數(shù)碼電子雷管降振試驗研究及爆破振動的控制措施

蔣 鋼

（中鐵建大橋工程局集團(tuán)第二工程有限公司，廣東 深圳 518083）

0 引言

與淺孔臺階控制爆破相比，中深孔臺階控制爆破是一種高效的施工技術(shù)，廣泛應(yīng)用于建筑工程、城際交通軌道、地鐵工程等領(lǐng)域。

在地鐵車站基坑開挖工程中，根據(jù)以往工程經(jīng)驗，綜合考慮土石方開挖量較大、作業(yè)條件有限、機械設(shè)備操作不便等因素，采用中深孔臺階控制爆破技術(shù)進(jìn)行土石方開挖，將是既經(jīng)濟(jì)、又安全、又高效的施工工藝。但是實際爆破施工過程中也避免不了會帶來一些有害效應(yīng)。例如爆破飛石、爆破振動、噪聲、粉塵、沖擊波等有害效應(yīng)。隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，國家制定了有關(guān)法律法規(guī)及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，明確規(guī)定了由爆破施工引發(fā)有害效應(yīng)的安全允許值。為了從科學(xué)的角度給出爆破工程的最優(yōu)方案，分析研究爆破有害效應(yīng)的影響因素及控制技術(shù)，從而提出對應(yīng)的控制措施，降低或消除爆破振動帶來的有害效應(yīng)，同時取得良好的爆破效果，是工程爆破研究主攻方向和重點。

1 工程應(yīng)用

1.1 工程概況及周邊環(huán)境

深圳市城市軌道交通16 號線工程施工總承包三工區(qū)主體工程總共包括5 站4 區(qū)間，需爆破處理的是龍平站車站深基坑石方爆破，龍平站車站全長 192.48m，深度 26m，標(biāo)準(zhǔn)段寬 22.4m。車站結(jié)構(gòu)形式為三層雙柱三跨箱型框架結(jié)構(gòu)，與21 號線換乘。采用明挖法半覆蓋施工，基坑開挖至底部前，一側(cè)頂板已施工完，恢復(fù)路面通車。巖層厚度在10m～19m，爆破石方量約76000m3。

爆區(qū)周邊環(huán)境：龍平車站基坑位于龍平東路與龍園路交界處，基坑周邊有待拆民房，拆除后邊線北側(cè)30m、80m、35m 處為民房；基坑邊線南側(cè)30m、34m 處為民房。安全允許振速控制在0.02m/s 以內(nèi)。

工程地質(zhì)地情況為巖土地質(zhì)，從上至下地層依次為1-1粉質(zhì)黏土素填土、1-2 碎石填土、7-2-3 含礫粉質(zhì)黏土、30-1-3 全風(fēng)化砂巖、31-4-12 微風(fēng)化灰?guī)r。

1.2 爆破設(shè)計方案

根據(jù)爆破區(qū)域周邊環(huán)境及工期要求，距圍護(hù)結(jié)構(gòu)2m 內(nèi)采用靜態(tài)破碎方式；距建筑物30m 以外范圍采用76mm 孔徑中深孔臺階控制爆破；起爆網(wǎng)路采用毫秒延期導(dǎo)爆管起爆網(wǎng)路，必要時采用數(shù)碼電子雷管起爆網(wǎng)路降振。爆破防護(hù)采用孔口防護(hù)和基坑口防護(hù)相結(jié)合的方式，孔口防護(hù)采用砂包+炮被形式進(jìn)行覆蓋；基坑口方式是利用基坑上部的支撐橫梁，在上面架設(shè)工字鋼并放置活動鋼板，鋼板寬度不小于1.2m，長度不小于9m，厚度不小于12mm，再在鋼板迎炮面掛層膠皮或炮被，用來降低爆破噪音以及加強加蓋防護(hù)的強度。鋼板鋪設(shè)后再用長工字鋼橫向?qū)?shù)塊鋼板串聯(lián)成整體，兩端設(shè)置固定栓環(huán)。加蓋防護(hù)時或撤銷防護(hù)時用吊車移動，便于土石方外運?；觾?nèi)鋼支撐及鋼筋砼橫梁的保護(hù)采用炮被纏繞保護(hù)，在加上爆破體表面覆蓋防護(hù)，可確保不會對其造成損害。

為了比較數(shù)碼電子雷管起爆網(wǎng)路和毫秒延期導(dǎo)爆管雷管起爆網(wǎng)路的振動強度，定量地確認(rèn)數(shù)碼電子雷管起爆網(wǎng)路的降振效果，該文進(jìn)行了一組對比試爆，對每次爆破進(jìn)行振動監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果調(diào)整和控制同段最大裝藥量，確保振速不超標(biāo)。

1.3 爆破試驗

結(jié)合工程實際情況，該文進(jìn)行了兩次爆破試驗，并同時進(jìn)行爆破振動監(jiān)測。

第一次試驗：采用毫秒延期導(dǎo)爆管起爆網(wǎng)路，逐孔起爆。炮孔直徑76mm，藥卷直徑60mm（1 號巖石乳化炸藥）。采用長方形布孔，鉆孔20 個，4 排孔，每排5 個孔。臺階高度5m，超深0.5m，孔距為2m，排距為2.5 米，每孔的藥量為10kg，炸藥單耗為0.40kg/m3?？變?nèi)裝MS11 段導(dǎo)爆管雷管（名義延期時間460ms），孔間用MS3 段導(dǎo)爆管雷管（名義延期時間50ms）接力，排間用MS5 段導(dǎo)爆管雷管（名義延期時間110ms）接力，齊爆總藥量即單孔藥量為10kg，正常連續(xù)裝藥，起爆雷管置于藥卷中部或下部，可采用正向和反向起爆。填塞采用鉆孔巖粉或砂質(zhì)粘土，有水時宜用粗米石回填。炮孔壓層沙包+兩層炮被，炮被覆蓋時交錯壓縫，覆蓋范圍超出邊孔1.5 倍抵抗線。

起爆順序如圖1 所示。

第二次試驗：采用數(shù)碼電子雷管逐孔起爆網(wǎng)路。炮孔直徑76mm，藥卷直徑60mm（1 號巖石乳化炸藥）。采用長方形布孔，鉆孔20 個，4 排孔，每排5 個孔。臺階高度5m，超深0.5m，孔距為2m，排距為2.5 米，每孔的藥量為10 kg，炸藥單耗為0.40kg/m3?？组g雷管延期時間為50ms，排間雷管延期時間為110ms，齊爆總藥量即單孔藥量為10kg，正常連續(xù)裝藥，起爆雷管置于藥卷中部或下部，可采用正向和反向起爆。填塞采用鉆孔巖粉或砂質(zhì)粘土，有水時宜用粗米石回填。炮孔壓層沙包+兩層炮被，炮被覆蓋時交錯壓縫，覆蓋范圍超出邊孔1.5 倍抵抗線。

起爆順序如圖2 所示。

爆破振動監(jiān)測采用三矢量振動速度傳感器、低噪音屏蔽電纜、TC-4850 型便攜式測振儀和計算機組成的監(jiān)測系統(tǒng)，測點距爆區(qū)30 米。

1.4 試驗結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

試驗結(jié)果見表1。

表1 試驗結(jié)果

試驗數(shù)據(jù)表明，當(dāng)同段或齊爆藥量相同時，數(shù)碼電子雷管降振率達(dá)46.5%。其原因主要是普通毫秒延期導(dǎo)爆管雷管精度低、誤差大（誤差一般可達(dá)±10%），而數(shù)碼電子雷管精度高（誤差一般≤±0.1%），因此，導(dǎo)爆管雷管相鄰段別的爆破振動主震相可能疊加，即產(chǎn)生“重段”現(xiàn)象，從而增強了爆破振動強度。

2 控制爆破振動的措施

在爆破工程施工中，當(dāng)爆破振動達(dá)到一定的強度時，產(chǎn)生的爆破振動有害效應(yīng)對爆區(qū)附近建構(gòu)筑物會造成一定程度的損害。比如建構(gòu)筑物主體開裂、結(jié)構(gòu)失穩(wěn)等現(xiàn)象。

在滿足主體工程要求的同時，爆破施工應(yīng)盡可能地降低爆破振動有害效應(yīng)，通過總結(jié)長期爆破實踐經(jīng)驗，有效控制爆破振動的措施包括：

（1）采用毫秒延期爆破，把一次爆破藥量要劃分成多段形式，并進(jìn)行毫秒級別的延期起爆操作，能夠讓爆破振動的豎峰值減少過程中被單項最高藥量控制的情況，以此能夠讓一次爆破規(guī)模提升很多倍，并且不會出現(xiàn)超強振動現(xiàn)象。國內(nèi)一些工程實驗表明，毫秒延期爆破爆破比齊發(fā)爆破平均降振率達(dá)到50%或以上，微差段數(shù)越多，其降振效果越好。根據(jù)試驗結(jié)果，該工程施工中全部采用數(shù)碼電子雷管，一孔一段。由于數(shù)碼電子雷管精度高，因此避免了“重段”現(xiàn)象的發(fā)生。

（2）采用數(shù)碼電子雷管進(jìn)行錯峰降振。利用數(shù)碼電子雷管精度高的特點，當(dāng)段間延期時間大于8 毫秒時，使相鄰段別的爆破振動主震相不疊加，從而降低爆破振動強度。根據(jù)該工程的試驗結(jié)果，數(shù)碼電子雷管降振率可達(dá)46.5%。施工中采用試驗爆破的延期時間，即孔間50ms，排間110ms，段間10ms。

（3）對每次爆破進(jìn)行振動監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果及時調(diào)整同段最大藥量，以保證振速不超過允許安全振動速度。被保護(hù)物的允許安全振動速度確定后，根據(jù)公式1 計算同段最大用藥量。

該工程規(guī)定的允許安全振動速度為0.01m/s，設(shè)置的預(yù)警值為0.008m/s。當(dāng)實測振動速度達(dá)到0.008m/s 時，及時采取控制措施，確保振動速度不超標(biāo)。

（4）選擇預(yù)裂爆破方式。如果保護(hù)對象與爆炸區(qū)的間距很小，可以在爆炸區(qū)周圍建設(shè)一個預(yù)裂隔振帶。預(yù)裂孔為一排方式或者多排方式，能夠在減少主爆破孔地震效應(yīng)中產(chǎn)生較為理想的作用。不過需要注意的是，預(yù)裂爆破仍屬于地震效應(yīng)。施工中，在基坑周邊距圍護(hù)結(jié)構(gòu)2m 處進(jìn)行預(yù)裂爆破降振。預(yù)裂爆破孔徑76mm，孔距0.8m，孔深6m～12m，線裝藥密度0.4kg/m。為減小預(yù)裂爆破的振動強度，采用數(shù)碼電子雷管單孔起爆，孔間延期時間25ms。

（5）在爆破體和被保護(hù)物之間鉆鑿進(jìn)行沒有裝藥的單或雙排減震孔，能夠產(chǎn)生的降振率參數(shù)區(qū)間是30%～50%。其中，可選擇減震孔對應(yīng)的孔徑參數(shù)區(qū)間是35mm～76mm，其孔間凈距不超過25cm，孔深應(yīng)超過裝藥炮孔1m 以上。施工中，還在被保護(hù)建筑物基礎(chǔ)外側(cè)2m 處鉆鑿兩排減震孔。減震孔孔徑76mm，孔深15～20m，孔間凈距15cm。爆破施工完成后，用水泥砂漿對減震孔進(jìn)行回填。

圖1 毫秒延期導(dǎo)爆管雷管起爆順序示意圖

圖2 數(shù)碼電子雷管起爆順序示意圖

（6）如果是土層介質(zhì)，能夠進(jìn)行減振溝的開挖操作，需要盡量讓減振溝深度參數(shù)更深一些，需要以施工便捷作為核心關(guān)注點，以多于主藥包深度的50cm 為最佳。施工經(jīng)驗表明，在爆區(qū)與被保護(hù)物之間開挖減振溝可以減小爆破振動，而且減小的幅度很大（為5%-10%）。

（7）應(yīng)用數(shù)碼電子雷管達(dá)到干擾降震效果。采用數(shù)碼電子雷管起爆網(wǎng)絡(luò)，不但可以起到減少單響藥量的作用，同時還可以使振動波波峰和波谷疊加干擾降振的作用。合理選擇兩次爆炸的時間間隔，使后爆破孔產(chǎn)生的地震波的波峰和先爆炸孔產(chǎn)生的地震波的波谷于同一時間到達(dá)，干擾疊加后振幅明顯減小，爆炸后產(chǎn)生的有害效應(yīng)大幅度降低。當(dāng)采用數(shù)碼電子雷管網(wǎng)路爆破時，在爆破振動不會對被保護(hù)物造成危害前提下，可以擴大爆破規(guī)模，提高爆破效率，為施工項目縮短工期。

（8）在設(shè)計爆破時應(yīng)盡可能選擇如下所述的技術(shù)方案：

①選擇合理的最小抵抗線方向。由于在最小抵抗線方向臨空面與裝藥中心線之間的距離最短，介質(zhì)質(zhì)點受到的約束力最小，不僅裂隙易于發(fā)展，而且壓縮應(yīng)力波首先到達(dá)并發(fā)生反射，使介質(zhì)進(jìn)一步破裂殘碎塊，爆炸氣體也易于鉆進(jìn)裂隙推動碎塊分離，爆炸氣體也從這個方向沖出，這樣就使爆炸能量中有更多的一部分形成空氣沖擊波，轉(zhuǎn)化為地震波的能量相對減小，爆破震動的強度隨之減弱。在爆破過程中，處于最低抵抗線方向中的爆破振動強度參數(shù)為最小值，與其方向相反時的爆破振動強度參數(shù)為最高值，在其側(cè)向位置時的爆破振動強度參數(shù)處于二者之間。

②不斷加大藥量分布的臨空面與分散狀態(tài)。根據(jù)爆破試驗研究得知，松動條件良好的炮孔爆破，即靠近臨空面的炮孔爆破時產(chǎn)生的爆破振動小。因此，爆破施工中必須有充分的臨空面。配合微差技術(shù)，使所有炮孔均能有良好的臨空面，以便使炮孔爆破后，特別是后排炮孔爆破后產(chǎn)生的壓縮波可以從這些臨空面反射，獲得最大的松動，以達(dá)到降低爆破振動的效果。施工中全部采用清渣爆破，使前排孔具有良好的臨空面。

③選擇低密度與低爆速的炸藥類型。例如，將爆速較高（4000～5500m/s）、密度較大（1.2～1.5g/cm）的乳化炸藥、漿狀炸藥換成爆速較低（3200～3500m/s）、密度較?。?.8～0.9g/cm）的銨油炸藥，可以顯著降低爆破振動。試驗研究表明，炸藥的波阻抗（炸藥密度與爆速的乘積）不同，爆破振動強度也不同，波阻抗越大，爆破振動強度也越大。當(dāng)炸藥的波阻抗越接近巖石的波阻抗（巖石密度與縱波速度的乘積），則振動強度會更大。若將炸藥的爆速由3200m/s 降到1800m/s 時，其振動強度就可降低40%～60%。由于民爆器材銷售單位不能供應(yīng)銨油炸藥（爆速2800m/s），因此施工中將原方案設(shè)計的1號巖石乳化炸藥（爆速4500m/s）改為2 號巖石乳化炸藥（爆速3200m/s）。

④采用不耦合裝藥（徑向不耦合裝藥或軸向不耦合裝藥），降低炮孔壓力，從而減少地震波的能量。大量實踐爆破測振統(tǒng)計表明不耦合裝藥比耦合裝藥可減振20%～40%。施工中將原方案設(shè)計的φ60 藥卷改為φ50 藥卷，不耦合系數(shù)增加到1.52。

⑤選擇合理的傳爆方向。在爆破設(shè)計時，將傳爆方向背向被保護(hù)物體，這樣距被保護(hù)物體較近的炮孔先起爆，距被保護(hù)物體較遠(yuǎn)的炮孔依次起爆，先起爆的炮孔將礦巖破碎后，破碎礦巖將阻礙后起爆的炮孔產(chǎn)生的地震波向被保護(hù)物體的傳播，一定程度上降低了被保護(hù)物體處的爆破震動強度，從而使被保護(hù)物體所受的破壞減輕。

⑥縮小孔網(wǎng)參數(shù)，調(diào)整裝藥結(jié)構(gòu)。在距離被保護(hù)物體較近時，可采用適當(dāng)縮小孔距、排距，改連續(xù)裝藥為分段間隔裝藥，炮孔上部的裝藥先起爆，炮孔底部的裝藥后起爆，可大大地降低爆破震動的強度。這是因為縮小孔網(wǎng)參數(shù)后，將減少每一個炮孔的裝藥量；分段間隔裝藥后，又將每一個炮孔的藥量分成兩部分以上，這樣最大一段的起瀑藥量將大大減少，且底部先起爆產(chǎn)生的上部破碎巖石也減少了炮孔下部裝藥的夾制作用，也就減少了轉(zhuǎn)化為的地震波的能量。施工中將原方案設(shè)計的孔網(wǎng)參數(shù)2.1×2.5m 調(diào)整為1.8×2.1m，單孔裝藥量也由10kg/孔減少為7kg/孔。

⑦采取分次爆破。將一次起爆藥量控制在安全允許范圍內(nèi)。在復(fù)雜環(huán)境中多次進(jìn)行爆破作業(yè)時，應(yīng)從確保安全的一次起爆藥量開始試爆，逐步增加到安全允許藥量，并按允許藥量控制一次爆破規(guī)模。一般從安全允許藥量的1/2 開始試爆，并根據(jù)爆破振動監(jiān)測結(jié)果，逐步增加到安全允許藥量的2/3，以確保爆破振動控制在允許范圍內(nèi)。

3 結(jié)論

通過該工程試驗看出，數(shù)碼電子雷管起爆網(wǎng)路在降低爆破振動方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過普通毫秒延期雷管導(dǎo)爆管起爆網(wǎng)路。與通常采用的孔間3 段（MS3）、排間5 段（MS5）接力的導(dǎo)爆管雷管逐孔起爆相比，數(shù)碼電子雷管在相同延期時間下的逐孔起爆可以顯著降低爆破振動，降振率可達(dá)46.5%。對每次爆破進(jìn)行振動監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果調(diào)整同段最大裝藥量是控制爆破振動不超標(biāo)的主要措施。采用綜合技術(shù)措施降低爆破振動是以后爆破工程中常用的工法。今后應(yīng)加強對數(shù)碼電子雷管干擾降震效果的定量研究。