電子數(shù)碼雷管與掏槽眼分段裝藥延時(shí)爆破技術(shù)在小凈距超大跨徑隧道的應(yīng)用

王亞雄

(保利長(zhǎng)大工程有限公司，廣東 廣州 510000)

1 仙人洞隧道工程概況

仙人洞地處貴州省黔南州長(zhǎng)順縣，屬于都勻至安順高速公路主線隧道，設(shè)計(jì)形式為雙向八車(chē)道分離式隧道。隧道左洞長(zhǎng)度為720 m，右洞長(zhǎng)度為615 m，本次試驗(yàn)段選取仙人洞隧道進(jìn)口淺埋小凈距段落，先行隧道為左洞，后行洞掌子面為K136+400，該處隧道凈距為31 m，隧道開(kāi)挖最大跨徑為22.28 m，斷面面積為246 m2。圍巖等級(jí)為SX-Ⅴa，掌子面巖性為中風(fēng)化灰?guī)r。先行洞對(duì)應(yīng)樁號(hào)為Z2K136+400，初支已封閉成環(huán)，仰拱澆筑完畢，暫未施工二次襯砌。

2 小凈距隧道相鄰洞初支震動(dòng)監(jiān)測(cè)

2.1 爆破監(jiān)測(cè)儀器選擇

仙人洞隧道進(jìn)口后行洞初支的震動(dòng)監(jiān)測(cè)傳感器采用三相速度傳感器，數(shù)據(jù)采集使用遙感爆破測(cè)振儀，型號(hào)為T(mén)C-4850N。該傳感器的的震動(dòng)速度測(cè)量范圍在0.05 mm/s到200 mm/s之間，可以滿(mǎn)足本次隧道初支振動(dòng)測(cè)速的要求。遙感爆破測(cè)振儀可通過(guò)無(wú)線通信獲取傳感器測(cè)得的初支振動(dòng)速度和加速度并將數(shù)據(jù)記錄。通過(guò)分析爆破震動(dòng)記錄儀的數(shù)據(jù)，并繪制出時(shí)間-振速曲線，可以了解到爆破參數(shù)調(diào)整前后的震動(dòng)變化規(guī)律[1]。

2.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

本次試驗(yàn)段震動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置在先行洞隧道內(nèi)，監(jiān)測(cè)布置分為兩種方式：第一種，對(duì)應(yīng)樁號(hào)為Z2K136+350～Z2K136+450，一共布置11組監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每組監(jiān)測(cè)點(diǎn)縱向間距為5 m，以分析爆破震動(dòng)波對(duì)已施工隧道縱向方向影響程度的差異；第二種，為測(cè)出鄰洞爆破振動(dòng)波影響最大的環(huán)向測(cè)點(diǎn)，在距離后行動(dòng)爆破掌子面垂直距離最小的全斷面均勻布設(shè)一環(huán)7組傳感器。

3 掌子面掏槽技術(shù)參數(shù)調(diào)整與電子數(shù)碼雷管的應(yīng)用

光面爆破階段，掏槽眼是最先起爆的，在掏槽階段由于掌子面圍巖完整，沒(méi)有臨空面，圍巖對(duì)起爆點(diǎn)夾制力最強(qiáng)，同時(shí)掏槽眼裝藥集中、爆破能量大，兩者因素相疊加，導(dǎo)致掏槽眼相對(duì)于其他爆破眼產(chǎn)生的震動(dòng)最為劇烈，因此隧道減震爆破的關(guān)鍵著手點(diǎn)是在掏槽爆破階段對(duì)掏槽眼的深度、角度以及裝藥形式、數(shù)量進(jìn)行減震設(shè)計(jì)。

楔形分段毫秒掏槽減震爆破技術(shù)是近五年來(lái)開(kāi)始逐漸應(yīng)用到隧道施工中，楔形掏槽方式與孔內(nèi)微差爆破均分別有應(yīng)用實(shí)例，楔形掏槽因?yàn)槭┕ず?jiǎn)單、相對(duì)直眼掏槽炸藥用量小、掏槽成功率高的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在隧道鉆爆施工中有大面積的應(yīng)用[2]。

而以往的實(shí)踐證明，單孔內(nèi)部的分段爆破相對(duì)一次爆破可有效降低孔底炮眼殘留的現(xiàn)象。

楔形分段毫秒掏槽減震爆破結(jié)合了這兩種爆破技術(shù)，該技術(shù)通過(guò)計(jì)算優(yōu)化傳統(tǒng)楔形掏槽炮眼，并按計(jì)算結(jié)果確定數(shù)量的炸藥分段、分距離填裝并通過(guò)電子數(shù)碼雷管延時(shí)起爆，可以大幅縮小單段爆破能量和最小抵抗線，讓巖體抗震抗夾持作用合理分配到不同的時(shí)間和空間。在外層裝藥爆破后可在楔形掏槽體中間部位產(chǎn)生裂隙，將楔形體分割成外腔與內(nèi)腔，一部分外層爆破產(chǎn)生的能量消除在外腔巖體內(nèi)，進(jìn)而減少傳遞至整體圍巖的的能量，以此達(dá)到分解單次最大爆破藥量，降低掏槽階段引發(fā)的最高巖體振動(dòng)速度。

為了實(shí)現(xiàn)精確、高成功率的毫秒延遲爆破，必須引進(jìn)高精確度的電子數(shù)碼雷管，可以保證分段毫秒延時(shí)的成功率，有效降低錯(cuò)爆漏爆的現(xiàn)象。

3.1 楔形分段掏槽爆破設(shè)計(jì)

后行洞試驗(yàn)掌子面的里程樁號(hào)為K136+400，開(kāi)挖方式為三臺(tái)階開(kāi)挖法，試驗(yàn)均選擇上臺(tái)階掌子面，圍巖裂隙不發(fā)育，巖體位硬質(zhì)灰?guī)r，普氏系數(shù)f為8，屬于較堅(jiān)固巖體，室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)定灰?guī)r密度約為2 450 kg/m3，彈性模量4.2 GPa。

根據(jù)圍巖情況以及掌子面尺寸，掏槽眼參數(shù)設(shè)計(jì)為：孔深2.7 m，分左右豎向排列，間距0.5 m，首段掏槽深度與二段掏槽深度比值K1取1.78。楔形分段掏槽爆破的關(guān)鍵點(diǎn)在于外層炸藥爆破后應(yīng)在楔形槽體中間部位爆破出貫通的裂隙，已達(dá)到完全將楔形槽體分割為內(nèi)腔及外腔的目的。在首段炸藥爆破時(shí)，楔形槽體的破壞應(yīng)在分割面產(chǎn)生強(qiáng)烈的拉伸破壞，而二段炸藥爆破時(shí)應(yīng)能確保內(nèi)腔巖體發(fā)生破損后，將爆炸能往掌子面外部引導(dǎo)，一次將首段爆破的殘?jiān)投伪频那惑w石渣拋出楔形槽，為后續(xù)爆破提供臨空面。

爆破裝藥參數(shù)和雷管分段數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 上臺(tái)階爆破主要參數(shù)

在分段爆破裝藥結(jié)構(gòu)中，外層裝藥先爆破，內(nèi)層裝藥后爆破，其時(shí)間差Δt應(yīng)依據(jù)巖體物理參數(shù)、裝藥結(jié)構(gòu)參數(shù)綜合確定，以保證達(dá)到減震效果的同時(shí)滿(mǎn)足后續(xù)起爆點(diǎn)的掏槽需求。

(1)

式中：t1為外首段炸藥的起爆時(shí)間；t2為外槽腔質(zhì)心距爆源(R)引發(fā)振動(dòng)波的正相位發(fā)生時(shí)間；Vr為裂隙的擴(kuò)展速度，Vr=0.380Cp；β是破碎角；S為破碎的巖石脫離基巖距離，可取1～2 cm；Vp為碎巖石運(yùn)動(dòng)的速度，可取5～8 m/s；kp為與掌子面現(xiàn)場(chǎng)條件相關(guān)的系數(shù)，根據(jù)掌子面圍巖情況可取0.01～0.03。

根據(jù)上式計(jì)算得到

t1=2.41/(sin75°×3 200)+2.41/(481×sin75°×cos15°)+4×0.02/4=0.025 3 s=25.3 ms

(5) 血小板GPⅡb/Ⅲa類(lèi)受體拮抗劑國(guó)內(nèi)目前使用的GPI主要為替羅非班。應(yīng)考慮在PCI過(guò)程中使用GPI，尤其是高危(cTn升高、合并糖尿病等)或血栓并發(fā)癥患者(Ⅱa,C)。不建議早期常規(guī)使用GPI(Ⅲ,A)。

(2)

t2=0.02×ln(14)=53 ms

(3)

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)可得出，掏槽孔傾角θ可取75°，楔形掏槽爆破時(shí)間段延遲時(shí)間△t≥max{t1，t2}=53 ms。

3.2 電子數(shù)碼雷管的應(yīng)用

電子數(shù)碼雷管的數(shù)控模塊具有抗靜電、抗雜散電流的功能，能有效避免起爆過(guò)程中復(fù)雜環(huán)境對(duì)單個(gè)雷管起爆控制的影響，電子數(shù)碼雷管的起爆模塊中還包含網(wǎng)路檢測(cè)功能，能在安裝好起爆網(wǎng)絡(luò)后起爆前進(jìn)行網(wǎng)路自檢并找出網(wǎng)路錯(cuò)誤點(diǎn)，輔助爆破人員糾正錯(cuò)誤，因此電子數(shù)碼雷管支持更加復(fù)雜的爆破網(wǎng)路設(shè)計(jì)[4]。

普通毫秒延時(shí)雷管延時(shí)誤差范圍較大，1段雷管延時(shí)正負(fù)誤差為13 ms，3段雷管正負(fù)誤差為10 ms，而內(nèi)外層裝藥延遲時(shí)間僅有53 ms，誤差過(guò)大，一旦掏槽眼發(fā)生延時(shí)錯(cuò)誤，會(huì)導(dǎo)致同時(shí)起爆或者內(nèi)層裝藥啞炮，因此產(chǎn)生連鎖效應(yīng)導(dǎo)致本次光面爆破失敗，綜上，采用延時(shí)精度高達(dá)±1 ms的電子數(shù)碼雷管是保證分段掏槽的成功率的必要條件。

電子數(shù)碼雷管內(nèi)部集成ECM和爆能控制器，ECM具備可編程特性，可在施工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)ECM中的身份信息、起爆密碼進(jìn)行驗(yàn)證，并設(shè)置起爆延遲時(shí)間。ECM的控制和編程可通過(guò)起爆控制器進(jìn)行操作。ECM完成信息認(rèn)真后將起爆控制信息傳遞給爆能控制器，爆能控制器能通過(guò)存儲(chǔ)和釋放電能完成點(diǎn)火操作。

因此電子數(shù)碼雷管具備起爆信息驗(yàn)證、可自檢性和高精度起爆控制的特點(diǎn)。

4 爆破結(jié)果及震動(dòng)影響數(shù)據(jù)分析

本次爆破分兩次，首次次為普通一次裝藥掏槽，第二次炮眼不變，在楔形炮孔內(nèi)進(jìn)行分段裝藥，具體參數(shù)按計(jì)算結(jié)果設(shè)置。

每次爆破前在先行洞最不利斷面安裝好三向傳感器，通過(guò)遙感測(cè)振儀采集震動(dòng)數(shù)據(jù)，得出數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

圖1 各次試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)振速峰值對(duì)比圖

圖2 拱頂震動(dòng)監(jiān)測(cè)波形對(duì)比圖

表2 傳統(tǒng)光爆與改進(jìn)后爆破 先行洞測(cè)點(diǎn)震動(dòng)峰值對(duì)比表

通過(guò)分析普通楔形掏槽實(shí)測(cè)震動(dòng)速度波形可得出如下結(jié)論：傳統(tǒng)的普通楔形掏槽方式需要一次起爆掏槽孔內(nèi)所有的炸藥，楔形掏槽巖體需要在一次炸藥爆炸中完成所有的破碎、拋擲程序，而掏槽眼是所有炮眼中裝藥量最大、且沒(méi)有臨空面的炮眼，因此其產(chǎn)生的震動(dòng)波形明顯強(qiáng)度大于其他類(lèi)型的炮孔。

在試驗(yàn)過(guò)程中，傳統(tǒng)楔形掏槽光面爆破引起的先行洞最不利斷面拱頂傳感器測(cè)得的峰值振動(dòng)速度為4.3 cm/s，而在分段裝藥延時(shí)起爆的爆破方式中，由于掏槽孔內(nèi)的炸藥分別在1段和3段起爆，掏槽腔楔形巖體分為外腔和內(nèi)腔，依次被破碎后向外拋擲，將整個(gè)楔形巖體的巖層夾制力分2次克服，明顯降低了掏槽眼爆破時(shí)產(chǎn)生的峰值震動(dòng)。

由波形圖可以看出，改進(jìn)后的掏槽爆破階段振動(dòng)波形可以明顯區(qū)分出兩段，該兩段波形峰值振動(dòng)速度分別為2.01 cm/s和1.75 cm/s。在整個(gè)爆破階段產(chǎn)生的震動(dòng)峰值最高的階段為輔助眼爆破產(chǎn)生的震動(dòng)，爆破階段產(chǎn)生的峰值爆破速度大大降低。

綜合現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，可以得到：電子數(shù)碼雷管與楔形掏槽眼內(nèi)分段裝藥并延遲起爆技術(shù)的合理應(yīng)用，相對(duì)于傳統(tǒng)的常規(guī)導(dǎo)爆管楔形掏槽爆破方式可將隧道在鉆爆掘進(jìn)過(guò)程時(shí)引起的小凈距鄰洞初支振動(dòng)峰值速度降低25%～38%，達(dá)到了顯著的減震效果。

5 結(jié) 論

基于實(shí)體工程，實(shí)踐引用了電子數(shù)碼雷管+楔形分段掏槽毫秒微差爆破技術(shù)，并將該技術(shù)與傳統(tǒng)楔形掏槽爆破技術(shù)做橫向?qū)Ρ龋贸龅慕Y(jié)論如下。

(1)在楔形掏槽炮眼內(nèi)分段裝藥并延時(shí)起爆的技術(shù)，可將傳統(tǒng)的一次掏槽爆破中巖體夾制作用分兩次釋放，有效降低一次爆破中的引發(fā)的巖體最大振動(dòng)強(qiáng)度，并能保證良好的掏槽效果，為輔助眼、掘進(jìn)眼的起爆提供合理的臨空面。

(2)實(shí)踐了楔形分段掏槽關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算公式，利用該公式計(jì)算出來(lái)的延遲爆破參數(shù)設(shè)計(jì)的楔形分段裝藥充分考慮了楔形內(nèi)部腔體和外部腔體形成以及爆能分配要求，并在實(shí)踐中證明了該技術(shù)對(duì)爆破效果有不錯(cuò)的提升，可用于指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)爆破參數(shù)設(shè)計(jì)。

(3)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果表明，電子數(shù)碼雷管的應(yīng)用簡(jiǎn)化了復(fù)雜的裝藥過(guò)程，避免了現(xiàn)場(chǎng)雷管段位過(guò)多、安裝復(fù)雜和環(huán)境惡劣導(dǎo)致一定的操作失誤。能滿(mǎn)足毫秒延遲爆破對(duì)雷管延遲控制的高精度需求，同時(shí)電子數(shù)碼雷管電子模塊對(duì)比傳統(tǒng)導(dǎo)爆管有可靠性高、盲炮率低的優(yōu)點(diǎn)，大大降低盲炮導(dǎo)致的二次爆破、排查盲炮的風(fēng)險(xiǎn)。

(4)楔形分段毫秒微差爆破在實(shí)踐中證明，該技術(shù)在炮眼打設(shè)上與傳統(tǒng)工藝相同，施工難度未有增加，減震效率達(dá)到30%左右，在小凈距超大跨徑隧道施工過(guò)程中大大降低了施工安全風(fēng)險(xiǎn)，提高施工效率。

小凈距超大跨徑隧道由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，鄰洞爆炸產(chǎn)生的振動(dòng)波對(duì)中夾巖影響更大，因此，小凈距超大跨徑隧道對(duì)減震爆破有著非常高的要求，楔形分段毫秒微差爆破的減震效果顯著，同時(shí)需要配合電子數(shù)碼雷管的應(yīng)用才能保證爆破的成功率。