隧道爆破未爆殘藥影響因素分析

卜天宇，周海文，孫中富

(1.國(guó)檢集團(tuán)安全環(huán)保研究院,北京 100024；2. 中國(guó)非金屬礦總公司,北京 100035; 3.珠海興地建設(shè)項(xiàng)目管理有限公司，廣東 珠海 519000)

B隧道工程北起ZH市迎賓北路與人民西路交叉口，南至迎賓南路與九洲大道交叉口，包括上行、下行以及人行3條隧道，單個(gè)隧道平均長(zhǎng)度約1.2 km，斷面面積介于60～80 m2之間。其與現(xiàn)有隧道中心線距離最窄處約23 m，洞壁相距不超過12 m。隧道洞身開挖采用人工穿鑿40 mm炮孔鉆爆法掘進(jìn)，為了減少新增隧道爆破振動(dòng)對(duì)現(xiàn)有隧道的影響，使用國(guó)內(nèi)某民爆廠數(shù)碼電子雷管進(jìn)行逐孔起爆，但炸藥依然采用常用的φ32 mm的2號(hào)巖石乳化炸藥。對(duì)于爆破施工單位來說，這是第一次大規(guī)模使用數(shù)碼電子雷管，因此進(jìn)行了為期1周的現(xiàn)場(chǎng)培訓(xùn)和指導(dǎo)。

1 藥卷殘藥現(xiàn)象

在第1周的爆后檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)個(gè)別雷管爆破后而殘留炮孔中有未爆炸藥，重量約100 g左右。當(dāng)時(shí)以為是作業(yè)人員初次接觸新型雷管，可能存在操作上的適應(yīng)性問題，只是簡(jiǎn)單強(qiáng)調(diào)精心裝藥，而未作深入分析。但是隨著時(shí)間的推移，第2周又多次發(fā)現(xiàn)類似現(xiàn)象，并且整個(gè)起爆藥包未被引爆的情況比較多，推測(cè)極有可能是該類炮孔內(nèi)，所裝炸藥均未被引爆。已爆雷管和未爆炸藥如圖1所示。

圖1 已爆雷管和未爆炸藥Fig.1 Exploded detonator and unexploded explosive

殘藥本質(zhì)上是一種盲炮現(xiàn)象，如果不能得到有效解決，不僅會(huì)影響爆破效果，而且會(huì)給后續(xù)的打孔、鏟裝工作帶來很大的安全隱患。

2 殘藥原因分析

該類盲炮殘藥的特點(diǎn)是：雷管已爆，而炸藥未爆。根據(jù)幾公里外正在施工的另一隧道X，地質(zhì)條件相近、炸藥相同，起爆系統(tǒng)采用普通非電導(dǎo)爆管雷管，殘藥現(xiàn)象卻很少的情況，決定以同類型的隧道爆破做參照物，對(duì)雷管類別、延時(shí)時(shí)間、人員、環(huán)境等因素進(jìn)行對(duì)比分析，從尋找差異點(diǎn)入手，來尋找原因和對(duì)策。

考慮到現(xiàn)場(chǎng)研究力量、儀器設(shè)施有限，火工產(chǎn)品質(zhì)量出現(xiàn)問題的概率相對(duì)較低等因素，研究預(yù)設(shè)前提：僅限定在現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)層面，而不涉及產(chǎn)品質(zhì)量、性能以及可靠性等問題。

2.1 雷管尺寸

與X隧道施工(采用普通非電導(dǎo)爆管雷管)相比，最大的不同就是B隧道爆破采用的是數(shù)碼電子雷管。通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)使用的國(guó)內(nèi)某數(shù)碼電子雷管與其同廠生產(chǎn)的導(dǎo)爆管雷管觀察和對(duì)比，發(fā)現(xiàn)其在非性能方面有下列兩個(gè)明顯的不同點(diǎn)：

第一，長(zhǎng)度長(zhǎng)。數(shù)碼電子雷管的管殼材質(zhì)、管徑基本與同規(guī)格的普通導(dǎo)爆管雷管無異，但長(zhǎng)度卻長(zhǎng)許多。同樣規(guī)格的8號(hào)導(dǎo)爆管雷管長(zhǎng)約70 mm，而數(shù)碼電子雷管長(zhǎng)度達(dá)115 mm(見圖2)，相比導(dǎo)爆管雷管，其長(zhǎng)度增加64.2%。

注：此處的長(zhǎng)度是指除腳線外的硬實(shí)段長(zhǎng)度，包括管殼和卡扣塞兩部分。圖2 雷管長(zhǎng)度比較Fig 2 Detonator length comparison

第二，腳線重。數(shù)碼電子雷管的腳線為絕緣雙芯護(hù)套鐵腳線，其線密度約為27 g/m，而普通導(dǎo)爆管雷管僅為12 g/m，不到數(shù)碼電子雷管腳線線密度的1/2。因此，相比普通導(dǎo)爆管雷管腳線，數(shù)碼電子雷管腳線的線密度更大。

2.2 雷管位置

研究發(fā)現(xiàn)，即便在同一操作方法和工作環(huán)境下，上述不同點(diǎn)也會(huì)引起一些微妙且重要的變化，如：①起爆藥包中雷管位置不易居中以及聚能穴偏斜狀況加??；②雷管受外部拉力作用與炸藥分離的可能性加大。

1)現(xiàn)場(chǎng)加工起爆藥包時(shí)，爆破工一般采用將雷管從φ32 mm藥卷側(cè)面置入的方法。此次爆破中，由于雷管長(zhǎng)度增加較多，盡管雷管置入方向和尾部腳線露出長(zhǎng)度不變，但雷管在起爆藥卷中的位置、雷管與藥卷的結(jié)合緊密程度以及雷管聚能穴的方向等都發(fā)生了較大變化。在同樣尾部出露長(zhǎng)度情況下，以不同角度將數(shù)碼電子雷管與導(dǎo)爆管雷管置入φ32 mm起爆藥卷時(shí)，雷管在藥卷中的位置如圖3所示。

圖3 不同插入角度下雷管在φ32 mm藥包中的位置Fig.3 The detonator position in φ32 mm explosive charge while insert in different angle

盡管不同人員的操作習(xí)慣會(huì)有差異，但是通過現(xiàn)場(chǎng)仔細(xì)觀察，總體而言，實(shí)際操作中雷管置入角度接近圖3a、圖3b的概率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于圖3c。在圖3中， 導(dǎo)爆管雷管末端距藥卷壁的距離在a、b、c中分別為9、15、22 mm，而同樣置入角度下，對(duì)應(yīng)的數(shù)碼電子雷管末端距藥卷壁的距離依次為0、9、18 mm。對(duì)普通導(dǎo)爆管雷管，圖3a和圖3b的置入角度基本能滿足使用要求；但對(duì)數(shù)碼電子雷管而言，雷管位置就顯得過于偏斜，產(chǎn)生爆轟的難度增加。

2)相比普通非電導(dǎo)爆管雷管，數(shù)碼電子雷管長(zhǎng)度較長(zhǎng)，在水平裝入藥卷并用炮棍壓實(shí)的過程中(隧道爆破為水平炮孔)，雖受炮棍的軸向壓力相同，但對(duì)數(shù)碼電子雷管來說，因其長(zhǎng)度長(zhǎng)故所受到的軸向力矩更大。因此雷管更易傾斜或加劇傾斜，從而使得雷管末端移向藥卷壁以及聚能穴朝向藥卷壁的概率相應(yīng)增大。

在上述兩因素的共同作用下，采用數(shù)碼電子雷管的藥卷雷管很難居中，雷管聚能穴的方向也更易偏斜，雷管末端外圍炸藥厚度更小甚至為零(觸及藥卷壁)。由于雷管的起爆能力受軸向和側(cè)向的共同作用，且以軸向?yàn)橹鱗1]；加上炸藥厚度對(duì)爆轟產(chǎn)生和穩(wěn)定傳播的影響[2]，均大大降低了起爆藥包中產(chǎn)生穩(wěn)定爆轟的概率。

3)當(dāng)雷管腳線懸空段比較長(zhǎng)時(shí)，比如位于隧道頂端的炮孔，數(shù)碼電子雷管腳線和連接線的自重拉力相對(duì)較大，加上網(wǎng)路均為并聯(lián)連接，個(gè)別孔可能會(huì)受力不均勻，承受多個(gè)孔的腳線拉力。當(dāng)雷管與藥卷結(jié)合不緊密時(shí)，特別是當(dāng)炮孔有一定向上傾斜角度或者在“半截藥卷”較多時(shí)(如拱頂孔、周邊孔等)，容易自然分離。

2.3 延時(shí)時(shí)間

由于爆破施工隊(duì)伍初次使用數(shù)碼電子雷管，在延時(shí)時(shí)間的摸索過程中，為了節(jié)約時(shí)間和操作方便，將掏槽孔延時(shí)時(shí)間設(shè)定為50～70 ms后，未作改動(dòng)，后續(xù)延時(shí)時(shí)間也按相同時(shí)間間隔設(shè)置，造成大范圍內(nèi)的數(shù)碼電子雷管實(shí)際延時(shí)時(shí)間要比非電導(dǎo)爆管雷管起爆系統(tǒng)長(zhǎng)得多；另外出于兼顧光面爆破和減振的考慮，周邊孔實(shí)行了7～8孔的分組起爆而非逐孔、齊發(fā)起爆，組間間隔時(shí)間也為50 ms。顯然相對(duì)周邊孔40～50 cm的孔距而言，延時(shí)偏長(zhǎng)。

在孔網(wǎng)比較密集的區(qū)域，較長(zhǎng)的延時(shí)極有可能會(huì)影響到已爆孔的沖擊波和應(yīng)力波的傳播以及巖石位移等因素，使未爆孔藥卷與藥卷、藥卷與雷管、藥卷與起爆藥包分離[3]，或者造成數(shù)碼電子雷管內(nèi)部結(jié)構(gòu)的損壞，如芯片、橋絲、藥珠等損壞[4]。

因而技術(shù)人員初步推測(cè)間隔時(shí)間總體偏長(zhǎng)，特別在炮孔密集部位，如拱底拐角、周邊孔等。這一點(diǎn)與發(fā)現(xiàn)較多殘藥部位的位置也相吻合。

2.4 人員、環(huán)境因素

爆破施工隊(duì)伍新手多，且人員流動(dòng)大。一方面，絕大多數(shù)人員是第一次接觸數(shù)碼電子雷管；另一方面，為了達(dá)到培訓(xùn)練兵目的，其他工地人員被輪流安排來觀摩和學(xué)習(xí)。其中，許多人員沒接觸過數(shù)碼電子雷管，而且有些人員連隧道爆破也是第一次參加。這些因素不僅會(huì)影響到裝藥、連線等操作質(zhì)量，而且對(duì)藥卷與藥卷的接觸密實(shí)度和連續(xù)性也會(huì)有較大的不利影響。

同其他類型的隧道爆破相比，本次爆破應(yīng)用環(huán)境(豎直工作面、水平孔、單自由面)沒有本質(zhì)的變化。但從隧道爆破共性角度講，①水平孔條件下，失去重力助力，裝藥連續(xù)性和藥卷與藥卷接觸密實(shí)度受到影響，填塞也變得困難；②與粉狀藥卷相比，乳化炸藥藥卷的端部為突起狀，無包裝所形成的聚能穴來促進(jìn)爆轟的傳播；③與臺(tái)階爆破相比，孔網(wǎng)密度在單自由面隧道爆破條件下相當(dāng)大，拱腳、周邊等部位，已爆孔影響后爆孔準(zhǔn)爆的概率大大增加。

3 改進(jìn)措施

綜合上述分析，造成殘藥未爆可能的直接因素包括：①起爆藥包中雷管位置不易居中以及聚能穴方向偏斜；②在孔網(wǎng)密集部位，延時(shí)時(shí)間設(shè)置不合理；③人員；④環(huán)境。

在4種因素中，因素③、④為所有隧道爆破可能遭遇的一般性因素，因素②只會(huì)影響部分炮孔(拱頂、周邊)，但因素①卻不同，其潛在的影響存在于斷面任一炮孔當(dāng)中，并且它由數(shù)碼電子雷管的外在變化和不規(guī)范的操作習(xí)慣所引起?？紤]到此次隧道爆破最大的變化是采用了數(shù)碼電子雷管，因而因素①初步推斷為主要因素，故初擬了改進(jìn)措施。

1)雷管居中布置。將雷管從藥卷端面正中平行置入，而非藥卷側(cè)面斜插置入。目的在于最大限度地消除雷管長(zhǎng)度、腳線變化帶來的影響，使得雷管平行于孔壁并處于藥卷的中心位置。此措施為核心改進(jìn)措施。

2)采用孔底反向裝藥的起爆方式。此措施可促進(jìn)炮孔中柱狀藥包穩(wěn)定爆轟的產(chǎn)生和傳遞。數(shù)碼電子雷管金屬腳線柔韌性好，反向折回后，不用擔(dān)心線路損壞和電流傳遞的問題。

措施1和措施2改進(jìn)前后如圖4所示。

圖4 改進(jìn)前后的裝藥結(jié)構(gòu)Fig.4 Charging structure before and after

3)設(shè)置合理的延時(shí)時(shí)間。除掏槽孔外，將其余炮孔的“排間”延時(shí)時(shí)間嘗試控制在10～30 ms以下；周邊孔的組間或孔間延時(shí)時(shí)間參照類似工程設(shè)為5～10 ms[5]；同時(shí)在不影響減振要求的情況下，擴(kuò)大每組的同時(shí)起爆數(shù)量。

4)設(shè)法減少腳線拉力。將隧道上端的連接線掛在拱架的露頭鋼筋上，以減輕腳線重力的影響，并遠(yuǎn)離作業(yè)臺(tái)架，同時(shí)專人指揮和觀察臺(tái)架撤離工作，以防臺(tái)架拉扯網(wǎng)路。

5)增加藥卷間的接觸密實(shí)度。每一藥卷裝入炮孔前，前端頭進(jìn)行環(huán)狀切開，以增加藥卷間的接觸密實(shí)度和連續(xù)性；同時(shí)切開部位裝藥直徑在搗實(shí)中被擴(kuò)大，如同“隔環(huán)”，此措施能很好地起到預(yù)防溝槽效應(yīng)的作用[6]，可減少“壓死現(xiàn)象”。

6)優(yōu)化作業(yè)工序。協(xié)調(diào)鉆孔時(shí)間，做到裝藥作業(yè)緊隨其后，以最大限度減少孔內(nèi)殘留水、巖渣對(duì)裝藥連續(xù)性和藥卷間密實(shí)度的影響。

7)穩(wěn)定施工隊(duì)伍。按照臺(tái)架位置固定作業(yè)人員，便于跟蹤、分析和比較。

其中1～4條目的在于使起爆藥包中雷管和炸藥能夠正確和牢固地結(jié)合，從而促進(jìn)爆轟的產(chǎn)生，5～7條旨在通過加強(qiáng)藥柱的連續(xù)性和密實(shí)性，來保證爆轟波在藥柱中的穩(wěn)定傳播。

4 工程應(yīng)用效果

為了驗(yàn)證對(duì)影響因素分析的正確性，在隨后的爆破中進(jìn)行分步試驗(yàn)。

1)所有孔均實(shí)施措施2和4～7的措施，但半幅隧道斷面的起爆藥包雷管置入稱為端面中心法(措施1)，另半幅則采用傳統(tǒng)的或者說是習(xí)慣性的側(cè)面斜插法。措施3暫不實(shí)施，即暫時(shí)不改變周邊孔組間或者孔間延時(shí)時(shí)間；

2)在第1步基礎(chǔ)上，觀察效果，再?zèng)Q定是否進(jìn)行周邊孔組間或者孔間延時(shí)時(shí)間試驗(yàn)(措施3)。

在隨后的3次對(duì)比試驗(yàn)中，采用雷管端面中心置入法的部位均未發(fā)現(xiàn)殘留炸藥，但在采用習(xí)慣性雷管側(cè)面斜插置入法的起爆藥包位置，出現(xiàn)2次殘藥，并且其中一次為比較嚴(yán)重的雷管起爆、整條藥卷未起爆的現(xiàn)象。第1步試驗(yàn)初步驗(yàn)證了分析結(jié)論中對(duì)核心要素1分析的正確性，而對(duì)于措施3，決定依然繼續(xù)觀察，暫不實(shí)施。然而再過了3d后，又出現(xiàn)了1次周邊孔殘藥(雷管已爆)現(xiàn)象。因此決定啟動(dòng)第2步試驗(yàn)，將周邊孔組間延時(shí)時(shí)間設(shè)定為7 ms或5 ms。此后，雷管已爆而留有殘藥未爆的問題得到了有效控制。

5 結(jié)語

1)由于數(shù)碼電子雷管外觀尺寸、腳線材質(zhì)等非性能的外在因素的變化，使得使用小直徑藥卷的隧道爆破，在起爆藥包加工、裝藥、延時(shí)設(shè)置、連線等方面，發(fā)生了一系列重要但又非常容易忽略的變化，需要仔細(xì)分析，認(rèn)真對(duì)待。

2)爆破操作的規(guī)范性非常重要。縱觀所制定的改進(jìn)措施，絕大多數(shù)是對(duì)原來操作做回歸性調(diào)整：即改變習(xí)慣做法，按要求規(guī)范操作。