隧道爆破現場高速圖像采集與精確控制爆破參數研究*

龔 敏，吳昊駿

（北京科技大學土木與資源工程學院，北京 100083）

城市隧道的精確控制爆破是當前的發展方向，但其中一些技術難題，如第二臨空面形成準確時間、兼顧微差降振與爆破協同作用的時差選擇等仍未解決。原因是受目前測試手段所限，不能獲取現場隧道爆破圖像信息，研究巖石破裂與振動關系時沒有實測數據的支撐，難以準確確定隧道爆破關鍵參數，也就無法實現精確控制爆破。

高速攝影作為一種有效手段，較早被用于爆破模型研究中，Reinhardt 等[1]、Dally[2]利用動光彈研究應力波傳播特性及臺階爆破應力波與自由面的相互作用；現場應用方面，Brinkmann[3]、Chiappetta 等[4]分析了金礦爆破破巖過程、評估采礦爆破效果和改進設計，黃政華等[5]利用高速相機研究臺階爆破巖石移動時間及合理微差時間關系。近年來隨著高速數字攝像技術的應用，楊仁樹等[6]、李清等[7]用高速激光焦散法進行切縫藥包爆破機理系列研究；何理等[8]、張繼春等[9]探討了臺階微差爆破臨界延時和含軟弱夾層爆破的運動特征；朱寬等[10]以高速攝影結合應變測量分析煙囪定向爆破時各運動參量的變化；黃永輝等[11]、李祥龍等[12]、張建華等[13]對臺階爆破的巖體位移、鼓包、飛石速度、爆生氣體進行大量研究。但上述研究對象均是以露天工程為特征的臺階爆破、拆除爆破或實驗模型，目前還未見有利用高速攝像進行隧道現場爆破研究的文獻，其原因在于隧道內環境惡劣，相機防護、照明與拍攝參數變化、同步控制及施工干擾等諸多問題難以克服，實現爆破圖像采集非常困難。

本文中采用高速數字攝像系統，首次成功獲取隧道爆破現場巖石被起爆、破裂、拋擲的完整圖像，并同步取得爆破振動數據。通過對圖像數據精細化分析，得到第二臨空面大小與振速變化定量關系、臨空面形成準確時間，據此確定臨空面形成前后不同的微差設計；探討了兼顧同對掏槽炮孔爆破協同作用與微差降振的最優時間；這些研究可為今后隧道爆破研究提供新思路，有助于實現隧道精準控制爆破。

1 工程背景與研究內容

1.1 工程背景

渝中連接隧道是重慶市重點建設工程，位于渝中區小什字地區。隧道以砂巖為主，IV 級圍巖，斷面寬11.5 m、高9.5 m，隧道埋深19～25 m，采用上下臺階開挖。隧道施工環境非常復雜：地面高樓云集并有宋朝建筑羅漢寺；隧頂部與地鐵1 號線底板相切，隧底部是運行的地鐵6 號線。要求爆破時隧道全線地面振速不超1.0 cm/s，羅漢寺地區不超過0.5 cm/s，常規爆破難以滿足要求，需采用精確控制爆破技術。

1.2 研究內容

研究隧道精準控制爆破需要解決的如下問題：

（1）同對掏槽眼的爆破協同作用與微差降振之間的矛盾。

爆破協同作用是表示多個炮孔（如楔形掏槽每一對炮孔）相同時間爆破時對巖體的聯合作用，兩孔同時起爆效果最好但振動最大；微差爆破雖可降振，然而微差時間越長協同作用越差；本文將研究兼顧二者作用的臨界時差參數。

（2）第二臨空面形成過程與振動變化間的量化關系。

公認爆破第二臨空面形成后振速將顯著下降，但臨空面形成的準確時間、臨空面形成大小與振速變化關系、以及如何用于參數設計等問題仍未解決，對此將加以研究。

2 現場爆破實驗系統與爆破設計

2.1 現場爆破實驗測試系統

2.1.1 高速數字相機采集系統

數字高速圖像采集系統由Dalsa HM640 高速數字相機主機、數據采集器及自編接口程序組成。現場拍攝范圍為寬3 m、高2 m 的掏槽區，采用640×480 分辨率，照片分辨精度4.7 mm；圖像幅間延時根據爆破實際情況設為3 ms，圖1 是組裝的高速數字圖像采集和數據處理系統圖。

2.1.2 爆破與拍照同步控制系統與相機保護裝置

爆破與拍照同步控制方法為：外觸發啟動同步控制儀，同步儀發出兩路信號，一路輸入專用起爆器使雷管爆炸；另一路輸入相機系統啟動拍照，圖2 是現場相機控制布設方框圖。為準確確定照片中對應的起爆零時，另在起爆網絡中串聯一引火頭（使用雷管同廠產品）置于鏡頭邊沿，爆前試驗測試火花點燃～雷管爆炸時間，即可在采集圖片中準確標記起爆零時。

隧道爆破現場圖像采集的困難首先在于光源與相機保護，光源距工作面過近易被打壞，經試驗發現光源距工作面大于30 m、相機距工作面50 m 可確保相機不被破壞；其次與地面同等條件相比圖像分辨率下降較多，難以達到分析要求。為此相應調整隧道內拍攝參數后獲得較理想拍攝效果。

2.1.3 爆破振動測試裝置布設

現場爆破振動測試采用成都中科測控公司生產的TC-4850 測振儀，振動測點位于隧道爆源正上方地面處，距爆源24.3 m。

圖 1 高速攝像電控與數據處理系統圖Fig.1 Electronic control and data processing system of high-speed camera

圖 2 現場相機控制布設方框Fig.2 Camera control and layout on field

2.2 爆破方案設計與現場試驗起爆時刻確定方法

2.2.1 爆破方案設計

試驗樁號為左洞ZK14+138 m，上臺階采用兩次爆破，先爆下部(Ⅰ區)，再爆上部(Ⅱ區)，本試驗在Ⅰ區進行，采用8 孔楔形掏槽，掏槽孔單孔單段爆破。炮孔垂深1.8 m，堵塞長度0.4 m。為增加段別爆破時使用25 段定制高精度導爆管雷管，各名義段號孔間間隔為：17 段前間隔25 ms、17～20 段50 ms、20～25 段200 ms，以相鄰孔最小間隔不串段為原則，每批次各段雷管延時均有一定變動。爆破設計如圖3 所示。在工作面正前方布設高速攝像儀，隧道爆源正上方地面布置測振儀同步采集振動數據。

2.2.2 現場試驗時雷管實際起爆時刻的確定方法

在雷管出廠前每段取10 個樣本進行起爆延時測試，爆破試驗時掏槽所用前8 段雷管的每段最大、最小延時時間如圖4 所示；爆破試驗后需要準確確定各段雷管的實際起爆時刻，為此采用文獻[14]方法，根據實測爆破振動曲線，用EMD 法結合圖4 確定起爆時刻，具體過程本文中不再闡述。

圖 3 上臺階炮孔布設及爆破參數設計圖Fig.3 Holes layout of upper bench and design of blasting parameters

圖 4 掏槽雷管樣本各段延時范圍Fig.4 Initiation time delay ranges of detonators samples per period for cutting

3 實驗結果

2015 年10 月16 日在渝中隧道進行掏槽爆破高速圖像采集和振動測試，成功獲取427 張隧道爆破圖片，獲取圖像時間為起爆后0～1281 ms，幅間延時3 ms。為方便辨識，爆前每對掏槽孔之間用油漆標記連線，選取出具有代表性的巖石起爆、破裂、拋擲等部分圖片，如圖5 所示。從所獲圖像看，因采取嚴密堵孔防煙措施，起爆初期無煙塵，直到掏槽末期煙塵才開始出現，較有利于數據處理。圖6 是同時測得的地面正上方振動曲線。根據2.2.2 節所述方法確定了圖6 中2～8 各段準確起爆時間。注意圖中各段起爆到出現振動峰值需3～5 ms。

4 同對炮孔爆破協同作用與微差降振間矛盾研究

本文中將以現場爆破試驗為基礎，研究如何平衡爆破協同作用與微差降振間矛盾。鑒于圖3 中最先起爆兩孔為1～2 段，也是振動峰值主要產生時段，下面分析1～2 段爆破協同作用與微差降振時間的關系。

4.1 同對炮孔微差爆破協同作用分析

4.1.1 在獲得圖像中爆破協同作用的定義

同對炮孔協同作用過去只是一個定性概念，沒有明確定義。為研究方便，本文需要根據獲得現場高速攝像圖對其定義。

對圖片逐幀分析發現，爆破后炮孔周邊巖石先產生移動，隨后局部點破裂并擴展，兩孔附近巖石移動的先后與微差時序有關。故定義圖片中爆破協同作用為：每對掏槽斜眼先后爆破所影響的巖體一旦都發生相向移動，就認為產生了爆破協同作用，其對應時間可稱為爆破協同作用時間，每對斜眼掏槽爆破協同作用表現為巖體相互擠壓。

圖 5 隧道現場爆破掏槽區巖石破裂過程圖Fig.5 Rock failure processes of cutting blasting on field

圖 6 2015.10.16 爆破振動曲線（掏槽區）Fig.6 Blast-induced vibration curve on October 16, 2015(cutting zone)

爆破協同作用的工程意義是：不同孔（圖中兩孔）在起爆后同一時間段內使巖石產生移動；微差間隔越長、移動的同一時段越短，直至消失即無爆破協同作用。

4.1.2 保持雙孔爆破協同作用的微差時間臨界時段分析

圖7 為掏槽區部分實測照片，因拍攝原因掏槽區右半側未全部顯示，但因主要研究的首爆孔在左側不影響分析。1～2 段起爆間隔39 ms，紅線為左邊1 段孔引起巖石移動邊界線，綠線為2 段孔引起右側巖石移動邊界線，黃色小點是炮孔。圖片中距離信息采集方法為：將照片以OLE 對象方式插入CAD 中，并將照片比例縮放到與實際拍攝范圍同樣大小的尺寸，通過CAD 標注量取所需尺寸信息。

當1 段炮孔起爆（18 ms）以前，掏槽區巖石從圖片上看不出任何變化，起爆18 ms 開始巖石發生較大面積整體移動，爆破對周邊巖石產生擠壓作用，與前一時刻無移動相比沒有中間過渡階段。圖7(a)標出了巖體移動方向和范圍。

第2 段起爆時間為39 ms，2 段爆破后導致右邊巖塊移動時間為54 ms，故2 段起爆到巖石移動用時15 ms，與1 段的18 ms 大體相當，由此判斷巖石移動時間在爆后15～18 ms。每一對炮孔微差起爆引起掏槽區巖塊移動的方向相反，圖7(d)表明起爆87 ms 后只有右側巖石的移動。

圖8～9 是同對孔微差起爆后起爆時間與左右兩側巖體移動面積、移動巖體占掏槽區面積百分率關系圖。由圖8～9 可知起爆18 ms 時巖石移動面積即占整個掏槽區47%，沒有中間過渡而呈突變趨勢；起爆54 ms 以前左側1 段孔影響的移動面積不斷擴大；54～72 ms 之間隨著右側2 段孔爆破影響，左側移動巖體影響面積相對壓縮，右側移動巖體影響面積增加，54 ms 時二者占88%的掏槽區面積，覆蓋了區內主要巖體，巖石移動區間已接近整個掏槽區；72 ms 以后沒有巖體向右移動，此時左孔爆破作用基本消失，只剩右側后爆孔影響巖體向左移動。

圖 7 炮孔起爆初期巖體的移動方向和范圍Fig.7 The moving direction and ranges of the rock mass at the initial stage of blasting

圖 8 掏槽區巖體移動面積隨時間變化圖Fig.8 Moving area change of rock mass with time in cutting blasting

圖 9 移動巖體占掏槽區面積比例隨時間變化圖Fig.9 The area proportion of moving rock mass in cutting zone change with time

綜上所述，左孔在起爆后18～72 ms 時段移動，左孔引起巖體移動時間為54 ms。兩孔微差起爆間隔39 ms 條件下有18 ms 協同作用時間，這個時段內掏槽區內巖石幾乎都發生移動。由此可推斷當兩孔微差時間大于72-(18～15)=54～57 ms 時將沒有爆破協同作用，兩孔各自產生獨立爆破漏斗，為保險起見，具有協同作用的最大微差時間應不大于50 ms。

需指出逐孔掏槽時通常只研究首先爆破同對炮孔的爆破協同作用，研究表明[15]后續同對炮孔爆破時首爆孔已形成第二臨空面，爆破協同作用對爆破效果影響較小。

4.2 兩孔不同微差時間起爆對合成振速大小影響

下面將分析確保安全振速指標的最小微差間隔時間。需計算兩孔微差爆破的合成振速，并以羅漢寺振速不超0.5 cm/s 為安全標準進行分析。

根據作者前期研究，以單孔單自由面爆破振動數據作為計算振源，進行振動曲線擬合后可計算不同微差爆破的合成振速。大量研究表明單孔爆破振動曲線在起爆40 ms 后最大振速只有峰值振速的1/10 左右，由于圖6 實測振動曲線中2 段雷管在39 ms 起爆，在此之后3～4 ms 才有振動變化，故可近似按實測爆破振動曲線前40 ms 作為單孔單自由面爆破振動曲線，如圖10 所示。

兩孔不同微差時間的爆破合成振速計算方法在文獻[15]中已詳細闡述，在此僅給出計算結果，以1 ms 為增量、微差間隔取1～45 ms 計算不同間隔最大峰值振速，如圖11 所示。從計算結果看：兩孔微差起爆時，間隔時間在7 ms 以內多個時間振速超過0.5 cm/s，隨著兩孔微差間隔增加，合成振速由高向低逐步下降。就本工程而言，微差時間8 ms 以上可確保振速不超0.5 cm/s 安全標準，但起爆間隔越長爆破協同作用越差。

圖 10 隧道單孔單自由面爆破正上方地面振動曲線圖Fig.10 Ground vibration curve which is directly above a single shot with single free surface

圖 11 兩孔不同微差起爆時間對應的合成振速圖Fig.11 Superposition vibration velocity corresponding to two different millisecond delay times between two holes

4.3 兼顧兩孔協同作用與振動控制的微差時間

綜合4.1、4.2 研究結果，兼顧渝中隧道炮孔協同作用與振動控制的合理微差間隔在8～50 ms 之間，此范圍內盡量取小值以保證爆破協同作用；將這一方法應用于渝中隧道，爆破與振動控制均取得良好效果。

5 第二臨空面形成過程與振速變化關系

爆破第二臨空面的工程意義是：形成后爆破振速顯著下降、炸藥單耗顯著降低；但因過去無法準確確定形成時間，通常采取盡量增大微差間隔時間等保守方法進行設計。下面將以現場振動數據和爆破圖片為基礎，研究第二臨空面形成時間、形成時尺寸及與振速變化的關系。

5.1 第二臨空面形成時間的初步確定

學術界對爆破空洞多大尺寸可稱為第二臨空面并無準確說法，故本文定義當振速顯著下降的起始時間即為第二臨空面形成時刻，此時爆破形成的空洞大小為第二臨空面形成尺寸。而怎樣確定爆破振速顯著下降的時間、用什么方法去界定爆破振速為顯著下降，則是研究的關鍵。

本文方法是：在前面已獲單孔爆破振動曲線（4.2 節）和8 孔微差起爆各時刻（見圖6）基礎上，計算得到8 孔微差爆破合成振動曲線如圖12 黑色曲線2 所示，其計算方法見文獻[15]，過程不再贅述，僅列出8 孔疊加垂直方向振動波形函數如下：

式中：m=8，Δti為各段雷管實際起爆時刻，i=1, 2,…, 8。

注意：上述計算合成振動曲線是在沒有考慮第二臨空面影響條件下得出的，而現場實測得到了逐孔逐段掏槽爆破振動曲線見圖6，把曲線2 與圖6 實測振動曲線放在同一張圖上比較，如圖12 所示，將其定義為在相同時刻振速差異相差50%以上即為第二臨空面形成時間。

圖 12 計算合成振動曲線與實測振動曲線的對比Fig.12 Comparation of the calculated superposed vibration curve and the measured one

由圖12 可知，綠色方框內時段二者曲線幾乎重合，起爆75 ms 以后計算合成振速與實測振速峰值點差異超過了50%以上，即3 段以后各段起爆時形成的振動峰值均較計算振速顯著下降，因此可以判定本次爆破至少75 ms 以前形成了第二臨空面。

5.2 第二臨空面形成與振動變化間關系和臨空面形成時間的進一步確定

根據獲得的現場攝像圖片研究如下問題：（1）掏槽爆破后裂隙形成、擴大成新臨空面過程及與振動變化關系；（2）進一步確定第二臨空面形成時間。上述第二臨空面確定方法是根據各段起爆后形成振動峰值變化對比，但非電雷管各段延時間隔較大，當第二臨空面形成于兩段之間時難以準確判定時間。

5.2.1 爆破裂隙形成擴展規律

從圖5 可以看出1 段孔爆破后裂隙主要向中上部3 段孔方向發展，故重點分析炮孔中上部近區巖體裂隙變化過程。對圖片進行連續分析后發現，爆破裂隙并不是剛起爆就產生，最初裂隙為起爆21 ms 即巖體移動3 s 左右形成，位于1 段孔稍向下位置。隨著時間推移裂隙形成空洞，如圖5 中t2～t7黃色空洞范圍，黃色空洞主要部分向上方3 段孔方向繼續擴大；位于1 段孔水平線以下向5 段孔方向延伸。

由于空洞向上方延伸后對后面3 段孔爆破效果和振動變化影響極大，根據獲得的攝像圖片，利用CAD 對空洞尺寸變化進行計算處理，得到20 張圖片中空洞擴展的準確數據，圖13 顯示了6 個關鍵時段爆破空洞尺寸擴展成臨空面的動態變化過程。

空洞（裂隙）在縱、橫向長度隨起爆時間變化如圖14 所示。圖中爆破初期空洞擴張很快，起爆21 ms時空洞橫、縱向長度即達15.5 cm 和13.02 cm；但縱、橫向長度曲線均存在拐點，縱向拐點A 的時間為54 ms，橫向拐點B 為33 ms，曲線拐點以后位于平臺區，隨著時間增加縱橫向空洞增長緩慢，表明第二臨空面尺寸增加是有限度的；其最大空洞長度產生于起爆后78 ms，此時縱橫向長度分別為129.09 cm和62.06 cm。

值得注意的是，33 ms 以后空洞橫向較縱向增長明顯減少，且隨著時間增加這種趨勢更加顯著，這一特征將在今后作深入研究。

5.2.2 爆破裂隙擴展與振速變化關系和第二臨空面形成時間的更準確確定

依據現場高速攝像圖結合實測振動曲線，做出起爆時間與爆破空洞兩個方向長度擴展過程（見圖14）、以及與振動變化（見圖6）之間的關系如圖15所示。

右孔2 段爆破振動峰值形成于起爆后42 ms，從圖14 可知，此時已爆1 段孔形成的空洞水平長度52.3 cm，同對掏槽孔（1～2 段炮孔）孔口相距3.8 m，1～2 段起爆時差39 ms，當起爆39 ms 時空洞橫向長度僅50 cm，即最小抵抗線大于3.3 m，遠不能到2 段孔起爆附近位置。因此雷管逐孔掏槽時，2 段起爆引起的爆破振動不可能因1 段爆破形成的臨空面降低（通常隧道同對掏槽孔孔口距都大于2 m），換句話說，1 段爆破形成的臨空面對2 段爆破的合成振速影響很小。

進一步分析可知，振速大小基本不受空洞橫向長度增長影響。因起爆42 ms 時爆破振動達到峰值，此時曲線1 位于圖15 中虛線圍成的平臺區，隨著時間增加空洞橫向長度變化較小（最大相差15.7%），即平臺區既有振動峰值點又有振速顯著下降點（根據5.1 節可知，至少78 ms 形成第二臨空面），說明曲線平臺區橫向長度變化與振速變化沒有直接關系。

圖 13 典型起爆時刻空洞尺寸變化的計算結果圖Fig.13 Calculation results of the cave's size change at typical initiation time

圖 14 兩個方向爆破空洞長度隨時間變化圖Fig.14 Cave size change with time in two directions

圖 15 空洞尺寸、振速、起爆時間之間動態關系圖Fig.15 Dynamic relationship among cave size, vibration velocity and initiation time

對振速影響最大的是空洞縱向長度的擴展，從圖15 中曲線2 可以看出，2 段起爆后空洞縱向長度未達曲線平臺區，即此時空洞縱向長度86.3 cm 不足以使2 段振速顯著降低；如前所述，3 段起爆在78 ms的合成振速顯著下降，且曲線2 虛線所圍平臺區振速都很低；平臺區內不同時間空洞縱向長度基本相同（起爆54 ms 與起爆78 ms 空洞縱向長度僅差3.1%），起爆78 ms 時因第二臨空面形成導致振速下降，而在54 ms 的空洞尺寸與其基本相同，故可推斷導致振速顯著下降的空洞在起爆后54 ms 時就已形成，此時空洞即第二臨空面，其縱向長度為125.02 cm，因此通過爆破圖片分析，可將前面研究的78 ms 以前形成第二臨空面更準確確定為起爆后54 ms 前形成。

上述研究表明：不是形成爆破空洞即可使振速下降，空洞不同方向尺寸對振速影響有很大差異。

5.3 工程應用

第二臨空面形成時間對微震爆破設計具有重要意義：形成前逐孔逐段爆破控制振速，形成后兩孔同段提高爆破效率。將此方法應用于渝中隧道ZK14+123.2 m 上臺階爆破，由于事先已測得各段雷管延時范圍，3 段雷管延時范圍為61～83 ms，其最小延時61 ms 大于第二臨空面形成時間54 ms，但為安全起見1～4 段采用逐孔掏槽，后面采用兩孔同段掏槽，即從原設計逐孔逐段掏槽優化為圖16(a)，由實測爆破振動曲線圖16(b)可知，所有掏槽爆破時段振速均不超過0.5 cm/s，說明第二臨空面形成后即使同段藥量增加2 倍仍滿足安全要求。

圖 16 優化后的隧道掏槽爆破設計與實測振動曲線圖Fig.16 Optimized cut blasting design and vibration curve measured in the tunnel

6 結 論

(1) 成功建立了高速數字攝像隧道現場爆破測試系統，首次實現隧道爆破圖像采集，獲取了巖體爆破后移動、破裂、拋擲的完整圖片信息并同步進行爆破振動測試分析，這是隧道爆破現場測試具有重要意義的突破，為今后隧道爆破研究提供了新的途徑和可借鑒的方法。

(2) 通過隧道爆破攝像圖片結合振動測試數據，研究了同對炮孔微差爆破時保持爆破協同作用的臨界時差參數，確定了兼顧楔形掏槽同對槽眼協同作用與微差降振的起爆時差區間；渝中連接隧道在0.5 cm/s控制振速下，具有協同作用的最大微差時間范圍為8～50 ms，此范圍內微差時間越小爆破效果越好。

(3) 提出了確定第二臨空面形成時間的兩種方法：即初步確定可對比計算合成振動曲線與現場實測振動曲線的差異；更準確的方法為根據隧道巖石破裂過程的高速攝像分析結合實測振動數據得出。據此發現渝中隧道現場爆破試驗時第二臨空面在起爆54 ms 形成，用此優化掏槽爆破設計效果良好。上述研究對隧道精確控制爆破具有重要的理論與應用價值。

(4) 研究發現巖石破裂過程一些特征和規律：炸藥起爆15～18 ms 后被爆巖體產生移動，21 ms 左右形成空洞并不斷擴展最后拋出；空洞形成初期(縱向54 ms、橫向33 ms)增加較快，此后增長緩慢直至停止，最大可見尺寸長129.09 cm、寬62.06 cm；

(5) 對于隧道楔形逐孔掏槽爆破，首爆孔形成的臨空面不可能使2 段孔引起的振動峰值降低；爆破形成空洞的縱向長度對后續段合成振速具有重要影響，橫向長度對振速影響較小。

重慶中環建設有限公司渝中項目部李俊松總工在現場圖像采集過程中提供了支持，研究生侯航波、李思奇參加了部分圖像處理工作，謹在此表示感謝！