數碼雷管錯相減震爆破技術在地鐵隧道施工中的應用*

任登富，簡中飛，孟祥棟，張學民，鄭文昌，孟令天

(1.貴陽市城市軌道交通集團有限公司，貴陽 510000；2.重慶建工集團有限公司，重慶 400000； 3.中南大學 土木工程學院，長沙 410075；4.中鐵隆工程集團有限公司，成都 610000； 5.中鐵二院 重慶勘察設計研究院有限責任公司，重慶 400023)

隨著城市地鐵建設的快速發(fā)展，各地尤其是中西部山地大中城市地鐵線路不同程度穿越巖質地層。在以巖質地層為主的地鐵區(qū)間隧道、車站基坑及附屬出入口工程建設中，因鉆爆法具有工藝簡單、操作靈活、工效高、成本低等優(yōu)點曾被較廣泛采用；因鉆爆法施工伴生的振動、沖擊波、煙塵和噪音等爆破危害效應，工程實踐中時有采用環(huán)境影響小但工效較低的小型機械或靜態(tài)破巖等非爆破法、技術不夠成熟的硬巖掘進機法，因而施工進度一般難以滿足工期等目標要求，施工環(huán)境塵泥飛流嚴重，控制爆破施工仍不失為解決工程進度的重要選項。推動城區(qū)復雜環(huán)境下硬巖地層地鐵工程綠色施工技術進步，開展針對鉆爆技術的再創(chuàng)新及合理爆破減震技術的研究具有重要的工程實踐意義。

國內學者針對城區(qū)復雜環(huán)境下工程爆破及其減震技術展開了一些研究工作。在非電毫秒雷管爆破減震技術方面，王松青等分析了武漢地鐵區(qū)間隧道下穿建筑物爆破振動傳播規(guī)律，探討了分臺階爆破、直孔掏槽、周邊密集減振孔、空氣間隔裝藥及延時爆破等參數[1]；方俊波從大中空孔直眼掏槽、一次起爆分部延時爆破、淺孔多眼等方面分析了控制爆破振速措施及效果[2]；曹楊等、趙永生等分析了爆破振速傳播規(guī)律，通過現(xiàn)場試驗分別提出了減振孔、調整裝藥結構、微差延遲爆破、直孔掏槽、中空孔爆破等減震技術[3,4]。為了進一步提高鉆爆法減震效果，孟祥棟等、田振農等、傅洪賢等通過電子雷管起爆方法開展了微差減震爆破試驗，探討了數碼雷管錯相減震的微差設置方法[5,7]；趙根等研究了電子雷管起爆系統(tǒng)及其在巖塞爆破中的應用[8]。綜上可見，非電毫秒雷管減震技術主要集中在開挖分部、掏槽形式、裝藥結構及減振孔布置等方面，而針對電子雷減震技術的研究相對較少，目前尚無完善的孔間授時方法，主要通過試爆進行爆破參數優(yōu)化。

貴陽市軌道交通2號線省醫(yī)站4號出入口隧道工程，埋深淺、周邊環(huán)境復雜，周邊70、80年代老舊建筑物繁多，施工期間不同地段多次出現(xiàn)管線滲漏、構建筑物開裂等問題。為此，開展了數碼電子雷管單孔單響微差起爆減震爆破試驗，以期提高施工工效同時達到確保周邊建筑物結構安全的目的。

1 工程背景

1.1 工程概況

貴陽市軌道交通2號線省醫(yī)站位于寶山南路與都司高架路交叉路口北側，沿寶山南路地下南北向布置，車站為地下二層式車站，長200 m，寬20.9 m，采用初支拱蓋法暗挖施工。省醫(yī)站站附屬結構共設4個出入口通道，其中4號出入口隧道位于車站小里程端東北側，采用明、暗挖相結合法施工，通道全長128.57 m(暗挖段87.31 m，明挖段41.26 m)，斷面40～45 m2，拱頂覆土厚度為7～11 m。在前期諸多因素影響下，4號出入口施工成為制約總體進度目標的關鍵線路，目標工期80 d。

1.2 工程地質及周邊環(huán)境

省醫(yī)站4號出入口隧道所處地質條件，自上而下依次為人工雜填土、紅黏土、強風化白云巖、中風化白云巖，地下水豐富，存在溶槽、溶溝等，巖溶發(fā)育。如圖1所示，4號出入口周邊環(huán)境復雜，隧道側穿老凱里酸湯魚飯店等20世紀50～60年代老舊建筑物，多為2～3層磚混結構民房，最近水平距離2.6 m。老舊建筑物無單獨基礎，直接落在山坡體面，建筑材料老化，抗剪強度和自身抗拉強度低。加之年久失修，部分墻體存在明顯外觀裂縫，房屋抗震能力較低。出入口隧道西側距已建成地鐵車站主體結構僅3.4 m。見圖1。

1.3 破巖方式選擇

暗挖隧道爆破開挖通常選擇常規(guī)控制爆破、懸臂掘進機開挖、水磨鉆開挖等方式，均在貴陽市復雜城區(qū)環(huán)境下的巖質地層施工中應用，但常規(guī)控制爆破難以滿足爆破安全控制要求，而機械開挖因工效低而不滿足高效施工需求。鑒于貴陽軌道交通2號線省醫(yī)站4號出入口隧道周邊復雜環(huán)境，破巖方式須綜合考慮安全、工效與工期目標，經綜合比選確定采用單孔單響錯相減震爆破法。

2 爆破方案

2.1 爆破設計原則

城市地鐵隧道鉆爆設計，遵循“短進尺、多鉆孔、少裝藥、勤測量”的原則。據施工條件、圍巖類別、埋置深度、斷面大小及環(huán)境條件等，并考慮安全、經濟、工期等要求，確定爆破振動影響范圍內最不利因素，最大程度降低爆破振動對周圍建筑物危害，避免發(fā)生擾民或民擾事件。

據減振爆破理論，爆破開挖最大振速值主要決定于單段最大藥量?；跀荡a電子雷管錯相減震原理，通過孔間微差精準授時，采取單孔單響爆破，從而解決了非電毫秒雷管延期爆破單段最大藥量難以降低的問題。同時方案設計時，考慮了隧道臺階分部開挖、控制爆破進尺、增加鉆眼數量等措施，將爆破振速控制在安全允許閾值范圍內。據《爆破安全規(guī)程》(GB6722—2014)[9]、《爆破安全規(guī)程實施手冊》等相關規(guī)定[10]，確定初步爆破方案，并加強爆破過程中建筑物爆破振動響應的實時監(jiān)測和數據分析，以適時動態(tài)調整爆破參數，達到減震目的。

數碼電子雷管錯相減震的概念與設計原則是指在多炮孔起爆時[5]，通過控制炮孔之間的起爆延時間隔，使到達被保護點的爆炸波主振相錯開約半個周期，從而降低爆破振動。據波動理論，爆破振動波可認為是由一系列簡諧波合成，即

(1)

式中：ωi為第i個振動波的角頻率；t為振動持續(xù)時間；Δti為炮孔起爆間隔時間；φ為初相位，對同一測點初始相位差可忽略不計；函數Ai(t)為第i個振動波形包絡線。

據上述思路，經計算可得主振頻域內各諧波半個相位差的時間最小約為1/2f，其中f為主振頻率，一般為10～60 Hz。當電子雷管起爆延時精度為1 ms時，起爆延時誤差一般不超過主振動波半個相位時間差的1/10。

2.2 爆破參數設計

選擇隧道上半斷面爆破設計方案為主介紹爆破參數。如圖2所示，4號出入口隧道上臺階高3.5 m，開挖斷面21 m2，設計循環(huán)進尺1.0 m，孔深1.2 m，采用TY-28鑿巖機成孔，孔徑42 mm。掏槽區(qū)位于上臺階中部，按“對稱、雙層、對應，無壓抬”原則布置復式楔形豎向掏槽孔。共設炮孔113個，其中：掏槽孔14個，輔助掏槽孔6個，內圈孔49個，周邊孔28個，底板孔16個；周邊孔距40 cm，底板孔距50 cm，孔圈距50～60 cm；抵抗線按孔間距約1.5倍設置；總裝藥量62.6 kg；裝藥結構除周邊孔采取間隔裝藥外，其余孔均采取連續(xù)裝藥；炮孔封堵就地取用紅黏土，封堵密實且要求有一定強度，孔內除裝藥部分全部封堵，封堵長度不小于30 cm。根據文獻[5]提出的單孔單響錯相減震原理和貴陽地區(qū)相關隧道爆破經驗，分別計算各炮孔裝藥量和數碼電子雷管起爆授時，結果如表1所示，其中最大單孔裝藥量0.7 kg(部分輔助孔和底板孔)，平均單耗2.98 kg/m3。

3 爆破振動監(jiān)測及延時錯相調整

3.1 監(jiān)測方案

爆破振動監(jiān)測按每炮必測的原則，選用無線網絡三分量測振儀，采取無人值守監(jiān)測，智能遠程數據采集，實時掌握測點爆破振速及波形圖，測點主要布置在最不安全的老舊建筑物處、隧道頂部重要管線部位、已建成地鐵車站隧道壁上，具體測點詳見圖1所示。通過試爆采集振速數據，調整數碼電子雷管微差起爆時間，以實現(xiàn)錯相減震。

3.2 監(jiān)測數據分析

據試爆監(jiān)測數據，1#、2#、4#測點爆破振速均小于《爆破安全規(guī)程》(GB6722—2014)[9]規(guī)定的安全允許振速標準2.50 cm/s，其中4#測點最大振速僅0.89 cm/s，爆破振動頻率和振速控制基本達預期。但3#測點(老凱里酸湯魚飯店)處單分量振速峰值2.71 cm/s，矢量和速度峰值達3.54 cm/s，超過安全允許振速標準。3#測點處采集的振速波形見圖3。

表1 隧道上臺階爆破參數統(tǒng)計表Table 1 Blasting parameters of tunnel upper bench

3.3 電子雷管錯相減震授時優(yōu)化

據爆破設計方案，1～14#孔為掏槽孔，15～20#孔為輔助掏槽孔，其中14個掏槽孔總延時101 ms，而圖3所示3#測點拾振器從觸發(fā)至最大振速時刻歷時約95 ms。因爆心距較小，可初步判斷3#測點振速超標主要由1～14#掏槽孔單孔微差爆破產生的振速波疊加引起。因此，結合工程實際，為簡化現(xiàn)場操作，在單孔裝藥量保持不變情況下僅調整1～24#孔爆破振動相對較大孔位的電子雷管微差授時。

據試爆監(jiān)測數據，出入口隧道場地爆破振動主頻范圍80～87Hz，一個振動周期時長約11.5～12.5 ms，相鄰炮孔之間爆破振動波形的主振相錯開π時對應時差為5.75～6.25 ms。由上述分析可知，據3#測點拾取的爆破振動波形最大振速對應的歷時時長，可適當減小14個掏槽孔的起爆時差，同時增加6個輔助掏槽孔的起爆時差，控制孔間振動波主振相錯開時長接近0.5個周期，從而提高錯相減震的實施效果。表2給出了1～20#孔電子雷管授時調整前后數據，其它孔起爆授時同表1。

4 錯相減震實施效果

據表2參數調整各炮孔之間起爆授時再次實施爆破，各測點最大振速均小于安全允許振速2.5 cm/s，其中3#測點最大振速1.39 cm/s(見圖4)，相對第一次試爆最大振速2.71 cm/s，減小48.7%。

據上述爆破振速監(jiān)測數據和現(xiàn)場調查，4號出入口隧道臨近老舊民房區(qū)域爆破未對周邊建筑物產生不良影響。試爆結果表明，在不減少單孔裝藥量情況下通過合理控制炮孔之間電子雷管起爆延時，可將爆破振速控制在安全允許振速0.5 cm/s以下。同時，省醫(yī)站4號出入口隧道開挖日平均進尺1.0 m，相較目標工期提前5 d。

表2 隧道上臺階電子雷管起爆授時調整對比表Table 2 Comparison of initiation time delay of electronic detonator on tunnel upper step

5 結論

依托貴陽市軌道交通2號線省醫(yī)站4號出入口隧道工程，通過開展數碼電子雷管錯相減震爆破試驗，分析了臨近老舊建筑物最不利位置的爆破振動響應規(guī)律，據此優(yōu)化了各炮孔之間電子雷管授時，實現(xiàn)了應用電子雷管錯相減震的防護目的，得到如下結論和建議：

(1)因不同段別的非電毫秒雷管微差延時起爆誤差較大，爆破振動波易發(fā)生疊加，難以適于城區(qū)緊鄰建筑物爆破施工，而通過對數碼電子雷管精確授時，可實現(xiàn)單孔單響起爆錯相減震，大幅度降低爆破振速，為城區(qū)復雜環(huán)境下硬巖地層地鐵工程爆破施工提供了遴選技術路徑。

(2)數碼電子雷管錯相減震的效果，受場地地形和地質條件、爆心距、掏槽孔數量、單孔裝藥量、孔間延時等多個因素影響，當場地條件一定時掏槽區(qū)爆破參數依然是降低爆破振動強度的關鍵。本案例中風化白云巖地層隧道爆破采用14孔逐孔掏槽、0.6 kg(里掏槽孔)和0.8 kg(外掏槽孔)單孔藥量、6 ms(掏槽孔)和13 ms(輔助掏槽孔)孔間延時，為后續(xù)逐孔起爆創(chuàng)造了良好臨空面，減震效果較好。

(3)基于電子雷管逐孔爆破現(xiàn)場監(jiān)測數據，中風化白云巖場地爆破振動主頻范圍80～87 Hz，振動周期約11.5～12.5 ms，相鄰炮孔之間爆破振動波形主振相錯開半個周期時對應時差為5.75～6.25 ms。上述參數可供類似場地條件下爆破設計參考。

(4)數碼電子雷管逐孔爆破參數設計尚無成熟理論方法。工程實踐中，通過現(xiàn)場試爆，采集爆破振動數據，進行信號頻譜分析，基于數碼電子雷管錯相減震設計原則，對電子雷管單孔起爆時差進行精確授時，是實現(xiàn)錯相減震的關鍵環(huán)節(jié)。