院,北京 100024；2. 中国非金属矿总公司,北京 100035; 3.珠海兴地建设项目管理有限公司，广东珠海 519000)

B隧道工程北起ZH市迎宾北路与人民西路交叉口，南至迎宾南路与九洲大道交叉口，包括上行、下行以及人行3条隧道，单个隧道平均长度约1.2 km，断面面积介于60～80 m2之间。其与现有隧道中心线距离最窄处约23 m，洞壁相距不超过12 m。隧道洞身开挖采用人工穿凿40 mm炮孔钻爆法掘进，为了减少新增隧道爆破振动对现有隧道的影响，使用国内某民爆厂数码电子雷管进行逐孔起爆，但炸药依然采用常用的φ32 mm的2号岩石乳化炸药。对于爆破施工单位来说，这是第一次大规模使用数码电子雷管，因此进行了为期1周的现场培训和指导。

1 药卷残药现象

在第1周的爆后检查时，发现个别雷管爆破后而残留炮孔中有未爆炸药，重量约100 g左右。当时以为是作业人员初次接触新型雷管，可能存在操作上的适应性问题，只是简单强调精心装药，而未作深入分析。但是随着时间的推移，第2周又多次发现类似现象，并且整个起爆药包未被引爆的情况比较多，推测极有可能是该类炮孔内，所装炸药均未被引爆。已爆雷管和未爆炸药如图1所示。

图1 已爆雷管和未爆炸药Fig.1 Exploded detonator and unexploded explosive

残药本质上是一种盲炮现象，如果不能得到有效解决，不仅会影响爆破效果，而且会给后续的打孔、铲装工作带来很大的安全隐患。

2 残药原因分析

该类盲炮残药的特点是：雷管已爆，而炸药未爆。根据几公里外正在施工的另一隧道X，地质条件相近、炸药相同，起爆系统采用普通非电导爆管雷管，残药现象却很少的情况，决定以同类型的隧道爆破做参照物，对雷管类别、延时时间、人员、环境等因素进行对比分析，从寻找差异点入手，来寻找原因和对策。

考虑到现场研究力量、仪器设施有限，火工产品质量出现问题的概率相对较低等因素，研究预设前提：仅限定在现场作业层面，而不涉及产品质量、性能以及可靠性等问题。

2.1 雷管尺寸

与X隧道施工(采用普通非电导爆管雷管)相比，最大的不同就是B隧道爆破采用的是数码电子雷管。通过对现场使用的国内某数码电子雷管与其同厂生产的导爆管雷管观察和对比，发现其在非性能方面有下列两个明显的不同点：

第一，长度长。数码电子雷管的管壳材质、管径基本与同规格的普通导爆管雷管无异，但长度却长许多。同样规格的8号导爆管雷管长约70 mm，而数码电子雷管长度达115 mm(见图2)，相比导爆管雷管，其长度增加64.2%。

注：此处的长度是指除脚线外的硬实段长度，包括管壳和卡扣塞两部分。图2 雷管长度比较Fig 2 Detonator length comparison

第二，脚线重。数码电子雷管的脚线为绝缘双芯护套铁脚线，其线密度约为27 g/m，而普通导爆管雷管仅为12 g/m，不到数码电子雷管脚线线密度的1/2。因此，相比普通导爆管雷管脚线，数码电子雷管脚线的线密度更大。

2.2 雷管位置

研究发现，即便在同一操作方法和工作环境下，上述不同点也会引起一些微妙且重要的变化，如：①起爆药包中雷管位置不易居中以及聚能穴偏斜状况加剧；②雷管受外部拉力作用与炸药分离的可能性加大。

1)现场加工起爆药包时，爆破工一般采用将雷管从φ32 mm药卷侧面置入的方法。此次爆破中，由于雷管长度增加较多，尽管雷管置入方向和尾部脚线露出长度不变，但雷管在起爆药卷中的位置、雷管与药卷的结合紧密程度以及雷管聚能穴的方向等都发生了较大变化。在同样尾部出露长度情况下，以不同角度将数码电子雷管与导爆管雷管置入φ32 mm起爆药卷时，雷管在药卷中的位置如图3所示。

图3 不同插入角度下雷管在φ32 mm药包中的位置Fig.3 The detonator position in φ32 mm explosive charge while insert in different angle

尽管不同人员的操作习惯会有差异，但是通过现场仔细观察，总体而言，实际操作中雷管置入角度接近图3a、图3b的概率要远远大于图3c。在图3中，导爆管雷管末端距药卷壁的距离在a、b、c中分别为9、15、22 mm，而同样置入角度下，对应的数码电子雷管末端距药卷壁的距离依次为0、9、18 mm。对普通导爆管雷管，图3a和图3b的置入角度基本能满足使用要求；但对数码电子雷管而言，雷管位置就显得过于偏斜，产生爆轰的难度增加。

2)相比普通非电导爆管雷管，数码电子雷管长度较长，在水平装入药卷并用炮棍压实的过程中(隧道爆破为水平炮孔)，虽受炮棍的轴向压力相同，但对数码电子雷管来说，因其长度长故所受到的轴向力矩更大。因此雷管更易倾斜或加剧倾斜，从而使得雷管末端移向药卷壁以及聚能穴朝向药卷壁的概率相应增大。

在上述两因素的共同作用下，采用数码电子雷管的药卷雷管很难居中，雷管聚能穴的方向也更易偏斜，雷管末端外围炸药厚度更小甚至为零(触及药卷壁)。由于雷管的起爆能力受轴向和侧向的共同作用，且以轴向为主[1]；加上炸药厚度对爆轰产生和稳定传播的影响[2]，均大大降低了起爆药包中产生稳定爆轰的概率。

3)当雷管脚线悬空段比较长时，比如位于隧道顶端的炮孔，数码电子雷管脚线和连接线的自重拉力相对较大，加上网路均为并联连接，个别孔可能会受力不均匀，承受多个孔的脚线拉力。当雷管与药卷结合不紧密时，特别是当炮孔有一定向上倾斜角度或者在“半截药卷”较多时(如拱顶孔、周边孔等)，容易自然分离。

2.3 延时时间

由于爆破施工队伍初次使用数码电子雷管，在延时时间的摸索过程中，为了节约时间和操作方便，将掏槽孔延时时间设定为50～70 ms后，未作改动，后续延时时间也按相同时间间隔设置，造成大范围内的数码电子雷管实际延时时间要比非电导爆管雷管起爆系统长得多；另外出于兼顾光面爆破和减振的考虑，周边孔实行了7～8孔的分组起爆而非逐孔、齐发起爆，组间间隔时间也为50 ms。显然相对周边孔40～50 cm的孔距而言，延时偏长。

在孔网比较密集的区域，较长的延时极有可能会影响到已爆孔的冲击波和应力波的传播以及岩石位移等因素，使未爆孔药卷与药卷、药卷与雷管、药卷与起爆药包分离[3]，或者造成数码电子雷管内部结构的损坏，如芯片、桥丝、药珠等损坏[4]。

因而技术人员初步推测间隔时间总体偏长，特别在炮孔密集部位，如拱底拐角、周边孔等。这一点与发现较多残药部位的位置也相吻合。

2.4 人员、环境因素

爆破施工队伍新手多，且人员流动大。一方面，绝大多数人员是第一次接触数码电子雷管；另一方面，为了达到培训练兵目的，其他工地人员被轮流安排来观摩和学习。其中，许多人员没接触过数码电子雷管，而且有些人员连隧道爆破也是第一次参加。这些因素不仅会影响到装药、连线等操作质量，而且对药卷与药卷的接触密实度和连续性也会有较大的不利影响。

同其他类型的隧道爆破相比，本次爆破应用环境(竖直工作面、水平孔、单自由面)没有本质的变化。但从隧道爆破共性角度讲，①水平孔条件下，失去重力助力，装药连续性和药卷与药卷接触密实度受到影响，填塞也变得困难；②与粉状药卷相比，乳化炸药药卷的端部为突起状，无包装所形成的聚能穴来促进爆轰的传播；③与台阶爆破相比，孔网密度在单自由面隧道爆破条件下相当大，拱脚、周边等部位，已爆孔影响后爆孔准爆的概率大大增加。

3 改进措施

综合上述分析，造成残药未爆可能的直接因素包括：①起爆药包中雷管位置不易居中以及聚能穴方向偏斜；②在孔网密集部位，延时时间设置不合理；③人员；④环境。

在4种因素中，因素③、④为所有隧道爆破可能遭遇的一般性因素，因素②只会影响部分炮孔(拱顶、周边)，但因素①却不同，其潜在的影响存在于断面任一炮孔当中，并且它由数码电子雷管的外在变化和不规范的操作习惯所引起。考虑到此次隧道爆破最大的变化是采用了数码电子雷管，因而因素①初步推断为主要因素，故初拟了改进措施。

1)雷管居中布置。将雷管从药卷端面正中平行置入，而非药卷侧面斜插置入。目的在于最大限度地消除雷管长度、脚线变化带来的影响，使得雷管平行于孔壁并处于药卷的中心位置。此措施为核心改进措施。

2)采用孔底反向装药的起爆方式。此措施可促进炮孔中柱状药包稳定爆轰的产生和传递。数码电子雷管金属脚线柔韧性好，反向折回后，不用担心线路损坏和电流传递的问题。

措施1和措施2改进前后如图4所示。

图4 改进前后的装药结构Fig.4 Charging structure before and after

3)设置合理的延时时间。除掏槽孔外，将其余炮孔的“排间”延时时间尝试控制在10～30 ms以下；周边孔的组间或孔间延时时间参照类似工程设为5～10 ms[5]；同时在不影响减振要求的情况下，扩大每组的同时起爆数量。

4)设法减少脚线拉力。将隧道上端的连接线挂在拱架的露头钢筋上，以减轻脚线重力的影响，并远离作业台架，同时专人指挥和观察台架撤离工作，以防台架拉扯网路。

5)增加药卷间的接触密实度。每一药卷装入炮孔前，前端头进行环状切开，以增加药卷间的接触密实度和连续性；同时切开部位装药直径在捣实中被扩大，如同“隔环”，此措施能很好地起到预防沟槽效应的作用[6]，可减少“压死现象”。

6)优化作业工序。协调钻孔时间，做到装药作业紧随其后，以最大限度减少孔内残留水、岩渣对装药连续性和药卷间密实度的影响。

7)稳定施工队伍。按照台架位置固定作业人员，便于跟踪、分析和比较。

其中1～4条目的在于使起爆药包中雷管和炸药能够正确和牢固地结合，从而促进爆轰的产生，5～7条旨在通过加强药柱的连续性和密实性，来保证爆轰波在药柱中的稳定传播。

4 工程应用效果

为了验证对影响因素分析的正确性，在随后的爆破中进行分步试验。

1)所有孔均实施措施2和4～7的措施，但半幅隧道断面的起爆药包雷管置入称为端面中心法(措施1)，另半幅则采用传统的或者说是习惯性的侧面斜插法。措施3暂不实施，即暂时不改变周边孔组间或者孔间延时时间；

2)在第1步基础上，观察效果，再决定是否进行周边孔组间或者孔间延时时间试验(措施3)。

在随后的3次对比试验中，采用雷管端面中心置入法的部位均未发现残留炸药，但在采用习惯性雷管侧面斜插置入法的起爆药包位置，出现2次残药，并且其中一次为比较严重的雷管起爆、整条药卷未起爆的现象。第1步试验初步验证了分析结论中对核心要素1分析的正确性，而对于措施3，决定依然继续观察，暂不实施。然而再过了3d后，又出现了1次周边孔残药(雷管已爆)现象。因此决定启动第2步试验，将周边孔组间延时时间设定为7 ms或5 ms。此后，雷管已爆而留有残药未爆的问题得到了有效控制。