淺埋隧道爆破施工電子雷管降振延時時間的分析

康永全，孟海利，薛　里，孫崔源，管仁生( ．中國鐵道科學研究院研究生部，北京　0008; ．中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京　0008)

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淺埋隧道爆破施工電子雷管降振延時時間的分析

康永全1，孟海利2，薛里2，孫崔源1，管仁生1
( 1．中國鐵道科學研究院研究生部，北京100081; 2．中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京100081)

摘要:結合北京一地鐵隧道爆破開挖工程，利用ANSYS/LS-DYNA動力有限元軟件模擬爆破現場兩個相鄰炮孔在不同延時時間下的應力波疊加情況，研究逐孔起爆的振動累積效應，得到數碼電子雷管降低爆破振動最佳的延時時間，并與現場爆破試驗進行了對比。結果表明:在該工程地質條件下，孔間延時時間7 ms起爆時降振效果最明顯。在北京地鐵16號線08標段的隧道爆破施工中采用這一延時時間，將爆破振動控制在允許范圍內。

關鍵詞:淺埋隧道數值模擬電子雷管延時時間現場試驗

近些年來，隨著我國城市化進程的快速推進，城市基礎交通設施的發展變得日益迫切，以地鐵為代表的城市軌道交通系統成為緩解特大城市交通擁堵的有效方式。目前，城市地下隧道硬巖段仍需要采用爆破技術掘進。但由于市區復雜的周邊環境，除了對周圍重要的建筑物基礎設施進行保護，更要考慮行車的安全、行人的心理感受等因素，這就對爆破振動的控制提出了更嚴格的要求［1］。

電子雷管毫秒延時逐孔起爆產生的地震波振速峰值小、頻率高、主振相持續時間短，具有降振效果明顯、爆破效果良好的特點，為科學的爆破參數優化提供了理論依據［2-3］。毫秒延時逐孔起爆技術實現了單孔依次順序起爆，將最大段裝藥量控制在一個炮孔的藥量范圍內。孔間采用合理的間隔時間可以使得各炮孔的振動信號錯峰疊加或峰谷抵消疊加，從而大幅度地降低爆破地震波的危害。巖石破碎體在移動拋擲過程中相互碰撞、擠壓，達到改善破碎效果的目的［4-5］。

隨著電子雷管爆破技術在各種復雜控制爆破工程中的廣泛應用，關于如何確定合理的間隔時間已成為工程爆破技術人員普遍關心的問題。但由于延時時間受諸多因素的影響，至今還沒有公認的理論和公式［6］確定。電子雷管延時時間的設定成為爆破安全技術中亟待解決的關鍵問題。

本文根據北京16號地鐵線隧道的工程地質條件，采用顯式非線性動力分析軟件LS-DYNA模擬兩個相鄰炮孔在0～11 ms不同延時時間下地震波的疊加干擾過程。結合現場爆破振動監測試驗，探討淺埋地鐵隧道電子雷管延時時間的選取，以充分發揮電子雷管精確延時的技術優勢和促進毫秒延時逐孔起爆技術在地鐵隧道施工中的推廣和應用。

1　工程簡介

1. 1工程概況

北京地鐵16號線08標段肖西區間中的區間風井—西苑站采用礦山法施工。隧道埋深約20 m，為城市淺埋隧道。爆破段位于L1豎井至L2豎井之間，單線長118. 2 m，爆破施工段示意如圖1。

圖1爆破施工段示意

爆破段場地位于永定河沖積扇中上部。隧道地層以強風化砂巖、中風化砂巖為主，洞身和底拱主要位于中風化砂巖中。中風化砂巖堅硬，完整性好，巖芯多呈長柱狀，飽和極限抗壓強度為91. 27～110. 70 MPa。

爆破段平行下穿圓明園西路，鄰近圓明園，行人、游客較多，爆破環境復雜。隧道西側與國際關系學院辦公樓最近水平距離為65 m，隧道東側臨近西苑北橋，水平距離為13 m。西苑北橋為城市快速路，車流量較大，在爆破施工時屬于重點保護對象，爆破振動需按2. 0 cm/s進行控制，爆破周邊環境見圖2。由于隧道整體埋深較淺，工程地質條件較差，開挖難度大;西苑公交樞紐站車輛、人流匯聚;周圍被保護建筑物密集，再加上本工程為北京地區五環內首次使用爆破開挖的隧道工程。因此，必須采取嚴格的減振與防護措施，最大限度地保護周圍建筑物的安全和避免對居民、行人的干擾。

圖2爆區周邊環境及測點布置

1. 2爆破方案

爆破方案遵守“弱爆破、微振動、短進尺、強支護、勤量測”的施工原則。采用分步分臺階開挖方案，嚴格控制炸藥單耗和單段最大藥量，控制爆破規模，以達到控制爆破質點振動速度的目的。根據工程設計資料、周邊環境、巖體地質條件，確定如下控制爆破方案:孔徑為42 mm，采用楔形掏槽方式，中間鉆4排掏槽孔，垂直深度1. 3 m，孔距0. 4 m，周邊采用光面爆破，孔深1. 2 m，孔距0. 5 m，單孔最大裝藥量為0. 9 kg，每次爆破進尺深度1 m。采用電子雷管起爆網路，按順序逐孔起爆，孔間延時時間的選取通過數值模擬和現場試驗的對比分析來確定。

1. 3測點布置

由于西苑北橋離爆源最近，為控制爆破振動對其產生的不利影響，利用數值仿真的方法分析孔間不同延時起爆時西苑北橋的振動情況，并在西苑北橋上布設測點，實時監測每次爆破的振動速度，評估對保護物的振動影響。根據監測結果，反饋到爆破設計方案中并及時調整孔網參數。爆源與測點的距離大約25 m，測點( + )布置參見圖2。

2延時時間的數值分析

2. 1計算模型

根據16號線地鐵隧道的實際情況，利用ANSYS/ LS-DYNA軟件建立兩個間距40 cm的炮孔，計算不同間隔時間起爆測點振動速度的變化情況。為計算簡便，將隧道掌子面三維空間模型簡化為準二維模型。模型尺寸為2 000 cm×2 000 cm×30 cm，炸藥尺寸為30 cm×30 cm×30 cm。建模時炸藥和巖石均使用映射法劃分網格，單元采用多物質ALE算法，使用無反射邊界條件模擬半無限巖石介質。由于炸藥和介質的尺寸相差懸殊，為方便觀看，截取計算模型的局部放大圖如圖3所示。

圖3計算模型局部放大

2. 2材料參數和狀態方程

采用高能燃燒模型( MAT_HIGH _EXPLOSIVE _ BUR)模擬二號巖石乳化炸藥，該模型定義了爆炸產物壓力［7］。

炸藥爆炸后爆轟產物流動行為將導致壓力與體積的變化，采用JWL( Jones-Wilkins-Lee)狀態方程描述爆轟C-J狀態后的壓力與體積、內能之間的關系。JWL狀態方程形式如下

式中: p為壓力; E為初始比內能; V為爆轟產物的相對體積; A，B，R1，R2，ω為炸藥參數。模擬中需輸入的乳化炸藥參數見表1。

表1乳化炸藥的數值模擬參數

巖石簡化為均勻、單一的彈塑性介質，材料模型采用彈塑性隨動硬化材料( MAT_PLASTIC_KINEMATI)，需要輸入的參數為密度、彈性模量、泊松比、切線模量、失效應變等。具體砂巖的力學性能參數見表2［8］。

2. 3計算結果與分析

1)兩孔不同時刻起爆應力波的干擾過程

通過對單自由面雙孔毫秒延時爆破過程的數值模擬計算，可動態觀察爆破過程中藥包爆炸形成的應力波傳播、反射、干涉等情況。圖4給出了兩孔間隔10 ms起爆時介質中不同時刻的有效應力云圖。

表2巖石的數值模擬參數

圖4炮孔應力疊加云圖

巖石介質中不同時刻的爆炸應力云圖清楚地再現了爆炸應力的產生、發展與重分布過程，兩個炮孔先后起爆會在某個時刻產生應力交集，通過應力云圖可以查看應力集中的區域。第一個炮孔起爆后爆炸應力波以爆源為中心快速向四周傳播，并對周圍介質產生強烈的破碎作用，緊接著第二個炮孔起爆，爆炸應力波同樣向周圍迅速地擴散，在某個時刻追上第一個炮孔的應力波，產生應力波的疊加，從而延長了對介質的作用時間。

2)孔間不同延時時間振速的變化

為對毫秒延時爆破地震波疊加規律進行定量分析，在LS-Prepost后處理程序中提取計算模型中與西苑北橋位置相對應的節點2543，查看該節點在兩個炮孔延時分別為0～11 ms時的垂向振動速度時程曲線。圖5為孔間延時分別為0和7 ms時的速度時程曲線，圖6為第一個炮孔單獨起爆的振動波形圖，并將對應的振動速度峰值整理繪制成折線圖，見圖7。由于邊界的透射性，振動衰減得很緩慢，余振相的持續時間較長，故取前50 ms的振動波形進行分析。

圖5 0和7 ms延時振動波形

圖6單孔爆破振動波形(第一炮孔)

圖7孔間不同延時對應的振速峰值

由圖7中振速峰值隨不同延時時間的變化趨勢，可以清楚地看到逐孔起爆與齊發起爆的降振效果相比是非常明顯的:當兩個炮孔同時起爆時，振動較大，最大振動速度達到了1. 53 cm/s，而當兩孔延時起爆時，振動明顯減小，降振率可達30%左右，說明前后兩個振動波產生疊加干擾，波峰與波谷相互抵消得較好。通過進一步分析發現兩孔間延時在6～8 ms時，降振效果是比較突出的，在此區間內7 ms延時的爆破振動峰值將近為齊發爆破的一半，爆破振動降低45%，為降振的最佳延時時間。孔間延時＞10 ms的振動峰值幾乎為第一炮孔單孔起爆的振動峰值(參見圖6)，說明第二炮孔產生的振動波已經追不上第一炮孔振動波的主振相，近乎單孔連續起爆。

3　現場試驗及應用

在地鐵隧道爆破全面施工前進行了多次試爆以驗證數值模擬結果，確定爆破現場降低爆破振動最佳的孔間延時時間。西苑北橋上測點布設如圖8所示。

圖8西苑北橋測振儀現場布置

隧道掌子面炮孔分掏槽孔、輔助孔和周邊孔三部分，每種類型炮孔延時100 ms。根據數值分析結果，現場共進行8次試爆，電子雷管的延時時間分別設定為5～9 ms，得到西苑北橋處地面的爆破振動有效數據5組，見表3。

表3不同延時時間的振動峰值

通過表3可看出在5～9 ms區間內7 ms延時的振動強度最小，主振頻率變大，說明數值模擬的結果和現場試驗是比較吻合的，具有一定的實踐指導意義。

圖9為延時設定7 ms時現場一次爆破振動時程曲線，爆破振動速度峰值為1. 19 cm/s，出現在272 ms時，為掏槽孔區域。周邊孔和下臺階由于良好的臨空面振動強度較小，振動持續時間為1. 16，1. 25 s后波形消失(近乎直線)。波形疊加后振動信號的頻率范圍變大，主頻也隨之變大，這對保護物的安全是極為有利的。

圖9孔間延時7 ms爆破振動實測波形

數值模擬分析和現場監測試驗充分表明該隧道工程孔間最佳的延時時間為7 ms，采用該延時設定進行隧道正常的爆破施工，嚴格控制了西苑北橋的振動在安全允許范圍內，極大地減小了爆破振動的危害。爆后圍巖穩定，無大的剝落和坍塌，斷面無大的起伏，掌子面附近爆堆比較分散，破碎塊度均勻適中，便于鏟裝，加快了后續的出渣工作，確保了工程質量和施工工期。

4　結語

城市地鐵隧道爆破施工由于復雜的周邊環境，需對爆破振動有害效應嚴加控制。電子雷管成功解決了該類隧道工程中的問題，并在破碎效果、循環進尺、降振方面有明顯的優勢，為解決復雜環境下地鐵隧道爆破開挖的安全問題提供了有效的技術手段。通過數值分析軟件模擬兩個炮孔不同延時的振動疊加情況，結果表明設定延時時間在6～8 ms可達到良好的降振效果，7 ms的延時效果最佳。數值模擬的結果和現場試驗的情況比較吻合，并在北京地鐵隧道爆破工程中應用，實踐證明孔間7 ms的延時嚴格控制了爆破振動，確保了工程質量和施工安全。

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(責任審編趙其文)

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本刊編輯部

Analysis of electronic detonator delay time for vibration-reducing in blasting excavation of shallow-buried tunnel

KANG Yongquan1，MENG Haili2，XUE Li2，SUN Cuiyuan1，GUAN Rensheng1
( 1．Postgraduate Department，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081;
2．Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

Abstract:In the background of Beijing subway tunnel blasting excavation engineering，the stress wave superimposition condition of two adjacent hole under different delay times on blasting spot was simulated by dynamic finite element software ANSYS/LS-DYNA for analyzing the blasting vibration cumulative effects of hole by hole and obtained the optimal delay time of digital electronic detonator for blasting vibration-reducing．T he calculation results were compared with those obtained from the field blasting test．T he results showed that the hole spacing delay time at 7 ms was the most obvious effect of blasting vibration-reducing in this engineering geological condition．Finally the delay time was applied in the blasting construction of tunnel at 08 section on No．16 M etro Line in Beijing，the blasting vibration velocity is controlled in the safety limit．

Key words:Shallow-buried tunnel; Numerical simulation; Electronic detonator; Delay time; Field test

文章編號:1003-1995( 2016) 01-0043-04

中圖分類號:U455．41

文獻標識碼:A

DOI:10．3969 /j．issn．1003-1995．2016．01．09

作者簡介:康永全( 1990—)，男，碩士研究生。

基金項目:中國鐵道科學研究院基金項目( 2014YJ028)

收稿日期:2015-11-05;修回日期: 2015-12-06