混合起爆網(wǎng)路技術(shù)在深圳地鐵11號(hào)線隧道開挖中的應(yīng)用試驗(yàn)研究

田炳坤

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院研究生部，北京100081)

混合起爆網(wǎng)路技術(shù)在深圳地鐵11號(hào)線隧道開挖中的應(yīng)用試驗(yàn)研究

田炳坤

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院研究生部，北京100081)

針對(duì)深圳地鐵11號(hào)線一區(qū)間明挖基坑開挖對(duì)爆破振動(dòng)的嚴(yán)格控制要求，通過理論分析和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)錯(cuò)相減震機(jī)理予以研究。根據(jù)爆破振動(dòng)的傳播特點(diǎn)研究了毫秒延時(shí)振動(dòng)波形疊加干擾降振延時(shí)間隔的計(jì)算方法，進(jìn)而得到一套錯(cuò)相減震爆破設(shè)計(jì)理論。運(yùn)用電子雷管與非電雷管混合起爆網(wǎng)路技術(shù)，采用較短的延時(shí)間隔逐孔起爆，使得各段地震波相互干擾疊加，有效控制了爆破振動(dòng)，滿足了復(fù)雜環(huán)境下安全爆破設(shè)計(jì)要求。

混合起爆網(wǎng)路 控制爆破 隧道開挖 電子雷管 干擾降振

1 概述

1.1 工程概況

深圳地鐵11號(hào)線連接福田中心區(qū)、南山、前海、機(jī)場(chǎng)、福永、沙井、松崗等片區(qū)，是連通城市核心區(qū)與西部濱海地區(qū)的快線，同時(shí)兼有機(jī)場(chǎng)快線的功能。線路由福田站至碧頭站，全長(zhǎng)約49.7 km，設(shè)站18座。其中福永站位于深圳市寶安區(qū)寶安大道與福海大道交叉口南側(cè)，沿寶安大道中央綠化帶呈南北向布置。車站全長(zhǎng)338 m，為地下兩層車站，起訖里程YDK37+ 555.499—YDK37+893.500。福永站至橋頭站地下區(qū)間位于深圳市寶安區(qū)寶安大道與福海大道交叉口北側(cè)，沿寶安大道中央綠化帶呈南北向布置，起于福海大道，穿越蠔業(yè)路，接高架區(qū)間，全長(zhǎng)656.5 m，起訖里程為YDK37+893.500—YDK38+550.000。

線路兩側(cè)建筑物密集，交通繁忙(寶安大道為深圳市主干道，穿越新安、西鄉(xiāng)、福永、砂井、松崗5個(gè)街道后連接深圳機(jī)場(chǎng))，場(chǎng)地范圍內(nèi)地下管線較多，主要有污水、雨水、給水、電信、電力、燃?xì)獾裙芫€，其中對(duì)基坑施工影響最大的為燃?xì)夤艿馈＞€路西側(cè)有一條1.6 MPa次高壓燃?xì)夤芎鸵粭l0.4 MPa中壓燃?xì)夤?。其中，次高壓燃?xì)夤芫喔Ｓ勒净幼罱嚯x12 m，距福永站—橋頭站地下區(qū)間最近距離30 m;中壓燃?xì)夤芫喔Ｓ勒净幼罱嚯x18 m，距福永站—橋頭站地下區(qū)間最近距離25 m，要求爆破振速≤2 cm/s。

如何有效控制爆破振動(dòng)并做好安全防護(hù)是本工程最大的難點(diǎn)。靜態(tài)爆破工期長(zhǎng)、成本高，且不能滿足工期要求，常規(guī)爆破又不能保證次高壓燃?xì)夤軐?duì)爆破振速的要求，因此，須選擇一種既能滿足工期要求、又能保證爆破振動(dòng)可控的施工方法。此外，隧道施工安全、路面沉降可控和管線運(yùn)行安全也是本工程的重點(diǎn)，所以須選擇一種可有效控制爆破振動(dòng)、飛石、噪音和粉塵污染等的綠色環(huán)保爆破技術(shù)。

1.2 混合起爆網(wǎng)路技術(shù)

導(dǎo)爆管雷管起爆網(wǎng)路可以在有電干擾的環(huán)境下進(jìn)行操作，一般情況下起爆的藥包數(shù)量不受限制，網(wǎng)路也不必要進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算，可以實(shí)現(xiàn)多段延時(shí)起爆。但由于本工程對(duì)爆破振動(dòng)控制要求非常嚴(yán)格，導(dǎo)爆管雷管起爆網(wǎng)路很難滿足爆破要求。

數(shù)碼電子雷管可以實(shí)現(xiàn)對(duì)爆破延時(shí)的精確控制，保證設(shè)計(jì)延期與實(shí)際起爆時(shí)間相一致，這為更準(zhǔn)確控制爆破振動(dòng)提供了前提條件。電子雷管在相同裝藥量、地形、地質(zhì)等條件下，精確微差起爆的數(shù)碼雷管爆破振動(dòng)峰值速度小、離散性小，通過合理設(shè)定起爆的延時(shí)間隔使各炮孔產(chǎn)生的子波相位時(shí)移、峰谷疊加，從而達(dá)到干擾降振的效果。根據(jù)波的疊加理論合理選擇兩次爆破的延時(shí)間隔時(shí)差，使后爆炸藥產(chǎn)生的振動(dòng)波的波峰能夠和先爆炸藥產(chǎn)生的振動(dòng)波的波谷同時(shí)產(chǎn)生，這樣疊加部分振動(dòng)波的振幅應(yīng)明顯減小，爆炸產(chǎn)生的破壞效應(yīng)會(huì)最大限度地降低。同時(shí)通過優(yōu)化延期時(shí)間，將爆破振動(dòng)調(diào)整為均勻分布的高頻低峰值波形，振動(dòng)頻率遠(yuǎn)大于建筑物自振頻率，避開了“類共振”，從而避免對(duì)建(構(gòu))筑物造成損害。

由于電子雷管單價(jià)較高，全斷面采用電子雷管大大增加了施工成本，為了降低施工成本，通過在控制爆破振動(dòng)的基礎(chǔ)上對(duì)起爆網(wǎng)路進(jìn)行優(yōu)化，研究電子雷管和非電雷管混合起爆網(wǎng)路的可行性，進(jìn)而提出混合起爆網(wǎng)路技術(shù)的概念。

2 混合起爆網(wǎng)路技術(shù)應(yīng)用試驗(yàn)研究

2.1 隧道爆破試驗(yàn)

試驗(yàn)?zāi)康氖谦@得最佳裝藥參數(shù)、延時(shí)間隔及隧道爆破引起的地表振動(dòng)衰減規(guī)律，為設(shè)計(jì)和施工提供理論依據(jù)。

隧道爆破試驗(yàn)先在隧道進(jìn)口端進(jìn)行3組單孔試驗(yàn)，然后做5組全斷面群孔試驗(yàn)，最終確定最佳延時(shí)間隔。單孔試驗(yàn)藥量為1.2 kg。群孔試驗(yàn)采取進(jìn)尺1.0～1.5 m全斷面開挖，孔間延時(shí)分別為4，5，6，7和8 ms?？筛鶕?jù)試驗(yàn)效果適當(dāng)補(bǔ)充幾組試驗(yàn)以確定減振效果。振動(dòng)測(cè)試點(diǎn)布設(shè)在隧道上方的地表，以拱頂正上方為1號(hào)測(cè)點(diǎn)，向隧道一側(cè)不同距離分別布設(shè)另外4個(gè)測(cè)點(diǎn)，距1號(hào)測(cè)點(diǎn)分別為10，25，35和45 m。其中5號(hào)測(cè)點(diǎn)布置在次高壓燃?xì)夤苌戏?。測(cè)點(diǎn)布置見圖1。

圖1 測(cè)點(diǎn)布置示意

根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，隧道爆破開挖的效果與掏槽孔的爆破效果有很大關(guān)系，其為后爆孔提供了自由面，減小了藥包的夾制作用。要達(dá)到良好的爆破效果，掏槽方式很關(guān)鍵，為此采用楔形多級(jí)掏槽，盡量增大掏槽孔角度。同時(shí)，炮孔的數(shù)量、深度和裝藥量直接決定了開挖進(jìn)尺的長(zhǎng)度。本區(qū)間隧道為三級(jí)圍巖，鋼架間距1.2 m，上臺(tái)階爆破設(shè)計(jì)每循環(huán)進(jìn)尺為1.2 m。

為降低施工成本，對(duì)起爆網(wǎng)路進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)，爆破試驗(yàn)先從安全性高的工法開始，然后逐步試驗(yàn)安全性低的工法，分4個(gè)階段:①全部采用電子雷管;②一級(jí)和二級(jí)掏槽孔采用電子雷管，其他孔采用非電毫秒雷管;③一級(jí)掏槽孔采用電子雷管，其他孔采用非電毫秒雷管;④全部采用非電毫秒雷管。

2.2 隧道爆破最佳延時(shí)間隔的確定

根據(jù)上面的分析可知，要確定最佳的間隔時(shí)間，首先應(yīng)了解單個(gè)爆破地震波的特性，因此做了一組單炮孔爆破試驗(yàn)。單炮孔爆破往往只有一對(duì)主波峰波谷，之后為小幅的余震，振動(dòng)最大值一般都出現(xiàn)在第一個(gè)波峰處。測(cè)試的單炮孔振動(dòng)波形參數(shù)見表1。

表1 單炮孔振動(dòng)波形參數(shù)

從表1可知，單爆孔爆破主振頻率大致在64～77 Hz，主振波周期在11.8～13.7 ms。根據(jù)波的干涉條件，延時(shí)間隔為主振周期的1/3～2/3。當(dāng)主振周期為13.7 ms時(shí)，產(chǎn)生錯(cuò)峰減振的時(shí)差為4.6～9.1 ms，當(dāng)主振周期為11.8 ms時(shí)，產(chǎn)生錯(cuò)峰降振的時(shí)差為3.9～7.9 ms，兩個(gè)延時(shí)間隔的交集為4.6～7.9 ms。以往工程經(jīng)驗(yàn)表明:隧道爆破楔形掏槽的成對(duì)斜孔、成組炮孔錯(cuò)時(shí)4～8 ms既能達(dá)到成對(duì)斜孔同時(shí)發(fā)力掏槽的效果，又能達(dá)到錯(cuò)峰干擾減振的目的?？梢姳敬卧囼?yàn)結(jié)果與以往實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)一致。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行下一步的群孔爆破試驗(yàn)。上臺(tái)階共計(jì)70個(gè)炮孔，總裝藥量50.8 kg，爆破方量20 m3，炸藥單耗2.54 kg/m3，爆破參數(shù)見表2。采用電子雷管逐孔起爆，孔間延時(shí)間隔分別選取4，5，6，7，8 ms。圖2為間隔時(shí)間為5 ms的起爆順序，其余試驗(yàn)起爆順序與此一致。

表2 爆破參數(shù)

圖2 電子雷管起爆順序(單位:ms)

5個(gè)測(cè)點(diǎn)均采集到振動(dòng)波形，5號(hào)測(cè)點(diǎn)采集了4，5，6，7，8 ms共5種不同延時(shí)間隔的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。電子雷管采用4 ms延時(shí)間隔時(shí)，在20 ms處(即振動(dòng)波形的開始段)振速出現(xiàn)了最大值，為2.41 cm/s，超過振動(dòng)控制要求的2.0 cm/s。可見，該延時(shí)間隔使得掏槽孔的振動(dòng)峰值疊加，未能起到相互抵消的作用。延時(shí)間隔為7 ms時(shí)，振速最大值出現(xiàn)在振動(dòng)波形的中段，約300 ms處(即出現(xiàn)在掘進(jìn)孔的部位)，為2.19 cm/s，超過了振動(dòng)控制要求。延時(shí)間隔為8 ms時(shí)，振速最大值為2.20 cm/s，出現(xiàn)在振動(dòng)波形的末尾，約350 ms，由周邊孔的振動(dòng)峰值疊加產(chǎn)生。采用5 ms和6 ms的延時(shí)間隔時(shí)差時(shí)，振速最大值分別為0.54 cm/s和1.5 cm/s，均未超出控制要求。從振動(dòng)波形看，振動(dòng)幅值分布比較均勻，無異常突起波峰，說明采取5 ms和6 ms的孔間延時(shí)間隔可以起到干擾降振的目的，且5 ms的減振效果優(yōu)于6 ms。針對(duì)這一結(jié)論又做了兩組補(bǔ)充試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表3，與上述分析一致。

表3 試驗(yàn)爆破振速統(tǒng)計(jì)分析

通過上述系列試驗(yàn)結(jié)果分析可知，采用5 ms的孔間延時(shí)間隔能達(dá)到最佳的干擾降振目的，因此確定隧道爆破的最佳延時(shí)間隔為5 ms。

2.3 起爆網(wǎng)路優(yōu)化試驗(yàn)研究

由于電子雷管單價(jià)較高，為了降低施工成本，研究電子雷管和非電雷管混合起爆網(wǎng)路的可行性。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，考慮掏槽孔采用電子雷管，周邊孔采用非電雷管的方式。另外，為實(shí)現(xiàn)光面爆破，周邊孔電子雷管采用同一個(gè)延時(shí)間隔，采用非電毫秒雷管爆破時(shí)，周邊孔也采用同一個(gè)段位起爆，兩者類似，因此，周邊孔在雷管選用上均存在優(yōu)化為非電毫秒雷管的可能。

第二階段試驗(yàn)，一級(jí)和二級(jí)掏槽孔采用電子雷管，其他孔采用非電毫秒雷管，電子雷管延時(shí)間隔5 ms。爆破參數(shù)見表4，電子雷管起爆順序見圖3。

表4 爆破參數(shù)

圖3 電子雷管起爆順序

從試驗(yàn)結(jié)果可知，在其他爆破參數(shù)不變的情況下，一級(jí)和二級(jí)掏槽孔采用電子雷管且延時(shí)間隔5 ms，其他孔跳段采用非電毫秒雷管，爆破振動(dòng)增幅不大，掏槽孔及其他孔爆破振速峰值均在1.6 cm/s以內(nèi)，滿足次高壓燃?xì)夤鼙普駝?dòng)要求。

第三階段試驗(yàn)，上臺(tái)階共計(jì)67個(gè)炮孔，總裝藥量48 kg，爆破方量20 m3，炸藥單耗2.4 kg/m3，一級(jí)掏槽孔采用電子雷管，其他孔采用非電毫秒雷管，電子雷管延時(shí)間隔5 ms。爆破參數(shù)見表5，電子雷管起爆順序見圖4。從試驗(yàn)結(jié)果可知，在其他爆破參數(shù)不變的情況下，一級(jí)掏槽孔采用電子雷管，電子雷管延時(shí)間隔5 ms，其他孔跳段采用非電毫秒雷管，爆破振動(dòng)增幅不大，掏槽孔最大爆破振速在1.6 cm/s以內(nèi)，其他孔爆破振速峰值在1.7 cm/s以內(nèi)，滿足次高壓燃?xì)夤鼙普駝?dòng)要求。

第四階段試驗(yàn)，全部采用非電毫秒雷管，其他條件與第三階段試驗(yàn)相同。電子雷管起爆順序見圖5，爆破參數(shù)見表6。

表5 爆破參數(shù)

圖4 電子雷管起爆順序

圖5 電子雷管起爆順序

表6 爆破參數(shù)

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在其他爆破參數(shù)不變的情況下，上臺(tái)階全部采用非電毫秒雷管，掏槽孔部分最大振速為2.8 cm/s，不能滿足次高壓燃?xì)夤鼙普駝?dòng)要求。

3 結(jié)論

1)深圳地鐵11號(hào)線礦山法隧道爆破開挖，采用孔間延時(shí)間隔5 ms和6 ms都能達(dá)到干擾降振的效果，其中5 ms效果更佳，在后期的爆破中均采取5 ms作為孔間延時(shí)間隔。

2)在本工程地質(zhì)條件下，隧道爆破開挖掏槽孔采用電子雷管，孔間以5 ms延時(shí)間隔逐孔起爆，其余孔用非電雷管跳段的起爆方式，能滿足次高壓燃?xì)夤鼙普袼佟? cm/s和隧道一次開挖循環(huán)進(jìn)尺1.2 m的要求。在后續(xù)爆破中均采用此種爆破方式。

3)電子雷管具有延時(shí)精度高、可控的特點(diǎn)，可用來實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)頻率的控制。通過確定合理的延時(shí)間隔，保證波形能發(fā)生錯(cuò)相疊加，使得干擾降振技術(shù)理論得以成功應(yīng)用，最大化地降低爆破振動(dòng)。

4)對(duì)于隧道爆破，使用電子雷管若較多，成本較高，并不經(jīng)濟(jì)。可以運(yùn)用電子雷管和導(dǎo)爆管雷管混合網(wǎng)路起爆技術(shù)，通過合理設(shè)計(jì)來有效控制爆破振動(dòng)，同時(shí)降低施工成本。

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Experimental study on app lication of m ixed detonating network technology to tunnel excavation in Shenzhen m etro line 11

TIAN Bingkun
(Postgraduate Department，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

According to strict control requirem en ts of b lasting vib ration in foundation p it excavation of Shenzhen M etro Line 11，this paper studied the phase dislocation dam ping m echanism by the theoretical analysis com bined w ith the field testing.Based on blasting vibration propagation characteristics，the delay interval calcu lation m ethod o f vibration reduction interfered by m illisecond delay vibration waveform stacking was discussed and a blasting design theory o f phase d islocation vib ration reduction w as proposed.M ixed detonating netw ork technology of electronic detonators and non-electric detonators uses a shorter delay interval for ho le by hole blasting and m akes seism ic w aves of each segm ent overlap and interfere w ith each other，which could effectively control the blasting vibration and m eet the security requirem ents of blasting design in a complex environment.

M ixed detonating network;Con trol blasting;T unnel excavation;Electronic detonator;D isturbance vibration reduction

U455.6

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.06.21

1003-1995(2015)06-0078-05

(責(zé)任審編李付軍)

2014-11-13;

2015-02-06

中國(guó)鐵道科學(xué)研究院基金項(xiàng)目(1351ZD0702，2013YJ030)

田炳坤(1989—)，男，安徽六安人，研究實(shí)習(xí)員，碩士研究生。