電子雷管在地鐵隧道爆破降振中的應用

郭華杰， 袁紹國

(1. 深圳市和利爆破技術工程有限公司， 廣東深圳 518034； 2.內蒙古科技大學 礦業研究院， 內蒙古包頭014010)

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電子雷管在地鐵隧道爆破降振中的應用

郭華杰1,2， 袁紹國2

(1. 深圳市和利爆破技術工程有限公司， 廣東深圳 518034； 2.內蒙古科技大學 礦業研究院， 內蒙古包頭014010)

摘要：研究地鐵隧道穿越十字路口和相鄰燃氣管線時，使用電子雷管的爆破方案及方法。利用電子雷管可以任意設置時間的特點，重點研究上、下臺階間及隧道間的最佳延時間隔時間。確定起爆的間隔時差，通過干擾錯峰來達到減振的效果，使爆破振動對周圍燃氣管線的影響達到最小。

關鍵詞：電子雷管； 地鐵隧道； 聯合起爆； 干擾降振； 降振； 延時間隔時間

1引 言

本地鐵暗挖段采用鉆爆法掘進，所處環境復雜，電子雷管的應用使工程在保證工期的前提下最大限度的降低單響藥量，控制聯合爆破時延時間隔時間，從而減小爆破振動峰值，使爆破振動對周圍燃氣管線的影響達到最小，達到降振的效果〔1-4〕。

2工程概況

深圳地鐵11號線11304標暗挖段下穿寶安大道與福海大道交叉口，隧道位于微風化巖層，以微風化變粒巖和片麻狀混合花崗巖為主，屬中硬巖層。受爆破振動影響最大的是距爆源30m~49m的中壓燃氣管線和距爆源36m~55m的次高壓燃氣管線。左、右線隧道長度分別為164.5m和151.6m，埋深為10.133m～6.895m，采用馬蹄形斷面，最小線間距為12.78m～15.05m，隧道斷面約為36m2，右線超前左線20m掘進。隧道環境見圖1。

圖1　隧道環境平面示意圖Fig.1　Schematic plan view of the tunnel environment

圖2　測點布置示意圖Fig.2　Schematic diagram of measuring points

3爆破設計及施工

采用兩種爆破方案，分別為方案一：數碼電子雷管，方案二：數碼電子雷管+導爆管雷管。前者在隧道洞門開口處為保證安全時使用，孔內全部用數碼電子雷管起爆，后者除掏槽孔裝電子雷管處，其余孔裝不同段位導爆管雷管。 由于前者均為單孔單響，最大單響藥量僅為1.4kg，電子雷管爆破時產生高頻低峰值波形，爆破效果好，對周圍構筑物影響小，所以只分析方案二。

3.1方案二的應用

除洞口外的剩余部分采用方案二爆破，炮孔布置見圖3。隧道上、下臺階爆破設計參數見表1。

圖3　隧道上、下臺階炮孔布置Fig. 3　Blastholes layout of the tunnel

下臺階只采用導爆管雷管的形式，但采用三種段位變化形式：(Ⅰ)MS3、MS5、MS7、MS9、MS11;(Ⅱ)MS5、MS7、MS9、MS11、MS13;(Ⅲ)MS7、MS9、MS11、MS13、MS15，以下簡寫為下臺階Ⅰ、下臺階Ⅱ、下臺階Ⅲ。每種方式都有五個段位。

表1　隧道上、下臺階爆破設計參數

注：上臺階單段最大藥量為兩幫孔6.6kg。

爆破參數表中底板孔和周邊孔的單響藥量是最大的，在爆破試驗中用更高段位的雷管，即在其它孔內裝藥不變的情況下，兩幫孔改裝MS9。周邊孔改裝MS15，因為此時爆破臨空面較好，利用高段位雷管點火延時分散性大的特點可進一步降低爆破振動幅值。

3.2聯合起爆

中期時要求同條隧道上、下臺階聯合起爆和兩條隧道同時裝藥聯合起爆。隧道間聯合起爆的形式為(a)左線上、下臺階+右線上臺階聯合起爆；(b)左線上臺階+右線上、下臺階聯合起爆。上述均采用方案二裝藥爆破。

4電子雷管的減振爆破應用分析

隧道爆破主要監測對象中壓燃氣管線，所以測點布置在中壓燃氣管線上方和隧道開挖掌子面正上方對應地表。測點隨著掌子面的移動而移動，本工程采用TC4850N爆破測振儀，并行采集三個方向(X、Y、Z)的振動速度，由于測振點距爆源都未超過55m，所以選擇最大垂直方向速度作為評價爆破振動強度的物理量。

4.1方案二振動分析

兩條隧道上、下臺階采用方案二分別爆破和聯合爆破時的振動數據見表2，典型波形如圖4所示：

表2　典型測振數據

圖4　典型振動波形Fig.4　Typical vibration waveform

4.2聯合爆破降振分析

在表2中知交叉路口的實測振動數值遠小于安全標準值5cm/s，而本次爆破受振動影響最大的是燃氣管線，所以只分析測點2處的振動數據及波形圖，并據此得出最佳延時時間。

根據隧道地質條件和炮孔裝藥結構，獲得相同條件下隧道上、下臺階分別爆破或兩條隧道分別爆破時在測點2處的振動波形，并獲得其分別起爆時相同段位處的周期T1、T2，由于上、下臺階同段位炮孔的抵抗線和藥量不同，所以周期不盡相同，若前后兩個爆源的振動波相差(T1+T2)/4到達，必然產生波峰與波谷的疊加〔5-6〕，因此要想達到理想的干擾降振效果，確定合理間隔時差的原則是：①以左線隧道為例，預先獲得降振點的單上臺階和單下臺階爆破振動波形，降振點和各爆源的距離，振動波傳播速度等；②考慮爆源至降振點的距離差及地震波的傳播速度，計算各爆源地震波的傳播路程時差，據傳播路程時差修正各爆源的實際起爆間隔時間，即△t=(T1+T2)/4±△S/vp； ③設計上、下臺階起爆順序，上、下臺階聯合起爆時，為了避免下臺階先爆時產生的飛石飛到上臺階砸斷導爆管雷管，產生拒爆，所以要求下臺階擊發雷管先起爆上臺階擊發雷管后起爆且上、下臺階的延時間隔時間小于下臺階最低段位雷管延時時間，即當采用下臺階Ⅰ裝藥時，間隔時間不大于50ms；采用下臺階Ⅱ裝藥時，間隔時間不大于110ms；采用下臺階Ⅲ裝藥時，間隔時間不大于200ms，初步按(T1+T2)/4時差設置其起爆間隔時差；④利用電子雷管具有能設置任意起爆時間和高精度延時的優點，可實現波峰與波谷的疊加。

工程中由于爆破地震波的隨機性，其波峰與波谷不可能對等，振動周期也不可能固定不變，所以要達到理想波峰與波谷抵消是不現實的，但通過調整上、下臺階或兩條隧道間的起爆時差，使爆破時間重疊區域因振動波的干擾疊加，出現聯合爆破時的振動幅值小于單獨爆破振動幅值是完全可能實現的。

4.3聯合爆破時差確定

一般中硬巖中的地震波傳播速度為5000m/s左右，下臺階段位Ⅱ中雷管最低段位為MS5，其延時為110ms，假設隧道上、下臺階Ⅱ聯合爆破時延時間隔時間為0ms，即同時起爆。因為毫秒延時雷管的延時性，此時下臺階Ⅱ波形圖4(b)的0ms與上臺階波形圖4(a)的110ms相對應，但由于抵抗線和裝藥量的不同，波形振動周期也不盡相同。在圖4(a)中左線上臺階110ms～650ms的波形與圖4(b)下臺階Ⅱ0～650ms的波形相比較知左線上臺階110ms開始處波形周期T1=60ms，下臺階0ms開始處波形周期T2=68ms，所以取(T1+T2)/4=32ms，兩爆源與測振點的距離差△S為1m，△S/vp=0.2ms，忽略不計，所以取左線上、下臺階Ⅱ聯合爆破時的延時間隔時間為△t=32ms，實測波形圖見圖4(c)。

需要說明的是由于測振儀傳感器是在孔內雷管炸藥爆破發生后才開始觸發，上、下臺階Ⅱ聯合爆破時，下臺階Ⅱ孔外擊發雷管起爆32ms后，上臺階孔外擊發雷管和第一個掏槽孔開始起爆，此時測振儀傳感器開始觸發，又下臺階最低段位MS5延時時間為110ms，所以圖4(c)中0ms時刻上臺階掏槽孔開始爆破，78ms后下臺階掏槽孔開始爆破，干擾疊加發生在80ms后，80ms前爆破主要發生在上臺階掏槽孔和擴槽孔，此部分與圖4(a)相比波形基本不變，將此方法運用于右線上、下臺階聯合爆破，爆破效果基本相同，進一步驗證了延時時間的合理性。

兩條隧道聯合爆破時以左線上、下臺階+右線上臺階聯合爆破為例，則發現圖4(c)中MS3(50ms)開始后的波形周期T1=58ms左右，同樣圖4(d)中MS3(50ms)處波形周期T2=60ms左右，所以取半周期(T1+T2)/4=30ms，同時兩個爆源到測振點距離差為13m，S/vp≈3ms，所以兩條隧道聯合爆破時取間隔時間t=33ms，爆破波形圖見圖4(e)，由于高段位雷管的分散性，所以振動時間比預計的要長。聯合起爆順序為:(0ms)左線下臺階→(32ms)左線上臺階→(33ms)右線上臺階，左線上臺階+右線上、下臺階聯合爆破的分析方法與此相同。

4.4下臺階段位變化時的振動分析

4.3節分析的都是下臺階Ⅱ時爆破振動情況，由于現場操作時段位會發生變化，所以其聯合起爆時的延時間隔時間也會發生變化。

(1)當下臺階采用段位Ⅰ起爆時，其最低段位和最高段位導爆管雷管分別為MS3和MS11，延時時間分別為為50ms和460ms，圖4(a)中50ms處波形周期為T1=24ms，下臺階用段位Ⅰ爆破時測點2波形圖0ms處波形周期為T2=40ms，取間隔時間t=(T1+T2)/4=16ms，在所得波形圖中0ms時刻上臺階掏槽孔開始起爆，34ms時下臺階掏槽孔開始起爆。實測波形峰值降低，區域發生了波峰干擾疊加，因此取延時間隔時間t=16ms。

(2)當下臺階采用段位Ⅲ起爆時，其最低段位和最高段位導爆管雷管分別為MS7和MS15，延時時間分別為200ms和880ms，用上述方法取間隔時間t=72ms，在所得波形圖中，0ms時刻上臺階掏槽孔開始起爆，128ms時刻下臺階掏槽孔開始起爆，即使下臺階的MS7與上臺階的MS5發生干擾減振，實際減振效果理想。

(3)利用電子雷管延時的精確性和可控性產生的振動信號主頻與普通毫秒延時雷管相比有向高頻部分分散趨勢，更有利于周圍自振頻率較低的建筑物的保護〔7-8〕。

5結 論

(1)上、下臺階聯合起爆時，要求其延時間隔時間小于下臺階最低段位雷管延時時間，同時由于下臺階擊發雷管最先起爆，當上臺階掏槽孔開始爆破時，產生的飛石盡管破壞了下臺階的導爆管，但此時下臺階孔內導爆管雷管的延時藥已被點燃，不會發生拒爆，所以設下臺階擊發雷管為第一段，首先起爆，之后設上臺階擊發雷管為第二段，之后起爆，設掏槽孔電子雷管為第三段，最后起爆。設計起爆雷管起爆順序有重要意義。

(2)在此實驗中當下臺階分別用段位Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ與上臺階聯合爆破時，得到的延時間隔時間分別為16ms、32ms、72ms。兩條隧道聯合起爆時的最佳延時間隔時間為33ms。

(3)由于爆破振動效果受多種因素的影響，所以在考慮半周期做延時間隔時間的情況下還要逐步調整電子雷管延時間隔時間，做多次試驗并分析振動波形找出最佳延時間隔時間，達到干擾錯峰減振的效果。

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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

中圖分類號：TD235.22

文獻標識碼：A

doi：10.3969/j.issn.1006-7051.2016.01.012

作者簡介：郭華杰(1985-)，男，碩士，研究方向為工程爆破。 E-mail：guohuajie.765@163.com

收稿日期：2015-12-15

文章編號：1006-7051(2016)01-0056-05