孔外延期網路在隧道側穿危樓爆破中的應用研究

尹文綱, 王海亮, 張祖遠, 張富強

(1. 中鐵三局集團有限公司，山西 太原 030000; 2. 山東科技大學礦山災害預防控制省部共建教育部重點實驗室， 山東 青島 266590； 3. 江西省水利投資集團有限公司， 江西 南昌 330029)

0 引言

目前，在隧道爆破中，隧道所處環境振速要求不嚴格時，普通導爆管雷管以其20個段別足以使隧道斷面從掏槽眼到輔助眼再到周邊眼實現一次性全斷面起爆或以較少的次數逐次起爆。但是，當隧道所處環境對振速要求嚴格時，單段最大起爆藥量受到限制，炮眼間排距必須相應減小，而普通導爆管雷管只有20個段別，遠遠不能布滿斷面所有炮孔，因此，分次起爆的次數也就相應增加。目前，優化起爆網路是減少起爆次數的主要手段之一。近年來，國內外學者對導爆管起爆網路進行了一些研究。文獻[1]對導爆管起爆網路的可靠性進行了研究。文獻[2-3]對導爆管雷管孔外延期在中深孔爆破中的應用進行了研究。文獻[4-5]應用了大段別孔外延期技術對爆破網路進行優化設計，減少了因雷管段別限制而增加的爆破次數，降低了爆破所需時間。蔡路軍等[6]通過工程探索研究，提出了為降低爆破振動效應需減少爆破單響藥量并且相鄰段爆破間隔時間應大于50 ms的觀點。薛憲彬等[7]針對城市地下工程爆破振動易產生較大危害的問題，提出了合理的間隔時間、孔外延期和孔內分級爆破技術等振動控制措施。目前，對于復雜環境下的隧道爆破，如何在確保起爆網路可靠的同時降低爆破振速并提高施工效率，成為目前工程施工中的一大難題。

本文以青島地鐵2號線芝泉路站1號風道側穿危樓的鉆爆施工為背景，在振速控制要求為0.5 cm·s-1的條件下，通過現場爆破試驗及實測數據的分析，提出了利用20段普通導爆管雷管在多組之間進行孔外延期，并結合每組內部利用3段普通導爆管雷管進行孔外延期的起爆網路，以期為類似復雜環境下的隧道爆破提供指導。

1 工程概況

青島地鐵芝泉路站1號井風道開挖跨度為13.2 m，開挖高度為15.2 m，長度為23.58 m，采用6部“CRD法”施工。風道中板以上主要為中等風化花崗巖，局部位于強風化花崗巖下亞帶處，中板以下主要為微風化花崗巖。風道南側為延安路172號居民樓，居民樓外邊線距離風道開挖邊線7.5 m，居民樓與1號風道縱向位置關系如圖1所示。根據青島建學建筑工程司法鑒定所的鑒定結論可知，172號居民樓為危樓，爆破安全允許振速v≤0.5 cm·s-1。1號風道開挖順序為①—②—③—④—⑤—⑥。由圖1可知，1號風道實施爆破開挖的難點在于控制好風道①部的爆破振動速度，故本文選取1號風道①部作為試驗段進行爆破試驗。

圖1 1號風道與172號居民樓縱向位置關系圖(單位： mm)

Fig. 1 Cross-section showing relationship between ventilation channel No. 1 and residential building No. 172 (unit: mm)

2 風道①部爆破參數

風道①部作為最先實施爆破開挖的部分，在確定最終的爆破開挖參數前，進行了多次試炮。最初選定的循環進尺為1.0 m，采用復式楔形掏槽，周邊眼間距為300 mm,輔助眼間排距為400 mm，單孔裝藥量為0.2 kg，兩孔一段起爆，爆破效果良好，但測得爆破振速為1.0～1.5 cm·s-1，遠遠超過了爆破安全允許振速。為進一步降低爆破振動速度，以“多打眼、少裝藥、多段起爆”為原則[8-9]，重新設計鉆爆參數，取循環進尺為0.5 m，采用大直徑中空孔直眼掏槽，中空孔直徑為150 mm，周邊眼間距為300 mm，輔助眼間排距減小為350 mm。具體炮眼布置如圖2所示。

除尺寸標注外，阿拉伯數字均代表雷管段別。

圖2風道①部炮眼布置(單位： mm)

Fig. 2 Arrangement of blasting holes in part 1 of ventilation channel (unit: mm)

根據施工經驗，為了降低爆破振動，就必須最大限度地減小單段最大起爆藥量。針對本工程，為了使爆破振速低于0.5 cm·s-1，按照前期試炮經驗，必須采取單孔單段起爆的方法，單段最大起爆藥量按薩道夫斯基公式計算[10]。

式中：R為爆源與需要保護的建筑物之間的距離，考慮最不利因素，取拱頂至測點距離為20 m；Qmax為齊發爆破時的總藥量或延期爆破時的單段最大起爆藥量；V為保護對象所在地質點振動安全允許速度，本工程為0.5 cm·s-1；K、α分別為與爆破點至計算保護對象間的地形、地質條件有關的系數和衰減指數，根據前期試炮數據線性回歸，取K=200、α=1.6。

經計算，單段最大起爆藥量Qmax=0.106 kg，實際取Qmax=0.1 kg。

2.1 起爆網路

目前的城市隧道爆破中，通過孔外延期網路實現分段起爆已得到廣泛應用。由圖2可知，本工程要實現單孔單段起爆，需通過9組1～20段分次起爆。本工程將同一大斷面分為9個部分進行起爆，每組1～20段雷管起爆的部分定義為分斷面。為提高爆破效率，減少起爆次數，采用孔外延期技術對起爆網路進行設計，將圖2中的9個分斷面每2個斷面為一個分區一次起爆，共進行A、B、C、D、E 5個分區的5次爆破。其中，A-1分斷面用1段簇聯，A-2分斷面用20段簇聯，然后將引爆雷管1段和20段簇聯，單獨起爆。孔外延期起爆網路示意圖如圖3所示。實際裝藥連接時只要保證A-1分斷面中最后起爆炮孔與A-2分斷面首響炮孔間隔時間在30～50 ms以上，基本可避免爆破振動波的疊加[4,11]。其余各分區網路連接方法與A區一致。

阿拉伯數字表示炮孔中的雷管段別。

圖3孔外延期起爆網路示意圖

Fig. 3 Sketch of outer-hole delay detonating circuit

2.2 爆破振速

通過采用大直徑中空孔直眼掏槽、降低循環進尺、減小單段最大起爆藥量和炮眼間排距等措施，確定爆破參數，并利用圖3所示的孔外延期起爆網路進行爆破試驗，在圖1所示測點位置放置TC-4850爆破振動智能監測儀，在里程1FD00+1.5～+6.4連續進行10個循環的爆破試驗并監測，測得每次爆破振速峰值。爆破振速峰值波形圖如圖4所示。開挖循環數與振速峰值的關系曲線如圖5所示。由圖5可知，采用上述爆破方案，基本將民房基礎處質點的爆破振動速度控制在0.5 cm·s-1以下，平均振速峰值為0.346 cm·s-1，但也存在個別炮次超振的情況。經分析可知，出現個別炮次超振的原因是鉆眼質量不佳。由于工人疏忽大意，鉆取的個別炮孔超過設計孔深20 cm以上，使得小藥量在孔深較大的炮眼中起爆自由面不充分，受巖石夾制作用，爆炸能量大部分以振動波的形式傳遞到地表質點。實際施工中，嚴格控制好鉆孔質量也是爆破振動控制的關鍵。

2.3 存在問題

在采用上述爆破方案后，爆破振動得到有效控制，證明了爆破參數選取和起爆網路設置的合理性。但是，隨著試驗階段的結束，開挖工程開始正常進行，起爆網路的局限性開始顯現。由于試驗階段的重心是調整爆破參數，達到降振的目的，而正常開挖施工以后，重心調整到工程進度上。采用圖3所示的起爆網路，將風道①部分成圖2所示的A、B、C、D、E 5個分區進行5次起爆，爆破開挖用時過長，特別是A分區第1次起爆后，爆落的渣石常常在尚未起爆的B分區堆積，部分碎石片堵塞B分區的底板眼;在起爆B分區時，通常要動用挖掘機進行扒渣，部分底板眼還必須進行吹孔，耗費大量的時間。每循環分5次起爆，工人需通過深28 m豎井的安全梯上下攀爬5次到達爆破工作面，加上每次爆破后需通風等待炮煙消散，裝藥爆破平均總耗時4.5 h，施工效率達不到進度要求。

圖4 爆破振速峰值波形圖

圖5 開挖循環數與振速峰值的關系曲線

Fig. 5 Relationship between excavation cycles and vibration velocity peaks

3 改進網路

為了提高施工效率，就必須將裝藥爆破的總用時減小，因此，應進一步調整爆破參數。由分析可知，炮孔間排距、循環進尺、單孔裝藥量等參數一旦變化，將直接影響爆破振速的大小，而這些參數經試驗確定，減振效果基本符合安全允許振速的要求，且爆破用時過長的主要原因是爆破次數過多，所以，改進起爆網路、減少起爆次數[12]是提高施工效率的關鍵。

起爆次數過多的原因有2個： 一是每次通過孔外延期只起爆2個分斷面，起爆炮孔數量有限；二是在必須單孔單段起爆的前提下，風道①部使用1～20段普通導爆管雷管受到段數限制，分區過多。針對以上原因，提出了一種新的起爆網路，即利用20段普通導爆管雷進行多組之間的孔外延期，同時利用3段普通導爆管雷管在每組內部之間進行孔外延期。改進后的起爆網路如圖6所示。

阿拉伯數字代表炮孔中的雷管段別。

圖6改進后的起爆網路

Fig. 6 Improved detonation network

由圖6可以看出，改進后的起爆網路正是針對起爆次數過多的原因進行的優化，有如下特點。

1)利用20段雷管孔外延期一次起爆的組數增加為3組，實際施工中可根據需要進一步增加起爆組數，只要保證前一起爆區的最后一個炮孔早于后一起爆區的首響炮孔起爆，且時間間隔在50 ms以上即可。同時，為保證后起爆部分能夠順利起爆，需要盡量避免先起爆部分崩落的石塊砸斷后續尚未被引爆的導爆管。可采取的措施有：①將后續起爆部分的導爆管向遠離先起爆部分的方向收緊，并緊貼巖壁；②采用炮被、硬紙殼等遮蓋物將后起爆的部分導爆管遮蓋；③后續起爆部分的引爆雷管盡量采用雙發，以防止傳爆中斷，確保可靠引爆。實踐證明，采取上述措施后，基本可以避免盲炮的產生。

2)利用3段普通導爆管雷管進行了每組內部之間的孔外延期，即布置雷管時，第11段到第20段從原來的單孔單段布置增加到兩孔一段布置，在捆扎雷管時，先從11～20段重復段別中分別抽出一段用3段簇聯，再把3段與剩余的1～20段用起爆雷管簇聯，如圖6所示。利用3段雷管在每組內部之間孔外延期，可使每個分斷面多布置9～10個炮孔。同時，由于3段雷管名義延期時間為50 ms，而從11段雷管開始到第20段，每兩相鄰段別之間名義延期時間都在90 ms以上，相同段別增加1個3段延期后，正好可以錯開起爆時間，理論上可以實現逐孔起爆。各段名義延期時間見表1。

需要注意的是，普通導爆管雷管延期時間存在誤差，且段別越大，誤差越大[13]。采用孔外3段延期，只是從理論上避免了串段和重段的可能，實際上，如果11～20段誤差剛好在50 ms左右，炮孔就會同時起爆。所以在布置11～20段時，盡量布置在比自身段別小2段以上的炮孔之后，以充分利用先響炮孔創造的自由面，盡可能降低爆破振速。

表1孔外3段延期后各段名義延期時間

4 改進起爆網路后的工程應用

4.1 改進起爆網路后的炮眼布置

風道①部采用每組內部之間孔外3段延期后，每個分斷面可多布置9～10個炮孔，從而使風道①部分斷面個數從9個減少到6個，具體炮眼布置見圖7。從圖7可以看出，每3個分斷面為一個分區，只分了A、B兩分區，每個分區一次起爆3組，只需要2次即可完成1個循環的爆破開挖，且第1次就可將斷面下半部分全部起爆，避免了原網路易堵塞底板眼的弊端。應用此起爆網路后，爆破效果良好，爆破開挖用時比原來節省了2 h，提高了施工效率。

4.2 改進起爆網路后的爆破振速

風道①部采用改進的起爆網路后，在里程1FD00+8.5～+13.7進行了10個爆破開挖循環試驗，并在圖1所示的測點位置進行了爆破振動監測，測得每次爆破振速峰值如圖8所示。由圖8可知，采用改進的起爆網路，基本將172號居民樓基礎處質點的爆破振動速度控制在0.5 cm·s-1以下，平均振速峰值為0.364 cm·s-1，與原起爆網路爆破振速基本持平。可采用改進的起爆網路后并未發現有振動疊加的現象。

除尺寸標注外，阿拉伯數字均代表雷管段別。

圖7改進起爆網路后的炮眼布置(單位： mm)

Fig. 7 Arrangement of blasting holes after detonation circuit improvement (unit: mm)

圖8 起爆網路改進后開挖循環數與振速峰值的關系曲線

Fig. 8 Relationship between excavation cycles and vibration velocity peaks after detonation circuit improvement

5 結論與建議

隧道近距離側穿危樓爆破開挖時，爆破振速要求嚴格，單段最大起爆藥量及普通導爆管雷管段數受限，需要進行分次起爆。本文針對起爆次數過多的問題，經過試驗驗證，提出了一種適用于隧道側穿危樓爆破的新型起爆網路，得出以下結論：

1)隧道近距離側穿居民樓時，減小循環進尺和炮眼間排距、采用單孔單段進行分次爆破的方法可有效降低爆破振速。

2)風道①部利用20段普通導爆管雷管進行多組之間的孔外延期，同時利用3段普通導爆管雷管在每組內部之間進行孔外延期，使起爆次數從原來的5次減少到2次，每循環爆破開挖用時節省2 h，提高了施工效率。

3)通過現場振動監測數據可知，一次起爆3個分斷面，同時在每個分斷面進行孔外3段延期，可使改進后的起爆網路爆破平均振速峰值較原起爆網路提高5%，且未發現有振動疊加的現象。

4)振速要求嚴格條件下的爆破開挖仍是工程施工中的一大難點，本文以青島地鐵現場試驗為依據，提出了適用于本工程的普通導爆管分次爆破起爆網路，但存在一定的局限性。對于改進后的起爆網路是否會產生振動疊加現象，還需通過HHT變換理論等方法對延期時間進行進一步識別，提供更準確的判斷依據，從而更好地指導工程施工。