混合起爆網路技術在深圳地鐵11號線隧道開挖中的應用試驗研究

田炳坤

(中國鐵道科學研究院研究生部，北京100081)

混合起爆網路技術在深圳地鐵11號線隧道開挖中的應用試驗研究

田炳坤

(中國鐵道科學研究院研究生部，北京100081)

針對深圳地鐵11號線一區間明挖基坑開挖對爆破振動的嚴格控制要求，通過理論分析和現場試驗相結合的方法對錯相減震機理予以研究。根據爆破振動的傳播特點研究了毫秒延時振動波形疊加干擾降振延時間隔的計算方法，進而得到一套錯相減震爆破設計理論。運用電子雷管與非電雷管混合起爆網路技術，采用較短的延時間隔逐孔起爆，使得各段地震波相互干擾疊加，有效控制了爆破振動，滿足了復雜環境下安全爆破設計要求。

混合起爆網路 控制爆破 隧道開挖 電子雷管 干擾降振

1 概述

1.1 工程概況

深圳地鐵11號線連接福田中心區、南山、前海、機場、福永、沙井、松崗等片區，是連通城市核心區與西部濱海地區的快線，同時兼有機場快線的功能。線路由福田站至碧頭站，全長約49.7 km，設站18座。其中福永站位于深圳市寶安區寶安大道與福海大道交叉口南側，沿寶安大道中央綠化帶呈南北向布置。車站全長338 m，為地下兩層車站，起訖里程YDK37+ 555.499—YDK37+893.500。福永站至橋頭站地下區間位于深圳市寶安區寶安大道與福海大道交叉口北側，沿寶安大道中央綠化帶呈南北向布置，起于福海大道，穿越蠔業路，接高架區間，全長656.5 m，起訖里程為YDK37+893.500—YDK38+550.000。

線路兩側建筑物密集，交通繁忙(寶安大道為深圳市主干道，穿越新安、西鄉、福永、砂井、松崗5個街道后連接深圳機場)，場地范圍內地下管線較多，主要有污水、雨水、給水、電信、電力、燃氣等管線，其中對基坑施工影響最大的為燃氣管道。線路西側有一條1.6 MPa次高壓燃氣管和一條0.4 MPa中壓燃氣管。其中，次高壓燃氣管距福永站基坑最近距離12 m，距福永站—橋頭站地下區間最近距離30 m;中壓燃氣管距福永站基坑最近距離18 m，距福永站—橋頭站地下區間最近距離25 m，要求爆破振速≤2 cm/s。

如何有效控制爆破振動并做好安全防護是本工程最大的難點。靜態爆破工期長、成本高，且不能滿足工期要求，常規爆破又不能保證次高壓燃氣管對爆破振速的要求，因此，須選擇一種既能滿足工期要求、又能保證爆破振動可控的施工方法。此外，隧道施工安全、路面沉降可控和管線運行安全也是本工程的重點，所以須選擇一種可有效控制爆破振動、飛石、噪音和粉塵污染等的綠色環保爆破技術。

1.2 混合起爆網路技術

導爆管雷管起爆網路可以在有電干擾的環境下進行操作，一般情況下起爆的藥包數量不受限制，網路也不必要進行復雜的計算，可以實現多段延時起爆。但由于本工程對爆破振動控制要求非常嚴格，導爆管雷管起爆網路很難滿足爆破要求。

數碼電子雷管可以實現對爆破延時的精確控制，保證設計延期與實際起爆時間相一致，這為更準確控制爆破振動提供了前提條件。電子雷管在相同裝藥量、地形、地質等條件下，精確微差起爆的數碼雷管爆破振動峰值速度小、離散性小，通過合理設定起爆的延時間隔使各炮孔產生的子波相位時移、峰谷疊加，從而達到干擾降振的效果。根據波的疊加理論合理選擇兩次爆破的延時間隔時差，使后爆炸藥產生的振動波的波峰能夠和先爆炸藥產生的振動波的波谷同時產生，這樣疊加部分振動波的振幅應明顯減小，爆炸產生的破壞效應會最大限度地降低。同時通過優化延期時間，將爆破振動調整為均勻分布的高頻低峰值波形，振動頻率遠大于建筑物自振頻率，避開了“類共振”，從而避免對建(構)筑物造成損害。

由于電子雷管單價較高，全斷面采用電子雷管大大增加了施工成本，為了降低施工成本，通過在控制爆破振動的基礎上對起爆網路進行優化，研究電子雷管和非電雷管混合起爆網路的可行性，進而提出混合起爆網路技術的概念。

2 混合起爆網路技術應用試驗研究

2.1 隧道爆破試驗

試驗目的是獲得最佳裝藥參數、延時間隔及隧道爆破引起的地表振動衰減規律，為設計和施工提供理論依據。

隧道爆破試驗先在隧道進口端進行3組單孔試驗，然后做5組全斷面群孔試驗，最終確定最佳延時間隔。單孔試驗藥量為1.2 kg。群孔試驗采取進尺1.0～1.5 m全斷面開挖，孔間延時分別為4，5，6，7和8 ms。可根據試驗效果適當補充幾組試驗以確定減振效果。振動測試點布設在隧道上方的地表，以拱頂正上方為1號測點，向隧道一側不同距離分別布設另外4個測點，距1號測點分別為10，25，35和45 m。其中5號測點布置在次高壓燃氣管上方。測點布置見圖1。

圖1 測點布置示意

根據以往工程經驗，隧道爆破開挖的效果與掏槽孔的爆破效果有很大關系，其為后爆孔提供了自由面，減小了藥包的夾制作用。要達到良好的爆破效果，掏槽方式很關鍵，為此采用楔形多級掏槽，盡量增大掏槽孔角度。同時，炮孔的數量、深度和裝藥量直接決定了開挖進尺的長度。本區間隧道為三級圍巖，鋼架間距1.2 m，上臺階爆破設計每循環進尺為1.2 m。

為降低施工成本，對起爆網路進行優化試驗，爆破試驗先從安全性高的工法開始，然后逐步試驗安全性低的工法，分4個階段:①全部采用電子雷管;②一級和二級掏槽孔采用電子雷管，其他孔采用非電毫秒雷管;③一級掏槽孔采用電子雷管，其他孔采用非電毫秒雷管;④全部采用非電毫秒雷管。

2.2 隧道爆破最佳延時間隔的確定

根據上面的分析可知，要確定最佳的間隔時間，首先應了解單個爆破地震波的特性，因此做了一組單炮孔爆破試驗。單炮孔爆破往往只有一對主波峰波谷，之后為小幅的余震，振動最大值一般都出現在第一個波峰處。測試的單炮孔振動波形參數見表1。

表1 單炮孔振動波形參數

從表1可知，單爆孔爆破主振頻率大致在64～77 Hz，主振波周期在11.8～13.7 ms。根據波的干涉條件，延時間隔為主振周期的1/3～2/3。當主振周期為13.7 ms時，產生錯峰減振的時差為4.6～9.1 ms，當主振周期為11.8 ms時，產生錯峰降振的時差為3.9～7.9 ms，兩個延時間隔的交集為4.6～7.9 ms。以往工程經驗表明:隧道爆破楔形掏槽的成對斜孔、成組炮孔錯時4～8 ms既能達到成對斜孔同時發力掏槽的效果，又能達到錯峰干擾減振的目的。可見本次試驗結果與以往實踐經驗一致。

根據試驗結果進行下一步的群孔爆破試驗。上臺階共計70個炮孔，總裝藥量50.8 kg，爆破方量20 m3，炸藥單耗2.54 kg/m3，爆破參數見表2。采用電子雷管逐孔起爆，孔間延時間隔分別選取4，5，6，7，8 ms。圖2為間隔時間為5 ms的起爆順序，其余試驗起爆順序與此一致。

表2 爆破參數

圖2 電子雷管起爆順序(單位:ms)

5個測點均采集到振動波形，5號測點采集了4，5，6，7，8 ms共5種不同延時間隔的試驗數據。電子雷管采用4 ms延時間隔時，在20 ms處(即振動波形的開始段)振速出現了最大值，為2.41 cm/s，超過振動控制要求的2.0 cm/s。可見，該延時間隔使得掏槽孔的振動峰值疊加，未能起到相互抵消的作用。延時間隔為7 ms時，振速最大值出現在振動波形的中段，約300 ms處(即出現在掘進孔的部位)，為2.19 cm/s，超過了振動控制要求。延時間隔為8 ms時，振速最大值為2.20 cm/s，出現在振動波形的末尾，約350 ms，由周邊孔的振動峰值疊加產生。采用5 ms和6 ms的延時間隔時差時，振速最大值分別為0.54 cm/s和1.5 cm/s，均未超出控制要求。從振動波形看，振動幅值分布比較均勻，無異常突起波峰，說明采取5 ms和6 ms的孔間延時間隔可以起到干擾降振的目的，且5 ms的減振效果優于6 ms。針對這一結論又做了兩組補充試驗，試驗結果見表3，與上述分析一致。

表3 試驗爆破振速統計分析

通過上述系列試驗結果分析可知，采用5 ms的孔間延時間隔能達到最佳的干擾降振目的，因此確定隧道爆破的最佳延時間隔為5 ms。

2.3 起爆網路優化試驗研究

由于電子雷管單價較高，為了降低施工成本，研究電子雷管和非電雷管混合起爆網路的可行性。根據經驗，考慮掏槽孔采用電子雷管，周邊孔采用非電雷管的方式。另外，為實現光面爆破，周邊孔電子雷管采用同一個延時間隔，采用非電毫秒雷管爆破時，周邊孔也采用同一個段位起爆，兩者類似，因此，周邊孔在雷管選用上均存在優化為非電毫秒雷管的可能。

第二階段試驗，一級和二級掏槽孔采用電子雷管，其他孔采用非電毫秒雷管，電子雷管延時間隔5 ms。爆破參數見表4，電子雷管起爆順序見圖3。

表4 爆破參數

圖3 電子雷管起爆順序

從試驗結果可知，在其他爆破參數不變的情況下，一級和二級掏槽孔采用電子雷管且延時間隔5 ms，其他孔跳段采用非電毫秒雷管，爆破振動增幅不大，掏槽孔及其他孔爆破振速峰值均在1.6 cm/s以內，滿足次高壓燃氣管爆破振動要求。

第三階段試驗，上臺階共計67個炮孔，總裝藥量48 kg，爆破方量20 m3，炸藥單耗2.4 kg/m3，一級掏槽孔采用電子雷管，其他孔采用非電毫秒雷管，電子雷管延時間隔5 ms。爆破參數見表5，電子雷管起爆順序見圖4。從試驗結果可知，在其他爆破參數不變的情況下，一級掏槽孔采用電子雷管，電子雷管延時間隔5 ms，其他孔跳段采用非電毫秒雷管，爆破振動增幅不大，掏槽孔最大爆破振速在1.6 cm/s以內，其他孔爆破振速峰值在1.7 cm/s以內，滿足次高壓燃氣管爆破振動要求。

第四階段試驗，全部采用非電毫秒雷管，其他條件與第三階段試驗相同。電子雷管起爆順序見圖5，爆破參數見表6。

表5 爆破參數

圖4 電子雷管起爆順序

圖5 電子雷管起爆順序

表6 爆破參數

從試驗結果可以看出，在其他爆破參數不變的情況下，上臺階全部采用非電毫秒雷管，掏槽孔部分最大振速為2.8 cm/s，不能滿足次高壓燃氣管爆破振動要求。

3 結論

1)深圳地鐵11號線礦山法隧道爆破開挖，采用孔間延時間隔5 ms和6 ms都能達到干擾降振的效果，其中5 ms效果更佳，在后期的爆破中均采取5 ms作為孔間延時間隔。

2)在本工程地質條件下，隧道爆破開挖掏槽孔采用電子雷管，孔間以5 ms延時間隔逐孔起爆，其余孔用非電雷管跳段的起爆方式，能滿足次高壓燃氣管爆破振速≤2 cm/s和隧道一次開挖循環進尺1.2 m的要求。在后續爆破中均采用此種爆破方式。

3)電子雷管具有延時精度高、可控的特點，可用來實現對振動頻率的控制。通過確定合理的延時間隔，保證波形能發生錯相疊加，使得干擾降振技術理論得以成功應用，最大化地降低爆破振動。

4)對于隧道爆破，使用電子雷管若較多，成本較高，并不經濟。可以運用電子雷管和導爆管雷管混合網路起爆技術，通過合理設計來有效控制爆破振動，同時降低施工成本。

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Experimental study on app lication of m ixed detonating network technology to tunnel excavation in Shenzhen m etro line 11

TIAN Bingkun
(Postgraduate Department，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

According to strict control requirem en ts of b lasting vib ration in foundation p it excavation of Shenzhen M etro Line 11，this paper studied the phase dislocation dam ping m echanism by the theoretical analysis com bined w ith the field testing.Based on blasting vibration propagation characteristics，the delay interval calcu lation m ethod o f vibration reduction interfered by m illisecond delay vibration waveform stacking was discussed and a blasting design theory o f phase d islocation vib ration reduction w as proposed.M ixed detonating netw ork technology of electronic detonators and non-electric detonators uses a shorter delay interval for ho le by hole blasting and m akes seism ic w aves of each segm ent overlap and interfere w ith each other，which could effectively control the blasting vibration and m eet the security requirem ents of blasting design in a complex environment.

M ixed detonating network;Con trol blasting;T unnel excavation;Electronic detonator;D isturbance vibration reduction

U455.6

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.06.21

1003-1995(2015)06-0078-05

(責任審編李付軍)

2014-11-13;

2015-02-06

中國鐵道科學研究院基金項目(1351ZD0702，2013YJ030)

田炳坤(1989—)，男，安徽六安人，研究實習員，碩士研究生。