基于軟巖爆破電子雷管延時優(yōu)選與預(yù)測振速

譚成馳，程貴海，李修賢，梁陸佳

(廣西大學(xué) 資源環(huán)境與材料學(xué)院，南寧 530004)

近幾十年來，為了滿足國家經(jīng)濟的發(fā)展，交通也不斷得到提升，其中鐵路的建設(shè)是重要的組成部分。但在鐵路施工時必然會使用爆破，然而爆破振動是最主要的危害。在復(fù)雜軟巖地質(zhì)情況下隧道掘進時，若爆破稍微不注意時將會造成附近的建筑(構(gòu))物出現(xiàn)裂縫、損傷，嚴(yán)重時會造成隧道塌方或者大變形等現(xiàn)象。因此，國內(nèi)外大量工作者繞著相關(guān)的方面做了大量的研究和試驗，總結(jié)了許多相應(yīng)的爆破降振措施：一方面研究軟巖隧道施工中遇到的問題以及解決的辦法[1-4]，另一方面運用干擾的原理解決大規(guī)模起爆和振動控制安全的問題[5-8]。隨著建設(shè)的進步，國內(nèi)逐漸實現(xiàn)爆破降振技術(shù)，主要分為三大微差起爆技術(shù)，分別為孔內(nèi)微差起爆技術(shù)、大區(qū)微差爆破技術(shù)、等間隔微差起爆技術(shù)[9]。陳士海等分析了孔內(nèi)不同的延時對干擾的不同影響[10]。

邱賢陽等對比了數(shù)碼雷管和普通雷管的抑制振動效果，結(jié)果表明數(shù)碼雷管比普通雷管抑制振動效果高30%～50%[11]；何理等通過地震波頻率和線性疊加方法優(yōu)選出電子雷管的延時時間，擺脫了傳統(tǒng)方法僅能估算特定監(jiān)測點處最優(yōu)延時的限制[12]。

雖然在這方面各專家做了大量的研究，但存在一定的缺陷：一方面是只停留在理論上并沒有結(jié)合實際情況進行施工，另一方面只是在現(xiàn)場做實驗，并沒有進行理論模擬或者進行仿真。故本文結(jié)合已有文獻和實際施工經(jīng)驗進行總結(jié)，從而得出理論結(jié)合實際的成果，解決了單一的問題，真正地解決了理論結(jié)合實際施工的問題。以國內(nèi)某軟巖隧道掘進爆破為例，開展對電子雷管延時優(yōu)化爆破振動監(jiān)測試驗，通過試爆找出主振頻譜的演變規(guī)律；基于地震波的線性干擾原理，結(jié)合主頻建立電子雷管延期時間的確定，從而達到減振的效果。最后通過薩道夫斯基公式結(jié)合線性回歸分析理論建立符合現(xiàn)場地質(zhì)情況的薩道夫斯基振動衰減公式，從而能夠在軟巖隧道爆破中預(yù)測振速。研究的成果可以在軟巖隧道爆破開挖中作為參考。

1 爆破實驗前期準(zhǔn)備

1.1 爆破環(huán)境概括

爆破振動試驗在某軟巖隧道開挖時進行，由于大部分工作面緊鄰機場、國道、光纜和一家加油站(開工時停止使用)，因此爆破有害作為重點防護，尤其是對爆破振動要嚴(yán)格控制。

1.2 爆破參數(shù)與測振方案

根據(jù)實際的爆破施工情況，炮孔直徑為φ42 mm，使用連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)，孔內(nèi)底部采用單發(fā)電子雷管反向起爆，填塞長度靈活運用。試爆時單段電子雷管延時設(shè)置為25 ms，爆破深度為1.1 m，單孔裝藥0.6 kg，填塞長度為0.7 m，單段總藥量控制在5 kg以內(nèi)。

為了真實地反映在軟巖地質(zhì)條件下隧道爆破開挖爆破振動的信號，需要監(jiān)測試爆的數(shù)據(jù)[13]，然后再進行研究。分別距爆心距111、138、155、213 m、共布置4個測振點，每個測點放置一臺中國科學(xué)院成都中科測控公司的TC-4850爆破測振儀，4個振動監(jiān)測點分別在隧道的兩側(cè)，目的是盡可能減少因地質(zhì)差異引起誤差，如圖1所示。根據(jù)實際情況，在試爆中選擇單段的延時時間為25 ms，采用數(shù)碼雷管進行起爆。試爆完后收集4個測點的監(jiān)測指標(biāo)(主頻、振動峰值)，若其中一指標(biāo)之間的誤差較大，則需要重復(fù)進行試爆，直至爆破監(jiān)測的數(shù)據(jù)趨于平穩(wěn)。試爆數(shù)據(jù)見表1。

圖1 測點位置

表1 試爆各數(shù)據(jù)

2 波形疊加干擾原理

若前后爆破微差延時選擇合理，則前一次爆破與后一次爆破的地震波會使波谷與波峰相遇，由波形疊加的線性原理可知，疊加后的總振幅和振動明顯降低，以此來降低爆破振動對周圍環(huán)境的影響。

當(dāng)兩列波錯相相遇時，雖然波形在介質(zhì)傳播中是隨機波形，但是可以借鑒和參考正弦函數(shù)進行分析。假設(shè)在爆破時產(chǎn)生的兩列波的振幅B和頻率ω相同，其相位角不同但傳播的方向一致[14]。

分別設(shè)這兩列波為y1=Bsin(ωt-β)，y2=Bsin(ωt-μ)。

兩列波在爆破后在同一方向上進行疊加，即

Y=y1+y2=Bsin(ωt-β)+Bsin(ωt-μ)

(1)

式中：Y為疊加振幅；y1、y2為子振幅；β、μ為相位角；t為時刻。

將式(1)化簡得

(2)

由式(2)知疊加振幅的大小由相位角決定，當(dāng)相位角滿足一定條件時兩列波有明顯的相互干擾現(xiàn)象，即滿足

(3)

從式(3)推出

(4)

令Δt為由兩列波的相位角到達監(jiān)測點的時間差，即

(5)

將式(2)～式(5)代入式(4)化簡后得

(6)

此時理論上兩列波能夠滿足此條件，即可實現(xiàn)疊加錯相干擾降低振動。但是在實際的爆破施工中影響振動效應(yīng)的是主振動區(qū)域的振動最為關(guān)鍵，而在主振動區(qū)域波形疊加效果主要集中在1～2振幅內(nèi)，后面的振幅對振動的影響會越來越小。因此，能夠達到波形疊加干擾減振效果的關(guān)鍵在于初始振幅的產(chǎn)生，即

(7)

3 電子雷管延時的優(yōu)選方法

使用電子雷管起爆網(wǎng)絡(luò)來分析爆破干擾降振實驗，當(dāng)電子雷管延時時間滿足Δt時，則可使波形疊加相互干擾理論轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實，最終能夠?qū)崿F(xiàn)在同等條件下爆破振動有所降低。通過試爆實驗，總結(jié)出主頻演化規(guī)律，并根據(jù)式(7)求出電子雷管的延時。

試爆實驗得出主頻為55 Hz，計算出電子雷管延時時間為38～76 ms，最后進行實驗得單段電子雷管延時設(shè)置為55 ms時在軟巖隧道爆破干擾降振效果最好。

4 爆破振動分析

依據(jù)中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)《爆破安全規(guī)程》以及國內(nèi)外的研究可知，當(dāng)前計算振速時普遍運用薩道夫斯基公式，即

(8)

式中：R為爆心距,m;V為監(jiān)測點振速,cm/s；Q為最大單段炸藥量，kg；k、α為爆破區(qū)域以及附近地形、地質(zhì)等條件有關(guān)的系數(shù)和衰減系數(shù)。

4.1 建立線性模型

根據(jù)試驗后爆破所得的振動數(shù)據(jù)，利用最小二乘法將薩道夫斯基公式進行線性分析，將式(8)等號兩邊取對數(shù)可得[15]

(9)

y=ax+b

(10)

式中：

將現(xiàn)場實測4組數(shù)據(jù)的R、V、Q代入式(10)中，采用最小二乘法計算出a=1.806 6,b=2.59,α=1.806 6,k=389.01。根據(jù)相關(guān)系數(shù)建立預(yù)測模型：

(11)

通過表2的誤差計算可知：#1、#4號監(jiān)測點的誤差率為正值，該兩點的監(jiān)測振速均沒有超過預(yù)測振速；#2、#3號監(jiān)測點的誤率差為負(fù)值，該兩點的監(jiān)測振速均超過預(yù)測振速，其中#2監(jiān)測點誤差率最大，達到15.1%。對其誤差進行分析：

表2 實測振速與預(yù)測振速誤差

1)爆破區(qū)域的環(huán)境和地質(zhì)條件復(fù)雜，測振儀所處方位各不相同，所以地震波在傳播到監(jiān)測點的過程中經(jīng)歷不同的介質(zhì)，從而造成地震波在傳播過程的衰減有較大的差異。

2)薩道夫斯基公式?jīng)]有將高程差的影響因素考慮進去[16]，在復(fù)雜的地質(zhì)條件下爆破區(qū)域會因高程差影響預(yù)測振速的精度(高差30 m左右)，從而造成了實測振速與預(yù)測振速有較大的差異。

4.2 效果分析

從以上的數(shù)據(jù)可知，在同等條件下使用波形疊加干擾原理有明顯的降振效果，爆破實驗的振動數(shù)據(jù)相對于試爆振動數(shù)據(jù)最大降低了36.5%，監(jiān)測點#1降低36.5%，監(jiān)測點#2降低22.3%，監(jiān)測點#3降低13.04%，監(jiān)測點#4降低31.03%。各爆速對照如圖2所示。

圖2 各爆速對照

5 結(jié)論

實驗表明，通過設(shè)置合理的孔內(nèi)延時時間，采用電子雷管網(wǎng)絡(luò)起爆，在一定的程度上能實現(xiàn)波形間錯相干擾，降低了爆破振動。

1)在軟巖隧道進行爆破時單段電子雷管延時設(shè)置為75 ms時，可以將波形錯相干擾的理論實現(xiàn)達到降低爆破振動的效果，在同等的條件下爆破實驗后的振動數(shù)據(jù)相對于試爆振動數(shù)據(jù)最大降低了36.5%。

2)根據(jù)實際的地質(zhì)情況，利用薩道夫斯基公式和線性回歸分析理論將實驗得到的振動數(shù)據(jù)進行分析可知α=1.806 6(1.8～2.0)在國家的規(guī)定范圍內(nèi)，但k=389.01(250～350)不在國家的范圍內(nèi)。通過建立薩道夫斯基公式模型預(yù)測出爆破振速，根據(jù)預(yù)測的數(shù)據(jù)調(diào)整爆破的參數(shù)，降低振動對地表各建筑(構(gòu))物的影響。