公路隧道復(fù)式交叉跨越混聯(lián)預(yù)裂爆破網(wǎng)路技術(shù)研究

徐行軍，黃樹榕，程玉泉

(1.福建船政交通職業(yè)學(xué)院 土木工程學(xué)院，福州 350007；2.中交一公局廈門工程有限公司，廈門 361021)

隨著國家公路基礎(chǔ)建設(shè)規(guī)模的增大，各種基建中涉及到的深孔、淺孔梯段爆破、隧道爆破和建筑物拆除爆破的要求日益嚴(yán)格。比如限制爆破藥量，就得增加分段數(shù)，有時最多分段達(dá)數(shù)百段，這時電爆網(wǎng)路已不能滿足工程設(shè)計的要求，只能采用非電起爆網(wǎng)路。非電起爆網(wǎng)路與電爆網(wǎng)路一樣，有準(zhǔn)確可靠的起爆時差，在復(fù)雜的電、磁場、雷雨天氣環(huán)境，產(chǎn)生誤爆的概率大大減少；同時，在網(wǎng)路布設(shè)、安全防護(hù)以及起爆方式比較簡便。但是在實際運(yùn)用中，因非電系統(tǒng)的不可用儀器檢查，網(wǎng)路存在可能拒爆、斷爆、網(wǎng)路被拉斷等現(xiàn)象。必須分析網(wǎng)路各種拒爆隱患產(chǎn)生的原因，提出具體措施和對策，設(shè)計科學(xué)的起爆網(wǎng)路，最大限度地提高準(zhǔn)爆率，減少或避免拒爆事故，提高網(wǎng)路的可靠性，消除拒爆隱患，實現(xiàn)公路隧道控制爆破的安全準(zhǔn)爆[1-3]。

1 工程概況

莆炎高速公路福州段永泰梧桐至尤溪中仙段A4合同段尖峰山公路隧道位于尤溪縣嵩口鎮(zhèn)，路線全長6.157 km，雙向6車道。隧道全長3 556 m，左洞全長3 533 m，右洞全長3 579 m，為特長公路隧道，左右洞呈分離式布置，隧道凈寬14.75 m、凈高5 m，隧道單洞內(nèi)輪廓斷面開挖面積為122.66 m2。隧址區(qū)表層多為第四系殘積坡土，局部可見沖洪積粉質(zhì)黏土，下伏侏羅系南園組(J3n2)晶屑凝灰熔巖、侏羅系梨山組砂巖(夾泥灰?guī)r透鏡體)及其風(fēng)化層。

2 新型起爆網(wǎng)路設(shè)計與特點(diǎn)

常用的隧道爆破為導(dǎo)爆管雷管毫秒微差捆聯(lián)復(fù)式接力網(wǎng)路，對于周邊眼，通常采用光面爆破的形式[4]，由于行業(yè)使用火工品供應(yīng)習(xí)慣、工人操作水平和爆破器材本身質(zhì)量影響，有時會出現(xiàn)個別孔或成片拒爆，或者輪廓面爆破效果不好，需要補(bǔ)炮，這種做法費(fèi)時費(fèi)力，還造成超挖。為此，通過認(rèn)真分析網(wǎng)路可靠性和可能拒爆的原因，提出一種全新的隧道復(fù)式交叉跨越混聯(lián)預(yù)裂爆破起爆網(wǎng)路技術(shù)(見圖1)。

圖1 復(fù)式交叉跨越混聯(lián)預(yù)裂爆破起爆網(wǎng)路示意圖

該網(wǎng)路孔內(nèi)雷管采用捆聯(lián)綁扎，傳爆結(jié)點(diǎn)使用雙發(fā)同段；一發(fā)雷管與前一階的傳爆結(jié)點(diǎn)連接，另一發(fā)雷管與前階傳爆結(jié)點(diǎn)交叉連接[3]，或跨越一個(上跨或下跨)結(jié)點(diǎn)與另一階相連接；周邊預(yù)裂孔比二圈眼提早起爆，采用雙向?qū)П鬟B接方式，孔內(nèi)導(dǎo)爆索尾部為水滴形雙向傳爆環(huán)，孔外導(dǎo)爆索每隔6～8孔彎成Ω索結(jié)，傳爆雷管放在中間，正向綁扎。爆破網(wǎng)路傳爆方式為交叉跨越、雙雷管結(jié)點(diǎn)、雙路傳爆[5]。

3 可靠性計算與分析

起爆網(wǎng)路系統(tǒng)可靠性計算,當(dāng)起爆端的爆轟波通過傳爆結(jié)點(diǎn)依次傳爆。爆轟波不斷傳遞，到達(dá)最遠(yuǎn)端一階結(jié)點(diǎn)時，安全準(zhǔn)爆的可靠度最小，最小的可靠度就為整個起爆網(wǎng)路的可靠度[6]。

3.1 捆聯(lián)的可靠度分析

2發(fā)或以上同段傳爆雷管捆扎制作每1階傳爆結(jié)點(diǎn)，當(dāng)結(jié)點(diǎn)任意一發(fā)雷管引爆，則其結(jié)點(diǎn)傳爆雷管引爆所有連接的雷管。只有當(dāng)所有傳爆雷管均拒爆時，此捆聯(lián)結(jié)點(diǎn)才拒爆。假設(shè)P0為單發(fā)雷管的準(zhǔn)爆率,由此可知，該雷管拒爆概率為(1-P0)，若每個傳爆結(jié)點(diǎn)均采用m發(fā)雷管捆聯(lián)，該傳爆結(jié)點(diǎn)拒爆概率為(1-P0)m，準(zhǔn)爆率P1計算公式為：

P1=1-(1-P0)m。

(1)

若單串聯(lián)網(wǎng)路中，1個結(jié)點(diǎn)由m個同段雷管捆聯(lián)而成，傳爆線路上共有n個結(jié)點(diǎn)，則該網(wǎng)路的準(zhǔn)爆率，用Pn表示，因最后1個傳爆結(jié)點(diǎn)被引爆可能性最低，故視為該結(jié)點(diǎn)的準(zhǔn)爆率即為全網(wǎng)路的準(zhǔn)爆率，則：

Pn=P1n=[1-(1-P0)m]n。

(2)

假設(shè)為P0=97.5%，經(jīng)計算，捆串聯(lián)網(wǎng)路準(zhǔn)爆率見表1。計算結(jié)果證明捆聯(lián)網(wǎng)路具有明顯提高網(wǎng)路準(zhǔn)爆率作用[7]。

表1 捆串聯(lián)網(wǎng)路準(zhǔn)爆率

3.2 跨越式捆串聯(lián)網(wǎng)路

捆串聯(lián)網(wǎng)路如果出現(xiàn)其中任意一傳爆結(jié)點(diǎn)拒爆,則此傳爆結(jié)點(diǎn)后的所有傳爆結(jié)點(diǎn)隨之拒爆，造成整片拒爆，這也是隧道爆破中容易出現(xiàn)的一個現(xiàn)象[8]。為了避免這種現(xiàn)象，將網(wǎng)路改為跨越式捆串聯(lián)網(wǎng)路，即1發(fā)雷管跨越1個傳爆結(jié)點(diǎn)與(上跨或下跨)傳爆結(jié)點(diǎn)相連接。只有上兩階傳爆結(jié)點(diǎn)雷管均拒爆時,下一階的傳爆結(jié)點(diǎn)雷管才會拒爆,最終使這種網(wǎng)路準(zhǔn)爆率得到改善[7]。

用B1，B2，B3，…，Bn表示傳爆結(jié)點(diǎn)，B11，B12，B21，B22，…，Bn1，Bn2表示雷管起爆。另假定起爆端的第1發(fā)雷管準(zhǔn)爆率為1，其他后續(xù)傳爆雷管的準(zhǔn)爆率均為P0=97.5%，則跨越式雙捆串聯(lián)網(wǎng)路的準(zhǔn)爆率為：

(3)

按式(3)計算，結(jié)果見表2，說明跨越式網(wǎng)路具有進(jìn)一步明顯提高網(wǎng)路準(zhǔn)爆率的作用。

表2 跨越式網(wǎng)路與雙捆串聯(lián)網(wǎng)路準(zhǔn)爆率對比

3.3 復(fù)式交叉起爆網(wǎng)路

設(shè)起爆網(wǎng)路第i階傳爆結(jié)點(diǎn)起爆的可靠度為Pi，第i+1階為Pi+1，孔內(nèi)使用單發(fā)雷管，令Pj·P0=Pd，則

Ps=Pn·(Pj·P0)=[2(Pn-1·Pd)-(Pn-1·Pd)2]·Pd，(n≥2)。

(5)

式中：Ps為起爆網(wǎng)路的準(zhǔn)爆率，即設(shè)計可靠度；P0為導(dǎo)爆管雷管的準(zhǔn)爆率；Pj為傳爆結(jié)點(diǎn)的可靠度；n為起爆網(wǎng)路最后一階傳爆結(jié)點(diǎn)的階數(shù)。

計算表明：從1階將爆轟波傳至第n階結(jié)點(diǎn)，共有2n-1條傳爆路徑。只要有1條順暢的傳爆路徑，將爆轟波傳遞至第n階結(jié)點(diǎn)，即可確保該結(jié)點(diǎn)連接的孔內(nèi)雷管被引爆。當(dāng)Pj、P0為定值時，隨傳爆結(jié)點(diǎn)階數(shù)的增加，起爆網(wǎng)路的安全傳爆的可靠度保持不變,即Ps=常數(shù)，傳爆性能非常穩(wěn)定[3，9]。

3.4 雙向傳爆導(dǎo)爆索預(yù)裂爆破起爆網(wǎng)路

隧道周邊孔為預(yù)裂爆破孔，為了加強(qiáng)導(dǎo)爆索網(wǎng)路的可靠性，同時提高輪廓面爆破效果，采用雙向傳爆導(dǎo)爆索網(wǎng)路，周邊預(yù)裂孔比二圈眼提早起爆，孔內(nèi)導(dǎo)爆索尾部為水滴形雙向傳爆環(huán)[8]，確保任何正反向傳遞來的爆轟波均能引爆孔內(nèi)炸藥，孔外導(dǎo)爆索每隔6～8孔的兩孔之間彎成一個Ω索結(jié)，1發(fā)傳爆雷管放在中間，正向綁扎，導(dǎo)爆管接到主網(wǎng)路中，同時，兩側(cè)地腳部位連接的起爆雷管導(dǎo)爆管拉至起爆端傳爆雷管，其他部位的導(dǎo)爆索Ω索結(jié)上傳爆雷管，可以直接捆聯(lián)在附近的傳爆結(jié)點(diǎn)上，確保任意一發(fā)雷管拒爆時均能確保整個導(dǎo)爆索起爆。

綜上所述，隧道復(fù)式交叉跨越混聯(lián)預(yù)裂爆破起爆網(wǎng)路結(jié)合了導(dǎo)爆管雷管捆聯(lián)起爆網(wǎng)路、跨越式起爆網(wǎng)路、復(fù)式交叉網(wǎng)路[9]，以及雙向傳爆導(dǎo)爆索預(yù)裂爆破起爆網(wǎng)路綜合優(yōu)勢，能有效保證隧道爆破安全準(zhǔn)爆。

4 預(yù)裂爆破網(wǎng)路可靠度保證措施

實際上，由于行業(yè)使用火工品供應(yīng)習(xí)慣，生產(chǎn)供應(yīng)的導(dǎo)爆管毫秒延期雷管經(jīng)常為奇數(shù)段。根據(jù)國內(nèi)生產(chǎn)的第一系列導(dǎo)爆管毫秒延期雷管可以知道，8段以后，段與段之間的毫秒延期間隔變大，且毫秒延期的誤差也越來越大，如果采用周邊眼與二圈眼跳段使用的光面爆破，二圈眼起爆時，過長的毫秒間隔，勢必導(dǎo)致二圈眼圍巖鼓包破裂產(chǎn)生飛石，或拉斷導(dǎo)爆管或者導(dǎo)爆索造成拒爆，這是拱頂周邊眼使用導(dǎo)爆索出現(xiàn)拒爆的主要原因。即使不拒爆，輪廓面也會產(chǎn)生齒狀撕裂現(xiàn)象，嚴(yán)重影響輪廓面控制爆破效果。

為了使得二圈眼爆破不破壞周邊孔網(wǎng)路造成拒爆，同時實現(xiàn)預(yù)裂爆破的效果，在山嶺隧道，運(yùn)用周邊孔與二圈眼同段，同時使用如圖1所示的雙向?qū)П鱾鞅W(wǎng)路，當(dāng)周邊孔與二圈眼使用同段時，假設(shè)出現(xiàn)同段雷管延期上、下限值的機(jī)率相等，二圈眼和周邊眼都有一發(fā)雷管先響，二圈眼只有一個任意孔先響，其他剩余的孔均后響。但周邊眼采用的是高爆速的導(dǎo)爆索(約6 000 m/s)[10]，28 m的輪廓線長度的導(dǎo)爆索，不到5 ms均已經(jīng)完成引爆孔內(nèi)導(dǎo)爆索，實現(xiàn)了二圈眼爆破的鼓包破裂產(chǎn)生飛石不會對周邊孔的導(dǎo)爆索和導(dǎo)爆管造成拉斷拒爆的影響，且因周邊眼左右底角部位導(dǎo)爆索的兩發(fā)傳爆雷管直接1階接入起爆端傳爆結(jié)點(diǎn)，拱腰、拱頂起爆雷管接入就近的傳爆結(jié)點(diǎn)，在總網(wǎng)路上連接上實現(xiàn)復(fù)式、雙向、跨越和交叉，確保網(wǎng)路可靠起爆的同時，實現(xiàn)周邊眼相對二圈眼為預(yù)裂爆破的效果，加上切縫聚能預(yù)裂爆破技術(shù)的運(yùn)用，能很好地實現(xiàn)周邊孔輪廓劈裂面的平整[10]。

5 效果分析

從整體網(wǎng)路分析，要讓網(wǎng)路任意結(jié)點(diǎn)后的導(dǎo)爆管雷管拒爆，至少要前面連接的2～4個結(jié)點(diǎn)完全拒爆，該結(jié)點(diǎn)才會拒爆，復(fù)式交叉和跨越式結(jié)合，實現(xiàn)結(jié)點(diǎn)階次錯開，空間錯開，不論哪個傳爆結(jié)點(diǎn)哪根傳爆雷管的導(dǎo)爆管被切斷，均不會影響該結(jié)點(diǎn)安全準(zhǔn)爆[11]。也就是說，排除人為網(wǎng)路連接質(zhì)量和雷管質(zhì)量的前提下，想讓網(wǎng)路的雷管不爆的可能性接近為零。從多次爆破情況看，復(fù)式交叉跨越混聯(lián)預(yù)裂爆破起爆網(wǎng)路技術(shù)及相關(guān)措施的應(yīng)用，有效保證了網(wǎng)路安全準(zhǔn)爆，極少補(bǔ)炮，對輪廓面的平整度爆破效果也有很大程度的改善。兩孔之間是劈裂的平整面，大大減少了初支二襯砼的使用，同時隧道大塊有所減少；爆堆松散度也有所改善；最重要的是，可以避免因不當(dāng)網(wǎng)路可靠度低、延期精度低而導(dǎo)致的拒爆，減少拒爆事故發(fā)生，提高工效。

6 結(jié)論

1)復(fù)式交叉跨越混聯(lián)預(yù)裂爆破起爆網(wǎng)路，結(jié)合了導(dǎo)爆管雷管捆聯(lián)起爆網(wǎng)路、跨越式起爆網(wǎng)路、復(fù)式交叉網(wǎng)路，以及雙向傳爆導(dǎo)爆索預(yù)裂爆破起爆網(wǎng)路綜合優(yōu)勢，能有效保證隧道爆破安全準(zhǔn)爆。

2)金屬雷管聚能穴金屬射流及飛片拒爆控制措施，有效防止了射流和飛片擊傷或切斷附近未傳爆的導(dǎo)爆管造成的拒爆。

3)雙向?qū)П鱾鞅A(yù)裂爆破網(wǎng)路能可靠保證周邊眼預(yù)裂爆破效果形成，減少拒爆。

綜上所述，隧道復(fù)式交叉跨越混聯(lián)預(yù)裂爆破網(wǎng)路技術(shù)方法科學(xué)、技術(shù)可靠、多重保證、網(wǎng)路安全準(zhǔn)爆可靠度高、操作簡單、易學(xué)易會，能減少補(bǔ)炮、提高工效、減少超欠挖及費(fèi)用，對公路隧道類似隧道工程設(shè)計與施工，具有良好的借鑒意義。