電子雷管起爆的降振原理及工程應用

薛 里，劉世波

(中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

電子雷管起爆的降振原理及工程應用

薛 里，劉世波

(中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

對高精度電子雷管減震的主要原理及效果進行研究。首先，利用波動理論分析了波形疊加達到干擾降振的條件。其次，從爆破地震波之間相互疊加干擾降振的原理出發，研究了毫秒延時爆破波形疊加干擾降振時延時間隔時差的計算方法。最后，將錯相減震爆破設計應用到深圳地鐵11號線基坑和隧道爆破工程中，取得了理想的減震效果。

微振動 控制爆破 地鐵基坑 電子雷管 干擾降振

數碼電子雷管是一種可以任意調節以實現精確延期發火時間的新型電子雷管，延期精度可以達到1 ms，同時具有很高的安全性，是近年來起爆器材領域里新進展之一，被稱為爆破技術的一場革命。目前國內已研制出具有自主知識產權的高安全、高精度、寬延期范圍、在線可編程的電子雷管，并已成功應用于多項交通、市鎮、礦山等重點工程。其可顯著地降低振動、改善爆破塊度、提高炸藥利用率和爆堆松散度的優點已逐漸得到體現。

電子雷管可以有效降低爆破振動的特性已得到廣泛的認可。國內外眾多應用實踐表明，使用電子雷管可以降低振動30%～60%，但其減振的機理還處于探討階段。郭學彬、甄育才等［1-2］通過試驗和理論分析論證了微差爆破干擾減震存在的條件。邢光武、魏小林等［3-4］綜合之前的研究成果，采用電算和提取子波的方法研究了精確延時干擾減震技術，為干擾減震技術提供了新思路。田振農等［5］通過試驗和理論分析，認為錯相減震的機理在于通過精確的起爆延時間隔設計使爆炸波到達被保護點時相位錯開約1/2周期。陳繼強、張光雄等［6-7］通過對爆破地震波形的變化特征和微差爆破地震波的段間疊加特性的分析，提出確定微差爆破合理間隔時間應考慮距離因素的觀點。郭學彬等［8］認為使相鄰段別的爆破地震波的主震相在時間上錯開，就可以獲得較明顯的降震效果。

本文利用波動理論分析波形疊加達到干擾降振的條件，并在深圳地鐵11號線進行了實際應用，取得很好的減振效果。

1 電子雷管降振原理

1.1 波的傳播

當兩個或多個擾動同時傳到某一點時，該點的總狀態參量等于這兩個擾動或多個擾動在這點的參量代數和，即所謂的波的疊加性。兩波相遇時，質點振動速度、振幅和應力發生疊加，但波的頻率和波速不發生疊加，每個波仍繼續按照原來的傳播方向、速度傳播。

設波幅相等、頻率相近并滿足連續頻散關系的兩個諧波u0cos(ω1t-k1x)和u0cos(ω2t-k2x)沿相同方向傳播，則兩者疊加的結果可以寫成

式中:Δω=ω2-ω1，Δk=k2-k1，ω=(ω1+ω2)/2，k= (k1+k2)/2。

由于頻散關系是連續的，當ω1接近于ω2時，k1接近k2，則Δk及Δω均趨向于0。

可以看出式(1)的第1個因子是合成波形的包絡線，通常稱為波包或調制波，第2個因子為高頻載波。這兩個因子的傳播速度通常是不同的，由這兩個諧波組成的波群所攜帶的能量的傳播速度，即振幅的傳播速度或波包的傳播速度，稱為群速度。由式(1)的第一個因子可知群速度cg為

當ω1趨于ω2時

在頻散情況下，cg與相速度c=ω/k一般不相同，所以波包內載波的相位在不斷地變化。

1.2 系列諧波疊加

實際工程中出現的暫態波是具有連續頻譜的一系列簡諧波的疊加，考慮以頻率ω0為中心的頻帶(ω0-Δω，ω0+Δω)內具有頻譜密度U(ω)和頻散關系k(ω)的所有諧波的疊加，疊加的表達式為

u=2Re∫

ω0+Δω

U(ω)exp［i(ωt－k(ω)x)］dω(4)

ω0－Δω

假設在頻帶寬度2Δω內，U(ω)近似為常數U0，在式(4)的積分區間內將波數k(ω)在ω0附近作泰勒展開，略去二階以上極小值，可得

式中式中:U0=U(ω0)，φ0為U0的幅角。對于給定時刻t和t+Δt，在合成波動中能量集中于一個主要波包，波包的包絡線形狀由式(5)中的因子F(t-x/cg)控制，并以群速度cg向前傳播。因此每個波群的包絡線在傳播過程中是不變形的，如果在頻帶(ω0-Δω，ω0+ Δω)上考慮頻譜密度U(ω)的變化，或在波數展開式中計入高階小量，則波包也可以散開，因此穩態波群只能在特定頻帶內形成。

群速度與相速度的關系可由式(3)導出，注意到ω=kc，并將波數k或角頻率ω分別視作獨立自變量，則

或

如果相速度與波數或頻數無關，即無頻散，則群速度與相速度相等。若取波長λ為自變量，注意到k=c-2π/λ，可得

通常，將dc/dλ＞0情形稱為正常頻散。就正常頻散而言，群速度小于相速度。

1.3 波的干涉條件

雖然爆破振動波的波形并不完全符合正弦波，但當兩個振動波錯峰疊加時，還是可以借鑒和參照正弦波在介質中傳播的情況進行分析。設在彈性系統中傳播的兩列簡諧波具有相同的振幅、頻率和傳播方向，只是相位不同。設兩列波的振幅為U，頻率為ω，相位分別為α和β，則它們的運動方程可寫為則線彈性系統上任一質點在t時刻振動的位移為

對式(14)進行分析:

-1≤y1≤1，-1≤y2≤1，t為任意值，即t∈ (0，∞)，所以有要使式(14)滿足疊加相消的條件，兩列波疊加后振幅不增大，即小于等于兩者中幅值較大的一個。而若要-1≤ y≤1，則需根據以上條件，如果α-β滿足

則兩列波是疊加相消的，此時的相位差也可認為是兩列波開始傳播的時間間隔。所以，對于主振周期為T的兩列爆破振動波，當間隔時間Δt滿足

在能產生疊加的情況下，兩列振動波就能達到不同程度的疊加相消。

在能產生疊加的情況下，兩列振動波就能達到不同程度的疊加相消。對于爆破振動，主振主要發生在前面1～2幅波，后面的波振幅很小，因此主要是促使前面的幾幅波發生疊加，式(16)可改寫為

2 工程應用

2.1 工程概況

深圳市城市軌道交通11號線工程福永站—高架區間分界段位于深圳市寶安區福永站至橋頭站之間寶安大道下。福永站為地下2層車站，基坑深17 m，開挖方量約80 000 m3，設計采取明挖法。區間長約654.5 m，地下線擬采用馬蹄形斷面，隧道埋深0～10.133 m，初步設計擬采取暗挖法+明挖法。周邊環境非常復雜，施工場地兩側有許多廠房、辦公樓以及給水、電信、電力、燃氣等管線，其中DN500次高壓(1.6 MPa)燃氣管道距基坑邊最近距離只有12 m，埋深約1.86～2.39 m，要求振速控制在2 cm/s以內，是影響施工設計控制的重點。綜合考慮環境、工期等因素，決定采用電子雷管進行爆破開挖。

2.2 爆破試驗

根據前面的理論分析知道，產生干擾降振的關鍵技術是確定合理延時間隔時差，保證波形能發生錯相疊加，達到減振的目的，因此在正式爆破前需通過爆破試驗來確定最佳延時間隔時差。此外，通過幾次試爆還可以得到該地質條件下的振動衰減規律和施工工藝，為優化爆破設計和編制科學的施工組織設計提供依據。爆破試驗分露天爆破和隧道爆破兩項，下面分別進行介紹。

1)基坑露天爆破

延時間隔時差與地質條件、地形條件、爆破方式、裝藥結構等因素有關。為了確定適合本工程的最佳延時間隔時差。設計了單孔和群孔共9試驗組，群孔爆破試驗采用8～20 ms的延時間隔時差。通過對爆破振動波形進行分析，最終確定適合本工程的延時間隔時差。

為了滿足粒徑要求，降低大塊率，同時達到爆破、挖裝、運輸效率的最優化，并滿足振動控制要求，主爆破區域鉆孔直徑不宜過大。根據工程經驗，選擇本工程淺孔爆破鉆孔直徑d=76 mm。由于爆破區域內多為泥巖、砂巖，應針對不同的巖石類型，選用不同的炸藥單耗。由以往工程經驗，炸藥單耗應在0.35～0.40 kg/m3。

第1組試驗，為16個孔，孔深3.2 m，孔間距為1.6 m×1.7 m，每孔的藥量為3 kg。第1個孔單獨響，響完280 ms后，其余的孔以17 ms間隔逐孔起爆，起爆順序及延時如圖1所示。通過這組試驗可以得到單孔的振動波形參數和群孔延時17 ms的振動情況。

圖1 爆破設計示意(單位:ms)

另8組為不同延時間隔時差的爆破試驗，延時設置情況見表1。前5組為4排孔，分2個延時間隔時差，第6組為3排孔，分別設置了3種不同的延時間隔時差，最后2組分別試驗了不同孔間和排間的延時間隔時差。試驗中各孔的裝藥量均與第1組相同。

表1 爆破試驗延時設置情況

2)隧道爆破

隧道爆破試驗在進口端進行，孔徑為40 mm，先進行3組單孔試驗，然后做5組全斷面群孔試驗。單孔試驗藥量為1 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3，4，5，6和7 ms。可根據試驗效果，補充幾組試驗，確定減振效果。群孔爆破孔位布置及延時設置見圖2。

圖2 隧道爆破電子雷管起爆順序(圖中數字為電子雷管起爆延時，單位:ms)

2.3 測試方案

測試采用TC-4850爆破測振儀和三向速度傳感器。傳感器安裝在爆區一側，共布設5個測點，距爆區分別為10，21，35，49和87 m。其中4#測點布設在次高壓燃氣管上方，通過多次測試結果來分析得到最佳延時間隔時差和回歸得到振動衰減規律。

隧道監測，同樣是布設5個測點，測點1布設在拱頂正上方，其余4個點依次按不同距離向路一側布設，其中4#測點布設在燃氣管上方。

2.4 測試結果

1)基坑露天爆破

第1組試驗，爆后最遠的5#測點未觸發，其余均采集到振動波形，圖3為3#測點的振動波形圖。從測試結果可以看出，單孔爆破的主振周期為20～35 ms。根據現有的理論，認為要達到波形疊加減振的效果，孔間延時為10～17 ms較為合理。另從Z軸的振動波形看，群孔爆破的振速值明顯小于單孔的振速值，說明群孔爆破發生了波形疊加，振速降低。電子雷管爆破振速均勻分布，主振頻率較高，降振效果顯著。

圖3 第1組試驗3#測點Z軸的爆破振動波形

通過一系列試驗發現，在單響藥量相同的情況下，當孔間延時為17 ms時，振速最小。圖4為第2組試驗孔間延時分別為9 ms和17 ms時3#測點的振動波形。從圖中可以看出，延時間隔時差為17 ms時，振速值明顯小于9 ms時。追加幾次試驗，其結果相同。

圖4 第2組試驗3#測點Z軸的爆破振動波形

通過后面幾組試驗發現，在該地質地形條件下，采用17 ms的延時間隔時差，可以達到較好的減振效果，振動值最小，在后期的爆破施工中統一采用延時17 ms的逐孔起爆形式。

2)隧道爆破

從監測結果來看，不論采用何種延時間隔時差，燃氣管線上方的振動值均未超出設計值，因此延時間隔時差在3～7 ms，爆破均不會對燃氣管線產生影響。以拱頂正上方測點測試結果來分析干擾減振效果(圖5)。

圖5 單爆孔爆破振動波形

圖6 電子雷管微振動控制爆破振動波形

單爆孔爆破往往只有一對主波峰波谷，其余為小幅的余震，振動最大值一般都出現在第1個波峰處。單爆孔爆破主振頻率大致在65～82 Hz，主振波周期在10.2～12.4 ms，最大振速值出現在3.1～3.9 ms。根據式(17)知道，當主振周期為12.4 ms時，產生干擾減振的時差在4.1～8.3 ms;當主振周期為10.2 ms時，產生干擾降振的時差在3.4～6.8 ms。通過群孔試驗結果可以看到，當延時間隔時差在4 ms以下或6 ms以上時，爆破振速均＞1.2 cm/s，但當延時間隔時差控制在4～6 ms時測點振速均在1.2 cm/s以內，因此在實際施工中以4～6 ms作為延時間隔時差進行爆破作業。

2.5 爆破方案

1)基坑爆破

基坑主爆區每次爆破布孔不超過6排。采用梅花形或長方形布孔，堵塞長度2.5 m。各雷管腳線并聯接入起爆主線上，逐孔起爆，延時時差間隔為17 ms。

2)隧道爆破

隧道爆破采用掏槽孔，孔間延時為4 ms，其余孔延時為6 ms。入口段采用上下臺階開挖，進深20 m后采取全斷面開挖。平均單耗為0.9 kg/m3。

2.6 爆破效果

工程于2013年7月首次采用該工法進行了試驗爆破，經過1年2個月精心施工，已于2014年8月完工，取得了良好的爆破效果。保證了周邊建筑、設施的安全，滿足了工程的進度。爆區西側的次高壓燃氣管的振速要求＜2 cm/s。從第三方監測的結果看，實際爆破中該處的振速最大值為1.4 cm/s，大部分＜1 cm/s，振動控制效果明顯。圖6為施工中在次高壓燃氣管上方測點的一次爆破振動波形圖。可見，振動速度未超出控制標準，且波形振幅在一定范圍內分布均勻，達到了很好的控制爆破振動的效果［9］。上述爆破監測數據表明爆破設計方案是成功的，爆破振動不會對周邊建筑設施造成危害，也不會影響次高壓燃氣管的安全運營。

3 結論與建議

1)通過波動理論對干擾減振進行了分析，得出的結果與實際監測結果基本一致。

2)通過理論分析和試驗研究相結合的方法，得到露天大直徑淺孔臺階爆破的最佳延時間隔時差為17 ms，隧道爆破孔間延時間隔時差為4～6 ms時，可以達到波峰錯相疊加的減振效果。該結論在隨后的工程應用中達到了顯著的降振效果，可為以后的類似工程提供參考。

對于隧道爆破，一次性使用的電子雷管較多，成本較高。今后可研究電子雷管和導爆管雷管混合起爆的可行性，在控制振動的前提下最大限度降低施工成本。

［1］郭學彬，張繼春，劉泉.微差爆破的波形疊加作用分析［J］.爆破，2006，23(2):4-8.

［2］甄育才，朱傳云.中遠區微差爆破振動疊加效應影響因素分析［J］.爆破，2005，22(2):11-16.

［3］邢光武，鄭炳旭，魏曉林.延時起爆干擾減震爆破技術的發展與創新［J］.礦業研究與開發，2009，29(4):95-97.

［4］魏曉林，鄭炳旭.干擾減震控制分析與應用實例［J］.工程爆破，2009，15(2):1-6.

［5］田振農，孟祥棟，王國欣.城區隧道電子雷管起爆錯相減震機理分析［J］.振動與沖擊，2012，31(21):108-111.

［6］陳繼強，劉為洲.多孔爆破振動強度的單孔波形疊加計算［J］.金屬礦山，2000(8):23-25.

［7］張光雄，楊軍，盧紅衛.毫秒延時爆破干擾降振作用研究［J］.工程爆破，2009，15(3):17-21.

［8］郭學彬，張繼春，劉泉，等.微差爆破的波形疊加作用分析［J］.爆破，2006，23(2):4-9.

［9］鄧濤，李先章，章仕靈，等.基于爆破振速控制下的掌子面與二次襯砌安全距離研究［J］.鐵道建筑，2013(4):54-57.

Vibration-reducing principles of electronic detonator detonating and its engineering application

XUE Li，LIU Shibo
(Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

This paper studied the main principles and effects of vibration-reducing with high-precision electronic detonator.The condition of achieving interference vibration-reducing by wave superposition was analyzed according to the wave theory，the calculation method of time delay interval for interference vibration-reducing by millisecond delay blasting wave superposition was studied based on interference vibration-reducing principle by blasting seismic wave superposition，and phase stagger vibration-reducing blasting design was applied to the foundation pit and tunnel blasting project in Shenzhen metro Line 11，which obtains the ideal damping effect.

Micro vibration;Control blasting;Subway foundation pit;Electronic detonator;Interference vibrationreducing

U455.41

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.01.10

1003-1995(2015)01-0043-05

(責任審編 李付軍)

2014-11-15;

2014-12-20

薛里(1979—)，男，山西襄垣人，副研究員，博士。