数码电子雷管降振试验研究及爆破振动的控制措施

蒋 钢

（中铁建大桥工程局集团第二工程有限公司，广东 深圳 518083）

0 引言

与浅孔台阶控制爆破相比，中深孔台阶控制爆破是一种高效的施工技术，广泛应用于建筑工程、城际交通轨道、地铁工程等领域。

在地铁车站基坑开挖工程中，根据以往工程经验，综合考虑土石方开挖量较大、作业条件有限、机械设备操作不便等因素，采用中深孔台阶控制爆破技术进行土石方开挖，将是既经济、又安全、又高效的施工工艺。但是实际爆破施工过程中也避免不了会带来一些有害效应。例如爆破飞石、爆破振动、噪声、粉尘、冲击波等有害效应。随着我国社会经济的发展，国家制定了有关法律法规及行业标准，明确规定了由爆破施工引发有害效应的安全允许值。为了从科学的角度给出爆破工程的最优方案，分析研究爆破有害效应的影响因素及控制技术，从而提出对应的控制措施，降低或消除爆破振动带来的有害效应，同时取得良好的爆破效果，是工程爆破研究主攻方向和重点。

1 工程应用

1.1 工程概况及周边环境

深圳市城市轨道交通16 号线工程施工总承包三工区主体工程总共包括5 站4 区间，需爆破处理的是龙平站车站深基坑石方爆破，龙平站车站全长 192.48m，深度 26m，标准段宽 22.4m。车站结构形式为三层双柱三跨箱型框架结构，与21 号线换乘。采用明挖法半覆盖施工，基坑开挖至底部前，一侧顶板已施工完，恢复路面通车。岩层厚度在10m～19m，爆破石方量约76000m³。

爆区周边环境：龙平车站基坑位于龙平东路与龙园路交界处，基坑周边有待拆民房，拆除后边线北侧30m、80m、35m 处为民房；基坑边线南侧30m、34m 处为民房。安全允许振速控制在0.02m/s 以内。

工程地质地情况为岩土地质，从上至下地层依次为1-1粉质黏土素填土、1-2 碎石填土、7-2-3 含砾粉质黏土、30-1-3 全风化砂岩、31-4-12 微风化灰岩。

1.2 爆破设计方案

根据爆破区域周边环境及工期要求，距围护结构2m 内采用静态破碎方式；距建筑物30m 以外范围采用76mm 孔径中深孔台阶控制爆破；起爆网路采用毫秒延期导爆管起爆网路，必要时采用数码电子雷管起爆网路降振。爆破防护采用孔口防护和基坑口防护相结合的方式，孔口防护采用砂包+炮被形式进行覆盖；基坑口方式是利用基坑上部的支撑横梁，在上面架设工字钢并放置活动钢板，钢板宽度不小于1.2m，长度不小于9m，厚度不小于12mm，再在钢板迎炮面挂层胶皮或炮被，用来降低爆破噪音以及加强加盖防护的强度。钢板铺设后再用长工字钢横向将数块钢板串联成整体，两端设置固定栓环。加盖防护时或撤销防护时用吊车移动，便于土石方外运。基坑内钢支撑及钢筋砼横梁的保护采用炮被缠绕保护，在加上爆破体表面覆盖防护，可确保不会对其造成损害。

为了比较数码电子雷管起爆网路和毫秒延期导爆管雷管起爆网路的振动强度，定量地确认数码电子雷管起爆网路的降振效果，该文进行了一组对比试爆，对每次爆破进行振动监测，并根据监测结果调整和控制同段最大装药量，确保振速不超标。

1.3 爆破试验

结合工程实际情况，该文进行了两次爆破试验，并同时进行爆破振动监测。

第一次试验：采用毫秒延期导爆管起爆网路，逐孔起爆。炮孔直径76mm，药卷直径60mm（1 号岩石乳化炸药）。采用长方形布孔，钻孔20 个，4 排孔，每排5 个孔。台阶高度5m，超深0.5m，孔距为2m，排距为2.5 米，每孔的药量为10kg，炸药单耗为0.40kg/m³。孔内装MS11 段导爆管雷管（名义延期时间460ms），孔间用MS3 段导爆管雷管（名义延期时间50ms）接力，排间用MS5 段导爆管雷管（名义延期时间110ms）接力，齐爆总药量即单孔药量为10kg，正常连续装药，起爆雷管置于药卷中部或下部，可采用正向和反向起爆。填塞采用钻孔岩粉或砂质粘土，有水时宜用粗米石回填。炮孔压层沙包+两层炮被，炮被覆盖时交错压缝，覆盖范围超出边孔1.5 倍抵抗线。

起爆顺序如图1 所示。

第二次试验：采用数码电子雷管逐孔起爆网路。炮孔直径76mm，药卷直径60mm（1 号岩石乳化炸药）。采用长方形布孔，钻孔20 个，4 排孔，每排5 个孔。台阶高度5m，超深0.5m，孔距为2m，排距为2.5 米，每孔的药量为10 kg，炸药单耗为0.40kg/m³。孔间雷管延期时间为50ms，排间雷管延期时间为110ms，齐爆总药量即单孔药量为10kg，正常连续装药，起爆雷管置于药卷中部或下部，可采用正向和反向起爆。填塞采用钻孔岩粉或砂质粘土，有水时宜用粗米石回填。炮孔压层沙包+两层炮被，炮被覆盖时交错压缝，覆盖范围超出边孔1.5 倍抵抗线。

起爆顺序如图2 所示。

爆破振动监测采用三矢量振动速度传感器、低噪音屏蔽电缆、TC-4850 型便携式测振仪和计算机组成的监测系统，测点距爆区30 米。

1.4 试验结果与数据分析

试验结果见表1。

表1 试验结果

试验数据表明，当同段或齐爆药量相同时，数码电子雷管降振率达46.5%。其原因主要是普通毫秒延期导爆管雷管精度低、误差大（误差一般可达±10%），而数码电子雷管精度高（误差一般≤±0.1%），因此，导爆管雷管相邻段别的爆破振动主震相可能叠加，即产生“重段”现象，从而增强了爆破振动强度。

2 控制爆破振动的措施

在爆破工程施工中，当爆破振动达到一定的强度时，产生的爆破振动有害效应对爆区附近建构筑物会造成一定程度的损害。比如建构筑物主体开裂、结构失稳等现象。

在满足主体工程要求的同时，爆破施工应尽可能地降低爆破振动有害效应，通过总结长期爆破实践经验，有效控制爆破振动的措施包括：

（1）采用毫秒延期爆破，把一次爆破药量要划分成多段形式，并进行毫秒级别的延期起爆操作，能够让爆破振动的竖峰值减少过程中被单项最高药量控制的情况，以此能够让一次爆破规模提升很多倍，并且不会出现超强振动现象。国内一些工程实验表明，毫秒延期爆破爆破比齐发爆破平均降振率达到50%或以上，微差段数越多，其降振效果越好。根据试验结果，该工程施工中全部采用数码电子雷管，一孔一段。由于数码电子雷管精度高，因此避免了“重段”现象的发生。

（2）采用数码电子雷管进行错峰降振。利用数码电子雷管精度高的特点，当段间延期时间大于8 毫秒时，使相邻段别的爆破振动主震相不叠加，从而降低爆破振动强度。根据该工程的试验结果，数码电子雷管降振率可达46.5%。施工中采用试验爆破的延期时间，即孔间50ms，排间110ms，段间10ms。

（3）对每次爆破进行振动监测，根据监测结果及时调整同段最大药量，以保证振速不超过允许安全振动速度。被保护物的允许安全振动速度确定后，根据公式1 计算同段最大用药量。

该工程规定的允许安全振动速度为0.01m/s，设置的预警值为0.008m/s。当实测振动速度达到0.008m/s 时，及时采取控制措施，确保振动速度不超标。

（4）选择预裂爆破方式。如果保护对象与爆炸区的间距很小，可以在爆炸区周围建设一个预裂隔振带。预裂孔为一排方式或者多排方式，能够在减少主爆破孔地震效应中产生较为理想的作用。不过需要注意的是，预裂爆破仍属于地震效应。施工中，在基坑周边距围护结构2m 处进行预裂爆破降振。预裂爆破孔径76mm，孔距0.8m，孔深6m～12m，线装药密度0.4kg/m。为减小预裂爆破的振动强度，采用数码电子雷管单孔起爆，孔间延期时间25ms。

（5）在爆破体和被保护物之间钻凿进行没有装药的单或双排减震孔，能够产生的降振率参数区间是30%～50%。其中，可选择减震孔对应的孔径参数区间是35mm～76mm，其孔间净距不超过25cm，孔深应超过装药炮孔1m 以上。施工中，还在被保护建筑物基础外侧2m 处钻凿两排减震孔。减震孔孔径76mm，孔深15～20m，孔间净距15cm。爆破施工完成后，用水泥砂浆对减震孔进行回填。

图1 毫秒延期导爆管雷管起爆顺序示意图

图2 数码电子雷管起爆顺序示意图

（6）如果是土层介质，能够进行减振沟的开挖操作，需要尽量让减振沟深度参数更深一些，需要以施工便捷作为核心关注点，以多于主药包深度的50cm 为最佳。施工经验表明，在爆区与被保护物之间开挖减振沟可以减小爆破振动，而且减小的幅度很大（为5%-10%）。

（7）应用数码电子雷管达到干扰降震效果。采用数码电子雷管起爆网络，不但可以起到减少单响药量的作用，同时还可以使振动波波峰和波谷叠加干扰降振的作用。合理选择两次爆炸的时间间隔，使后爆破孔产生的地震波的波峰和先爆炸孔产生的地震波的波谷于同一时间到达，干扰叠加后振幅明显减小，爆炸后产生的有害效应大幅度降低。当采用数码电子雷管网路爆破时，在爆破振动不会对被保护物造成危害前提下，可以扩大爆破规模，提高爆破效率，为施工项目缩短工期。

（8）在设计爆破时应尽可能选择如下所述的技术方案：

①选择合理的最小抵抗线方向。由于在最小抵抗线方向临空面与装药中心线之间的距离最短，介质质点受到的约束力最小，不仅裂隙易于发展，而且压缩应力波首先到达并发生反射，使介质进一步破裂残碎块，爆炸气体也易于钻进裂隙推动碎块分离，爆炸气体也从这个方向冲出，这样就使爆炸能量中有更多的一部分形成空气冲击波，转化为地震波的能量相对减小，爆破震动的强度随之减弱。在爆破过程中，处于最低抵抗线方向中的爆破振动强度参数为最小值，与其方向相反时的爆破振动强度参数为最高值，在其侧向位置时的爆破振动强度参数处于二者之间。

②不断加大药量分布的临空面与分散状态。根据爆破试验研究得知，松动条件良好的炮孔爆破，即靠近临空面的炮孔爆破时产生的爆破振动小。因此，爆破施工中必须有充分的临空面。配合微差技术，使所有炮孔均能有良好的临空面，以便使炮孔爆破后，特别是后排炮孔爆破后产生的压缩波可以从这些临空面反射，获得最大的松动，以达到降低爆破振动的效果。施工中全部采用清渣爆破，使前排孔具有良好的临空面。

③选择低密度与低爆速的炸药类型。例如，将爆速较高（4000～5500m/s）、密度较大（1.2～1.5g/cm）的乳化炸药、浆状炸药换成爆速较低（3200～3500m/s）、密度较小（0.8～0.9g/cm）的铵油炸药，可以显著降低爆破振动。试验研究表明，炸药的波阻抗（炸药密度与爆速的乘积）不同，爆破振动强度也不同，波阻抗越大，爆破振动强度也越大。当炸药的波阻抗越接近岩石的波阻抗（岩石密度与纵波速度的乘积），则振动强度会更大。若将炸药的爆速由3200m/s 降到1800m/s 时，其振动强度就可降低40%～60%。由于民爆器材销售单位不能供应铵油炸药（爆速2800m/s），因此施工中将原方案设计的1号岩石乳化炸药（爆速4500m/s）改为2 号岩石乳化炸药（爆速3200m/s）。

④采用不耦合装药（径向不耦合装药或轴向不耦合装药），降低炮孔压力，从而减少地震波的能量。大量实践爆破测振统计表明不耦合装药比耦合装药可减振20%～40%。施工中将原方案设计的φ60 药卷改为φ50 药卷，不耦合系数增加到1.52。

⑤选择合理的传爆方向。在爆破设计时，将传爆方向背向被保护物体，这样距被保护物体较近的炮孔先起爆，距被保护物体较远的炮孔依次起爆，先起爆的炮孔将矿岩破碎后，破碎矿岩将阻碍后起爆的炮孔产生的地震波向被保护物体的传播，一定程度上降低了被保护物体处的爆破震动强度，从而使被保护物体所受的破坏减轻。

⑥缩小孔网参数，调整装药结构。在距离被保护物体较近时，可采用适当缩小孔距、排距，改连续装药为分段间隔装药，炮孔上部的装药先起爆，炮孔底部的装药后起爆，可大大地降低爆破震动的强度。这是因为缩小孔网参数后，将减少每一个炮孔的装药量；分段间隔装药后，又将每一个炮孔的药量分成两部分以上，这样最大一段的起瀑药量将大大减少，且底部先起爆产生的上部破碎岩石也减少了炮孔下部装药的夹制作用，也就减少了转化为的地震波的能量。施工中将原方案设计的孔网参数2.1×2.5m 调整为1.8×2.1m，单孔装药量也由10kg/孔减少为7kg/孔。

⑦采取分次爆破。将一次起爆药量控制在安全允许范围内。在复杂环境中多次进行爆破作业时，应从确保安全的一次起爆药量开始试爆，逐步增加到安全允许药量，并按允许药量控制一次爆破规模。一般从安全允许药量的1/2 开始试爆，并根据爆破振动监测结果，逐步增加到安全允许药量的2/3，以确保爆破振动控制在允许范围内。

3 结论

通过该工程试验看出，数码电子雷管起爆网路在降低爆破振动方面远远超过普通毫秒延期雷管导爆管起爆网路。与通常采用的孔间3 段（MS3）、排间5 段（MS5）接力的导爆管雷管逐孔起爆相比，数码电子雷管在相同延期时间下的逐孔起爆可以显著降低爆破振动，降振率可达46.5%。对每次爆破进行振动监测，并根据监测结果调整同段最大装药量是控制爆破振动不超标的主要措施。采用综合技术措施降低爆破振动是以后爆破工程中常用的工法。今后应加强对数码电子雷管干扰降震效果的定量研究。