電子雷管在光面爆破中的應(yīng)用

高朋飛 金 鵬 楊 翎 馬立飛

（1.安徽理工大學(xué)土木工程學(xué)院，安徽淮南232001；2.安徽江南爆破工程有限公司，安徽宣城242300）

當(dāng)前，隨著城市化進(jìn)程的快速發(fā)展，我國(guó)的公路建設(shè)發(fā)展迅猛，路塹開(kāi)挖爆破工程越來(lái)越普遍［1-3］。路塹開(kāi)挖爆破工程要求爆破后的邊坡光滑穩(wěn)定，破碎塊度能夠滿足路基用石料要求，這就要求起爆用的雷管要有較高的延遲精度，傳統(tǒng)的工業(yè)雷管段數(shù)有限，且延遲精度低，在光面爆破工程中應(yīng)用時(shí)，使得爆后巖壁平整度差，圍巖受爆破破壞大，易產(chǎn)生大塊和根底，帶來(lái)爆破振動(dòng)危害、鏟裝和運(yùn)輸效率低下等諸多問(wèn)題［4-5］。電子雷管具有延時(shí)精度高，段別精確誤差可控等優(yōu)點(diǎn)在城市密集建筑群下低振速爆破，深孔微差爆破中得到較大的應(yīng)用［6-8］，有效降低爆破振動(dòng)危害。但是電子雷管在光面爆破，控制爆后石料塊度，改善爆破效果中的應(yīng)用報(bào)道較少。

本研究以溫州繞城高速公路路塹開(kāi)挖爆破工程為背景，運(yùn)用電子雷管并聯(lián)起爆網(wǎng)絡(luò)和導(dǎo)爆管雷管復(fù)式起爆網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了光面爆破試驗(yàn)，比較2種雷管起爆后的石料塊度，討論電子雷管在光面爆破及石料塊度控制方面的應(yīng)用。

1 工程概況

1.1 工程概述

溫州繞城高速公路是溫州大都市區(qū)的交通主骨架，是關(guān)系到能否實(shí)現(xiàn)都市區(qū)半小時(shí)交通圈的關(guān)鍵性工程。它起于鹿城區(qū)仰義街道，接金麗溫高速公路，與繞城北線相連，終點(diǎn)位于閣巷鎮(zhèn)東，設(shè)閣巷樞紐連接甬臺(tái)溫高速?gòu)?fù)線，路線全長(zhǎng)56.334 km。工程線路位于浙南沿海丘陵平原與浙南中山區(qū)交叉地區(qū)，起點(diǎn)屬于甌江南岸海積平原，隨后在仰義—郭溪段以隧道穿越低山丘陵；路線中段沿條帶狀海積平原及中低山坡麓南行穿越開(kāi)闊的飛云江海積平原，最后路線折向東穿越低山丘陵啞口進(jìn)入地勢(shì)低洼平坦、水網(wǎng)密布的濱海海積平原?？傮w劃分為2種地貌，即侵蝕—?jiǎng)兾g低山丘陵區(qū)、平原堆積區(qū)。

1.2 路塹工程的地質(zhì)條件

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本工程挖方路段均位于侵蝕剝蝕丘陵區(qū)，地形坡伏較大，表部為殘坡積地層，下伏基巖，一般為硬質(zhì)巖，巖性主要有砂巖、凝灰?guī)r、花崗巖、霏細(xì)斑巖等，巖石抗風(fēng)化能力強(qiáng)，巖體完整性一般較好，路塹邊坡坡率根據(jù)圍巖條件不同設(shè)計(jì)取不同的坡率，全風(fēng)化層1∶1.25、強(qiáng)風(fēng)化層1∶1.00、中風(fēng)化層1∶0.5～1∶0.75、微風(fēng)化層1∶0.3～1∶0.5。本項(xiàng)目部分區(qū)段路塹邊坡開(kāi)挖斷面示意如圖1所示。

1.3 路塹工程設(shè)計(jì)要求

本工程要求爆破后的邊坡光滑穩(wěn)定，破碎塊度應(yīng)滿足路基用石料要求，其包絡(luò)線見(jiàn)圖2，具體爆破開(kāi)采料技術(shù)指標(biāo)為：最大粒徑dmax≤550 mm，小于5.5 mm含量為＜15%，小于0.1 mm含量少于5%，路基填筑碾壓后指標(biāo)：孔隙率n≤19%，干容重rd=22.0 kN/m3。

2 光面爆破方案的確定

根據(jù)工程設(shè)計(jì)要求，通過(guò)對(duì)工程現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)地考察，了解現(xiàn)場(chǎng)施工情況，在既保證邊坡光滑穩(wěn)定又讓爆破石塊料滿足一定要求的情況下，初步擬定采用如圖3所示光面爆破開(kāi)挖以保證邊坡的穩(wěn)定性，主爆區(qū)采用連續(xù)裝藥的中深孔爆破，接近邊坡面的緩沖區(qū)采用不耦合裝藥的光爆層孔緩沖爆破，邊坡面采用不連續(xù)不耦合裝藥的光面爆破。

2.1 爆破參數(shù)的確定

依據(jù)上述光面爆破方案，需要綜合考慮地質(zhì)情況、雷管與炸藥品種、施工設(shè)備與工藝等因素進(jìn)行爆破方案設(shè)計(jì)。光面爆破的難點(diǎn)在于周邊孔之間的互相貫通，并且彼此形成較為規(guī)則的半圓孔，達(dá)到邊坡面平整規(guī)正，對(duì)周邊巖石擾動(dòng)較小。為了達(dá)到設(shè)計(jì)要求和良好的爆破效果，設(shè)計(jì)了如表1所示爆破參數(shù)。

2.2 起爆網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的選擇

光面爆破是一個(gè)動(dòng)態(tài)斷裂的過(guò)程，爆破應(yīng)力波首先使炮孔周圍產(chǎn)生初始徑向裂紋，然后在爆生氣體準(zhǔn)靜態(tài)壓力作用下，初始徑向裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展延伸，同時(shí)由于孔間的導(dǎo)向作用會(huì)使得孔間連線產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，這樣就會(huì)在孔間連線產(chǎn)生裂紋，而滯后的高壓氣體膨脹作用使得孔間連線產(chǎn)生的裂紋全部貫通成縫［9］。這其中最關(guān)鍵的技術(shù)就是讓所有光爆孔同時(shí)起爆，以保證裂縫的形成和平整光滑，所以雷管延時(shí)參數(shù)的確定和起爆順序的選擇對(duì)光面爆破效果影響甚大。根據(jù)爆破方案，確定主爆孔和緩沖孔采用排間間隔50 ms，孔間間隔25 ms，最后光爆孔同時(shí)起爆的起爆網(wǎng)絡(luò)。雷管品種可以選擇非電導(dǎo)爆管雷管或者電子雷管。當(dāng)使用導(dǎo)爆管雷管起爆網(wǎng)絡(luò)時(shí)，排間地表雷管用3段，孔間地表雷管用2段，孔內(nèi)雷管用13段（650 ms），組成復(fù)式起爆網(wǎng)絡(luò)；當(dāng)使用電子雷管起爆網(wǎng)絡(luò)時(shí)，由于電子雷管時(shí)間可以現(xiàn)場(chǎng)設(shè)定，所以每發(fā)電子雷管延時(shí)直接按起爆網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，組成并聯(lián)起爆網(wǎng)絡(luò)。

2.3 光面爆破方案選擇電子雷管的理由

傳統(tǒng)導(dǎo)爆管延期雷管采用延期藥來(lái)實(shí)現(xiàn)延時(shí)功能，延時(shí)精度不高，常會(huì)出現(xiàn)跳段、盲炮事故，延期時(shí)間不能根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況靈活設(shè)置，難以實(shí)現(xiàn)起爆時(shí)序的精確控制，爆破效果差。電子雷管是采用電子控制模塊對(duì)起爆過(guò)程進(jìn)行控制的雷管，其實(shí)物及結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。如圖4所示，內(nèi)置在管殼內(nèi)部的電子控制模塊具備雷管起爆延期時(shí)間控制、起爆能量控制功能，內(nèi)置雷管身份信息碼和起爆密碼，能對(duì)自身功能、性能以及雷管點(diǎn)火元件的電性能進(jìn)行測(cè)試，并能和起爆控制器及其他外部控制設(shè)備進(jìn)行通信。因此，它具有延時(shí)精確、延期時(shí)間設(shè)置靈活、延期范圍廣、組網(wǎng)規(guī)模大、信號(hào)傳輸距離長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)能更好地實(shí)現(xiàn)爆破工程的時(shí)序控制與效果控制，達(dá)到預(yù)期的破碎效果及振動(dòng)災(zāi)害控制。在光面爆破方案中，最關(guān)鍵的技術(shù)就是讓所有光爆孔同時(shí)起爆，以保證裂縫的形成和平整光滑，也就是說(shuō)要求雷管的延期精度越高越好，這正是電子雷管比傳統(tǒng)導(dǎo)爆管雷管最具有優(yōu)勢(shì)的方面，所以理論上光面爆破采用電子雷管起爆網(wǎng)絡(luò)能達(dá)到更好的爆破效果。

3 電子雷管在光面爆破中的應(yīng)用

3.1 電子雷管與導(dǎo)爆管雷管的延期性能比較

光面爆破的裂縫是否平整光滑與起爆時(shí)間的一致性有重大關(guān)系，有研究結(jié)果表明，起爆時(shí)間一致性越好，裂縫的表面越平整越光滑。起爆網(wǎng)絡(luò)中的參數(shù)設(shè)定都是雷管的名義延時(shí)，與其實(shí)際延時(shí)存在一定的差別，因此實(shí)驗(yàn)考察電子雷管和非電導(dǎo)爆管雷管的實(shí)際延期時(shí)間對(duì)起爆網(wǎng)絡(luò)中雷管的選用具有實(shí)際指導(dǎo)意義。本研究分別測(cè)試了名義延時(shí)為25 ms、50 ms和650 ms的電子雷管和非電導(dǎo)爆管雷管實(shí)際延期時(shí)間，采用延時(shí)誤差來(lái)表示雷管的延期精度［10］，每組25發(fā)，測(cè)時(shí)結(jié)果如表2所示。

由表2可知，在25 ms、50 ms和650 ms名義延時(shí)的測(cè)時(shí)結(jié)果中，電子雷管的平均延時(shí)與名義延時(shí)更接近，電子雷管延期時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)差、極差和延時(shí)誤差均比導(dǎo)爆管雷管的要小，說(shuō)明電子雷管的延期精度比導(dǎo)爆管要高。電子雷管的延時(shí)標(biāo)準(zhǔn)差和極差普遍較小，變化不大，導(dǎo)爆管雷管的延時(shí)標(biāo)準(zhǔn)差和極差隨著名義延時(shí)的增加而增大。這與它們的延期原理不同有關(guān)，電子雷管采用電子芯片延時(shí)，延時(shí)準(zhǔn)確度高，其延期性能主要由點(diǎn)火藥頭的延期精度決定，而導(dǎo)爆管雷管采用延期體中的延期藥燃燒延時(shí)，由于燃燒的不穩(wěn)定性會(huì)出現(xiàn)一定程度誤差，它從本質(zhì)上是無(wú)法避免的，隨著延期時(shí)間的增加，這個(gè)誤差會(huì)逐漸增大，所以呈現(xiàn)出導(dǎo)爆管雷管延期時(shí)間越大，其延時(shí)誤差和極差也越大的現(xiàn)象。綜上分析可知，電子雷管的延期時(shí)間一致性好，精度高，延期性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)異于導(dǎo)爆管雷管的延期性能。

3.2 電子雷管對(duì)爆破塊度的影響

鑒于電子雷管與導(dǎo)爆管雷管的延期時(shí)間一致性相差較大，本研究在地質(zhì)條件和爆破方案相同的情況下分別采用電子雷管并聯(lián)起爆網(wǎng)絡(luò)和導(dǎo)爆管雷管復(fù)式起爆網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了爆破試驗(yàn)，并對(duì)爆破后石塊的篩分結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，采用電子雷管起爆得到的爆破石料塊度大部分集中在10～450 mm，其塊度在上下包絡(luò)線之內(nèi)，能較好地滿足工程需求。導(dǎo)爆管雷管起爆產(chǎn)生的石料塊度不均勻，大塊和小塊較多。這是因?yàn)殡娮永坠茉谄鸨^(guò)程中延期時(shí)間與設(shè)計(jì)時(shí)間比較接近，能較好地進(jìn)行應(yīng)力波疊加，能量均衡，發(fā)揮出協(xié)同效應(yīng)，從而使巖石破碎均勻；而孔內(nèi)的13段導(dǎo)爆管雷管因?yàn)檠訒r(shí)極差較大，起爆時(shí)間無(wú)法精確控制，從而導(dǎo)致有的部位能量密集產(chǎn)生大量小塊，進(jìn)而導(dǎo)致有的部位能量損失產(chǎn)生大塊。試驗(yàn)結(jié)果表明，電子雷管由于延期精度高，與設(shè)計(jì)延時(shí)較接近，在爆破中能獲得更均勻的塊度。

3.3 電子雷管與導(dǎo)爆管雷管光面爆破效果對(duì)比

本工程一個(gè)重要的指標(biāo)是邊坡的光滑穩(wěn)定性，它與光面爆破裂縫成型密切相關(guān)，而裂縫的形成又主要依靠鄰孔之間同時(shí)起爆產(chǎn)生的徑向沖擊波和拉伸應(yīng)力波及爆生氣體的共同作用?？紤]到電子雷管與導(dǎo)爆管雷管的延期時(shí)間一致性相差較大，在同時(shí)起爆的一致性上會(huì)有所差異，因此研究了它們對(duì)光面爆破效果的影響，爆破后的邊坡效果如圖6所示。

從圖6中可以看出，采用電子雷管起爆網(wǎng)絡(luò)爆破后的邊坡表面平整，光爆孔清晰，光爆效果較好，而采用導(dǎo)爆管雷管網(wǎng)絡(luò)起爆的邊坡表面凹凸不平，光爆孔模糊不清，光爆效果較差。出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因在于光面爆破開(kāi)挖方式中，各鄰孔之間的時(shí)間差越大，貫通裂縫的時(shí)間越長(zhǎng)，作用在切向上的爆炸荷載時(shí)間也越長(zhǎng)且越不均勻，形成的裂隙越不平整，甚至?xí)r間差大于100 ms時(shí)，如同各孔單獨(dú)起爆形成凹凸不平的壁面。當(dāng)所有光爆孔同時(shí)起爆時(shí)，會(huì)加速貫穿裂縫的速度，導(dǎo)致爆生氣體的快速逸出，從而減小了爆炸荷載的作用時(shí)間，形成平整的裂縫［11］。由于電子雷管在650 ms時(shí)的極差只有5.06 ms，一致性遠(yuǎn)高于延時(shí)極差為44.70 ms的導(dǎo)爆管雷管，所以它更容易形成平整的裂縫。試驗(yàn)結(jié)果表明電子雷管起爆網(wǎng)絡(luò)比導(dǎo)爆管雷管起爆網(wǎng)絡(luò)的光面爆破效果更好。

4 結(jié)論

針對(duì)溫州繞城高速公路路塹開(kāi)挖爆破工程，比較了電子雷管并聯(lián)起爆網(wǎng)絡(luò)和導(dǎo)爆管雷管復(fù)式起爆網(wǎng)絡(luò)的光面爆破邊坡效果和石料塊度，得出如下結(jié)論：

（1）試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明電子雷管的平均延時(shí)與名義延時(shí)更接近，電子雷管延期時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)差、極差和延時(shí)誤差均比導(dǎo)爆管雷管小，電子雷管的延期時(shí)間一致性好，精度高，延期性能優(yōu)異于導(dǎo)爆管雷管。

（2）采用電子雷管起爆，起爆過(guò)程中延期時(shí)間與設(shè)計(jì)時(shí)間比較接近，爆破后得到的石料塊度大部分集中在10～450 mm，塊度均勻，能較好地滿足工程需求。而采用導(dǎo)爆管雷管起爆，起爆時(shí)間無(wú)法精確控制，爆破后產(chǎn)生的石料塊度不均勻，大塊和小塊較多。

（3）采用電子雷管起爆網(wǎng)絡(luò)爆破后的邊坡表面平整，光爆孔清晰，光爆效果較好，而采用導(dǎo)爆管雷管網(wǎng)絡(luò)起爆的邊坡表面凹凸不平，光爆孔模糊，光爆效果較差。