数码电子雷管在复杂环境下隧道爆破中的应用★

肖业辉 王海亮 王万仁 张 伟 姜世斌 高 尚

(1.山东科技大学安全与环境工程学院，山东 青岛 266590； 2.中铁二十二局集团轨道工程有限公司,北京 100043)

1 概述

现阶段，我国城市建设的步伐不断加快，其中城市隧道工程和地下工程的建设工作越来越多。以地铁隧道适用条件和开挖工具的不同为依据，通常将地铁隧道开挖方法分为钻爆法、TBM法、盾构法、明挖法、顶进法等[1]。但是，对于在硬岩条件下的城市地铁隧道施工工程，其中较为合理适用、经济高效的开挖方法为钻爆法[2，3]。虽然钻爆法适用于硬岩条件下的地铁隧道施工，但是钻爆法会带来一系列负面效应，威胁周边居民和既有建筑物的安全。其中爆破地震波是影响范围最广、危害性最大的有害效应[4]。因此在地铁隧道开挖的过程中，如何控制爆破振动效应，保障周边居民和既有建筑物的安全显得尤为重要。

现如今，由于导爆管雷管段数不足、精度较低、可靠性低等原因，已无法满足大断面隧道等复杂环境下的隧道爆破施工要求。然而在复杂的环境下，数码电子雷管能够很好地改善爆破效果，并根据现场爆破情况设置延期间隔时间，具有很高的安全性[5,6]。

2 工程概况及施工难点

2.1 工程概况

在建青岛地铁1号线贵州路站至西镇站区间隧道总长546.9 m。由于地铁运营需要，在西镇站站前设置一段双存车线，从而形成四线大断面隧道。为创造减振自由面，降低振动有害效应，提出了TBM双导洞先行隧道下穿复杂敏感建筑群的施工方法，即采用机械开挖(TBM)和钻爆法开挖相结合的开挖方法。四线大断面隧道全长344.5 m，最大开挖跨度为22.4 m，拱顶距地表的距离为16.9 m～28.7 m。四线大断面围岩等级为Ⅱ级～Ⅳ级，多为力学性质好的微风化花岗岩。贵西区间平面图如图1所示。

2.2 施工难点

隧道周边环境复杂，隧道下穿密集建筑物群，包括下穿16栋房屋，50 m范围内侧穿51栋房屋，其中包括养老院和一个幼儿园，共计2 318户。楼层约6层～8层，主要为多层砖混居住建筑。其中3处建筑安全性评级为Csu级，爆破振动安全允许标准V不超过0.5 cm/s，其余建筑为Bsu级，爆破振动安全允许标准V不超过1.0 cm/s。施工现场周围还有学校、养老院以及各种地下管线等敏感设施和人群。四线大断面隧道岩石坚硬、开挖断面大、埋深浅、地表复杂建筑物多、居民多为敏感人群，因此如何减少爆破振动是本工程的重点和难点。

3 爆破施工方案

3.1 爆破参数

采用直径32 mm的2号岩石乳化炸药，长度200 mm，药卷密度1.13 g/cm3，单卷质量0.2 kg。四线大断面爆破开挖充分利用TBM掘进形成的先行导洞(直径为6.3 m)，给爆破开挖创造很好的自由面，所以不设计掏槽眼。右线上台阶爆破参数如表1所示。装药量为40 kg，一次性起爆100个孔，其中辅助孔孔数为70个。辅助孔和周边孔均为单孔单响，单段最大起爆药量为0.4 kg。

表1 右线上台阶爆破参数

3.2 装药结构

装药结构采用不耦合、反向连续装药，在炮孔内使用长度200 mm的水袋。孔底先装水袋，后装炸药，再装水袋和炮泥，用炮棍捣实。装药结构如图2,图3所示。

3.3 起爆网路

选用山西壶化工业数码电子雷管，延期误差小于0.2%，根据现场实际工况设置延期间隔时间，在线检测与验证，实现双向通讯，确保无故障可靠起爆，具有很高的安全性。起爆网路见图4。四线大断面隧道右线上台阶开挖面积50.79 m2，循环进尺1.0 m。比钻孔数1.97个/m2，炸药单耗0.79 kg/m3。相邻两个雷管孔内延期50 ms，总延期时长5 000 ms。数码电子雷管的使用，实现了单孔单响、一次起爆，解决了导爆管雷管段数有限、误差较大等问题。

3.4 安全检验

与爆破工作面直线距离最近的Csu级建筑，受到的爆破振动影响最大，距离约 26.50 m。根据GB 6722—2014爆破安全规程中对隧道爆破振动安全标准的要求[7]，需要控制振速V≤0.5 cm/s。萨道夫斯基公式见式(1)，对爆破振动速度进行验算。

(1)

其中，R为爆心距，m；V为测点振动速度，cm/s；Q为最大单段药量，kg；K，α分别为与地形、地质条件有关的系数和衰减指数。爆区不同岩性的K，α值见表2。

表2 爆区不同岩性的K,α值

由于爆破地点地质为Ⅱ级围岩，多为微风化花岗岩，为中硬岩石。所以本工程K取为250，α取1.8，并代入式(1)中。经计算得，V=0.40 cm/s<0.50 cm/s。符合爆破安全要求。

4 爆破振动监测及结果分析

为验证爆破开挖方案的合理性，采用1台成都中科测控TC—4850爆破振动测试仪，连续进行16次振动监测，监测得到的振动数据见表3。

由表3可知，监测到的16组振动数据均不超过0.5 cm/s，符合隧道爆破振动安全标准。通过分析实测振动速度与理论计算值，两者数值相差较小。因此，数码电子雷管爆破开挖方案是合理的，能够有效控制爆破振动，保障既有建筑物和周边居民的安全。右线上台阶爆破后施工现场如图5所示。光面爆破效果良好，超欠挖较少，并且块度均匀。所以该方案可以满足现场施工要求，确保大断面隧道安全下穿复杂敏感建筑群，并且可以取得较好的社会效益和经济效益。

表3 爆破振动数据

通过处理表3数据回归K,α值，并采用MATLAB对萨道夫斯基公式进行拟合。萨道夫斯基公式见式(1)。

设定K=150～250，α=1.5～1.8。爆区不同岩性的K,α值见表2。拟合后得到K值为245.47，α值为1.77。从而得到青岛花岗岩地质条件下的爆破振动预测公式为：

(2)

5 结论

1)根据四线大断面隧道周围环境和地质条件，为创造减振自由面，降低爆破振动有害效应，提出了TBM双导洞先行隧道下穿复杂敏感建筑群的施工方法。采用TBM开挖和钻爆法开挖相结合的开挖方法。并且采用左、右线台阶法交错开挖，最后有效地降低了爆破振动。

2)高精度数码电子雷管的使用，解决了导爆管雷管段数有限、误差过大的问题。数码电子雷管单段单响并且可以精确延期时长达5 000 ms以上，爆破效果良好。

3)通过MATLAB拟合出爆破地震波衰减系数K和α值，并得到适合青岛花岗岩地质条件下的爆破振动预测公式。爆破振动预测公式可以有效地预测爆破振动速度，从而指导地铁隧道的爆破施工。

4)通过振动实测与理论计算对比分析，两者数值均在安全允许振速范围之内。因此，验证了数码电子雷管爆破开挖方案的可行性和合理性，并且能够有效降低爆破振动，保障既有建筑物和周边居民的安全。