長洪嶺隧道近距下穿江池鎮高效減震爆破技術試驗

阮清林

(中鐵隧道集團有限公司，河南洛陽 471009)

0 引言

在我國鐵路、公路、城市地鐵等工程領域，常常遇到隧道淺埋下穿地表密集建筑群，或從其附近穿過的情況。對于巖石隧道，采用鉆爆法施工的居多。而《爆破安全規程》［1］中對下穿地表建(構)筑物的爆破允許振速有嚴格規定，因此施工中往往采用減震爆破技術通過。以往基于毫秒延期導爆管雷管使用的隧道減震爆破方法有反臺階法［2］和 CD 法［3］、超前下導后續擴挖面法［4］和分部開挖法等，其不足之處是:進尺短，一般控制在2 m以內［2-5］;需要增加臨時支護，如導坑超前和分部開挖;分部開挖工效低，有的隧道即使在圍巖較好具備大斷面施工的條件下也不得不將斷面分成多個部分開挖，如某機場路暗挖隧道，花崗巖地質，建筑物到爆破地點距離35 m，為保護地表建(構)筑物，而采用CD法開挖，爆破振速按1．0 cm/s控制，設計進尺在 1．5 m 以內［3］。

根據減震爆破理論，當邊界條件相同時，爆破開挖的最大振動速度并不取決于一次起爆的總藥量，而決定于某單段的最大用藥量，減震爆破設計時要根據薩氏公式對其進行計算［6］。在使用毫秒延期導爆管雷管進行減震爆破時，在控制爆破振速的前提下，為最大限度地提高工效，布段時設計的單段裝藥量往往接近于根據薩氏公式計算出的最大單段裝藥量值，使得一個段別起爆的炮眼數量通常至少4個以上，周邊眼可達到20多個。對于掏槽部分，為使掏槽成功，也需要集中爆破能量，而將多個炮眼放在一個段別進行起爆也是通常的做法。但這導致了爆破能量過于集中在一個段別，造成振速超限。而淺埋下穿城鎮段地表及周邊環境往往是比較復雜的，允許爆破振速等于甚至低于1．0 cm/s的建(構)筑物有時占有很大比例，這就對爆破提出了更高的要求，使施工變得更為困難。如本工程的長洪嶺隧道下穿江池鎮段，爆破安全振速為1．0cm/s的房屋就有28棟。在有些工程中，因爆破允許振速要求過低，而不得不采用非爆開挖方法，使施工效率大大降低，或者不得不采取人員臨時搬遷等措施。

電子毫秒電雷管(Electronic Detonator)具有高安全、高精度、寬延期范圍、延期在線設置、在線可編程等特點，是一種新型的爆破用雷管［7］。國外已廣泛采用其進行減震爆破開挖，國內僅在為數不多的特殊重點工程中使用，技術還不是很成熟，特別是大斷面隧道近距下穿地表建筑物全斷面減震爆破開挖技術還有待發展。基于此，依托長洪嶺隧道近距下穿江池鎮段，對電子毫秒電雷管爆破減震機制和途徑展開試驗研究。

1 工程概況

長洪嶺隧道長13 299 m，為渝利鐵路第2特長單洞雙線客貨共線(開行雙層集裝箱)隧道，旅客列車設計行車速度為200 km/h，隧道出口端位于重慶市豐都縣江池鎮，隧道出口DK183+050～+350段長約300 m下穿江池鎮，埋深較淺，覆蓋層厚為22．7～43．5 m，地表建筑物密集(見圖1)，且多為民用磚砌房屋，土坯房年代較久，房屋抗震性能差。隧道下穿段施工需要采用控制爆破開挖，設計要求控制振速不大于1．75 cm/s。專家風險評估要求不大于1．5 cm/s。有江馬公路穿鎮而過，交通條件較好。

圖1 長洪嶺隧道下穿江池鎮段地表建筑物情況Fig．1 Plan layout of surface buildings above Changhongling tunnel crossing underneath Jiangchi town

DK183+480～+000段圍巖情況好，較完整，掌子面圍巖穩定。隧道全部均采用曲墻式帶仰拱復合式襯砌，邊墻與仰拱圓順連接。斷面面積為126．94～139．27 m2，為大斷面隧道。

隧道采用鉆爆法開挖。采用火工品有毫秒延期導爆管雷管、電雷管、電子毫秒電雷管、5號塑料普通導爆索和2號巖石乳化炸藥(直徑32 mm)。

2 電子毫秒電雷管及其爆破降震原理

2．1 電子毫秒電雷管及其起爆系統介紹

隆芯1號TM電子毫秒電雷管(LUX-No．1 Electronic Detonator)是銥缽起爆系統的核心組成部分，是我國具有自主知識產權的高安全、高精度、寬延期范圍、在線可編程電子毫秒電雷管。

隆芯1號TM電子毫秒電雷管主要技術指標如下:

1)延期精度為0～100 ms，偏差小于1 ms;延期精度為101～16 000 ms，偏差小于1‰。

2)延期范圍為0～16 000 ms，最小時間間隔1 ms。

3)延期方式為在線設置。

4)檢測方式為在線檢測。

5)抗電性能為抗220VAC、50VDC、25KV 靜電、射頻及雜散電流。

6)起爆方式為起爆器登錄密碼、起爆授權密碼。

7)通信方式為兩線制雙向無極性組網通信。

8)使用溫度為-40～+85℃。

銥缽起爆系統(Ebtronic Blasting System)是隆芯1號電子毫秒電雷管專用起爆設備，分為200型和5 000型2種。

2．2 電子毫秒電雷管爆破波干擾減震原理

根據有關資料，隧道爆破使用非電毫秒延期導爆管雷管時，為使爆破振動波形不疊加或較少疊加，合理微差時間是將雷管跳段使用，這樣爆破振動速度基本只與最大單段裝藥量有關［1，8］。雷管跳段使用時，除1，3，5和7段之間時差小于100 ms外，其余跳段之間時差大于100 ms。而使用電子毫秒電雷管時，則與之相反，試圖利用前后爆破波的干擾。當2個以上的波在同一質點相遇時，會產生干擾，這種干擾能加強或削弱峰值。隧道光面爆破時，每個段別，也就是單響，都會產生一個爆破振動波，當單響之間的延時差Δt小于振動波的持續時間時，先后到達質點的振動波就會產生干擾。在理想狀態下，當兩波的振動頻率一致，Δt等于半波長的奇數倍時，兩波疊加削弱最強。而實際情況下，由于地質、爆破參數、爆破部位不同等原因，每循環的爆破振動頻率都會有差異，就是同一次爆破前后爆破波的振動頻率也不盡相同。試驗中就是要找出合適的電子毫秒電雷管延時差Δt。

3 隧道高效減震爆破開挖技術試驗

3．1 本工程的普通雷管減震技術情況

本工程使用毫秒延期導爆管雷管，采用分部(2部或3部)減震開挖技術，單循環進尺控制在1．5 m左右，可以將地表振速控制在1．5 cm/s以下。其最大特點是開挖第1部下大導坑利用大楔形掏槽區進行設置，有效地加快了施工進度，降低了成本。全斷面各分部炮眼數總和為160個左右，掏槽最大單段裝藥量為7．2 kg，導坑第1部單段炮眼數4～8個，第2部擴挖部分6～24個。電子毫秒電雷管爆破試驗是以此種方法為基礎進行的。

3．2 試驗段環境條件

電子毫秒電雷管試驗里程DK183+060～+000，隧道覆蓋層厚為33．4～35．22m，巖體性質與地質條件并無太大變化。斷面跨度為13．82 m，高為11．82 m。全斷面開挖高度為9．98 m(邊墻腳以上部分)，開挖斷面面積為116．82 m2。該段地表為工區駐地，駐地房屋承受安全振速要求不大于2．0cm/s，抗震性相對較強。在工區駐地，便于人員組織疏散，試驗條件有利。

3．3 炮眼布置和掏槽設計

電子毫秒電雷管開挖斷面炮眼布置和掏槽設計見圖2。

圖2 開挖斷面炮眼布置和掏槽設計圖(單位:cm)Fig．2 Layout of blasting holes and design of cuts(cm)

3．4 爆破震動監測測點布置

試驗測試內容為爆破震動效應，以地表垂直爆破震動峰值速度為指標。為全面了解淺埋隧道爆破引起的地表震動效應，試驗中以隧道開挖掌子面(爆區)為中心，在地表沿隧道軸線布置震動測點，測點間距為5m。每次爆破在掌子面上方，掌子面后方5 m和10 m各設一個測點。其一般情況下布置形式如圖3所示，過程中因建筑物影響測點情況也有變化。使用儀器為UBOX-5016爆破振動智能監測儀，直PS-4．5B垂檢波器。

圖3 振動速度測點的平面布置圖Fig．3 Plan layout of vibration velocity monitoring points

3．5 電子雷管使用流程

領取電子毫秒電雷管—用EBR-812銥缽表對數碼子雷管進行注冊—雷管編號—用專用軟件(EBtronic Plus)進行雷管延時設置—用專用軟件(EBtronic Plus)進行電子毫秒電雷管起爆順序演示—將雷管延時數據導入EBR-812銥缽表用來控制起爆順序—裝藥前對現場工人進行現場交底—按炮眼孔號位置對應裝入電子毫秒電雷管—將導線簇連成網—炸藥雷管裝好后用EBR-812銥缽表進行網絡測試—人員撤至安全距離以外準備用銥缽起爆器起爆。

3．6 減震爆破試驗

3．6．1 目的

試驗證明:使用普通毫秒延期導爆管雷管采用分部開挖法，已可以將爆破振速降至1．5cm/s。但為了拓展鉆爆法使用范圍，減少臨時支護量，并提高工效，驗證電子毫秒電雷管減震爆破原理，取得全斷面爆破相關參數、減震途徑和規律等，并進一步降低地表爆破振速至1．0cm/s以下，形成全斷面隧道高效減震爆破開挖技術，決定采用電子毫秒電雷管進行隧道爆破開挖試驗。

3．6．2 試驗方案特點及效果介紹

試驗中采用電子毫秒電雷管的爆破方案有兩部開挖中的下大導坑、全斷面法，采用毫秒延期導爆管雷管的爆破方案有分部開挖楔形掏槽。爆破取得的進尺有1．5～2．8 m。其各種方案的爆破設計特點及典型效果見表1。

表1 試驗方案特點及典型效果介紹Table 1 Characteristics of tests and their effects

3．6．3 電子毫秒電雷管全斷面高效減震開挖技術

根據試驗方案、試驗次數及效果，可以得知采用電子毫秒電雷管全斷面爆破時，將單響間延時差控制在2～54 ms，雷管總延時范圍控制在0～693 ms是合適的，對地表建筑物的震動影響最低。此時典型的全斷面炮孔布置及電子雷管布設見圖4，裝藥參數見表2。獲得的典型地表垂直震速波形如圖5所示。

3．6．4 高效減震開挖技術分析及總結

采用電子毫秒電雷管進行隧道減震爆破主要與開挖方法、單孔單響、炮眼起爆順序、雷管延時設置等相關。

1)開挖方法。根據隧道地質情況，可選擇常規的施工方法，如全斷面法和臺階法［9］。可以不因爆破振動原因而必須采用反臺階法、CD法、超前下導后續擴挖面法和分部開挖法等。爆破進尺可適當加大，依振速允許值調整。

2)單孔單響。若要實現單孔單響，必須依爆破振速允許值為依據，做好炮眼設計和單孔裝藥量控制，兩者組合須能保證連續成功破巖。炮眼的間距相對較小，數量和密度相對較大。

其中掏槽眼最為關鍵，如本工程，使用楔形掏槽，在掏槽區面積基本不變的情況下，炮眼數量相對普通爆破增加了約1倍，由8～10個增加至16個，炮眼豎向間距調整至0．5 m左右。單孔裝藥量由6～7節增 加至8節。

圖4 電子毫秒電雷管布置圖Fig．4 Layout of electronic detonators

表2 爆破參數表Table 2 Blasting parameters

圖5 振速波形圖Fig．5 Vibration waves

3)炮眼起爆順序。單元間起爆的總體順序與普通爆破宜相同，即:由內向外逐層起爆，先掏槽，而后輔助眼、周邊眼光面爆破，最后底板眼。但因是單孔單響，各起爆單元內炮眼應選擇合理的起爆順序，原則為持續擴槽，不宜跳孔起爆。如本工程的起爆順序，其中掏槽眼的起爆順序為隧道中線左右側呈對稱螺旋形交替連續起爆。

4)雷管延時設置。雷管延時數值根據炮眼起爆順序和單孔單響從小到大設置，最大延時值不宜過大。由于周邊眼藥量較小和光面爆破要求，可設置2孔以上單響，但炮眼數不宜過多。單響延時差使前后爆破波疊加干擾降低震動，避免共振。延時差可根據爆破振動波形頻率和波長計算選取。采集單響爆破波形，更有助于延時差的設置［10］。

4 與其他工程減震技術對比

本技術與其他類似工程減震技術比見表3。

表3 本技術與其他類似工程減震技術對比Table 3 Comparison and contrast among different vibration-minimizing technologies

5 結論與討論

1)電子毫秒電雷管在隧道爆破干擾降震和工效方面成效是顯著的，相對毫秒延期導爆管雷管降低振速可達30%以上，并且振速的控制相對較穩定。其成功運用，可以拓展隧道鉆爆法的施工范圍，對隧道長距離下穿地表建筑群具有較大的參考意義。同時，其可進行隧道大斷面爆破，可減少臨時支護，提高施工工效。

2)在保證減震目標值情況下，雷管最大延時要適當控制，以減少震動持續時間，對保護臨近結構物有利。

3)隧道電子毫秒電雷管減震爆破最大振速未必出現在掏槽部位。

4)隧道電子毫秒電雷管減震爆破時應配套進行爆破震動監測，并根據振速監測波形最大振速、頻率、波形等信息，分析爆破振速效果，指導爆破參數調整。

5)電子毫秒電雷管是新型爆破材料，在以后的實踐中還需要進一步積累經驗。研制模擬爆破減震軟件，使用工程中的單孔單響爆破波參數進行爆破模擬，或許對將來有實際幫助意義。

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