高原城區復雜敏感環境下淺埋隧道精細控制爆破技術

陳嘉賓

摘 要：以拉薩環城路（北段）市政工程建設項目東繞城路1號隧道淺埋段爆破施工為例，介紹了精細控制爆破數碼電子雷管在城區淺埋隧道中的應用，根據隧道不同的埋深及上方地表建筑物的分布情況，采用不同的控爆方案，進一步拓寬了其應用范圍，使其展現出了更廣闊的應用前景。

關鍵詞：高原城區;復雜敏感環境;淺埋隧道;精細控制爆破

1 工程概況

拉薩環城路（北段）市政工程建設項目東繞城路1號隧道位于拉薩市奪底鄉，為連拱式隧道，左、右線各長325 m;隧道凈寬10.25 m，凈高5 m，左右線均為1.5%的單向上坡;進口段左側緊鄰拉薩監獄、右側緊靠居民密集區，居民房屋多為磚混結構;距進口洞軸線上方40 m右側10 m處移動信號基站1座，距進口洞軸線上方70 m左側50 m處100 kV高壓電力塔1座;本隧道埋藏淺，最大埋深約75 m，進口段斜坡達到40°～60°，坡面覆蓋層大多為礫砂和碎石土，隧洞頂距地表最小距離3 m，覆蓋層力學性能低，穩定性差，強風化花崗巖體破碎，以鑲嵌碎裂結構為主，該段圍巖多為穩定性較差的Ⅴ類圍巖，建設單位要求盡可能降低爆破振動確保施工安全，絕對保證居民房屋的安全，保證周邊構筑物安全以及減少對周邊單位、居民正常辦公生活的干擾。

2 精細控制爆破數碼電子雷管原理

東繞城路1號隧道進口淺埋段采用數碼電子雷管精細控制爆破施工。

精細控制爆破數碼電子雷管是一種電子控制模塊對起爆過程進行控制的電雷管，其中電子控制模塊是指置于數碼電子雷管內部，具備雷管起爆延期時間任意設定控制、起爆能量控制功能，內置雷管身份信息碼和起爆密碼，能對自身功能、性能以及雷管點火元件的電性能進行測試，并能和起爆控制器及其它外部控制設備進行通信的專用電路模塊。

城區淺埋隧道精細控制數碼電子雷管爆破設計有以下5個特點：

（1）增加自由面作用：利用數碼電子雷管精準起爆延期時差，達到起爆能量創造新的輔助自由面：即先起爆炸藥在媒體中已造成一定的破壞，形成了一定寬的裂隙和創造新的自由面，后起爆孔的最小抵抗線和爆破作用方向都有所改變，增多了入射壓力波和反射拉伸波在自由面方向的破碎巖石作用，并減少夾制作用，提高了破裂效果也降低了爆破震動效應的目的。

（2）應力波疊加作用：利用數碼電子雷管精準起爆延期時間控制，達到起爆能量控制產生的爆炸應力波互相疊加：即先起爆炸藥在媒體中激起壓縮波從自由面反射成拉伸波后，再引爆以后炸藥，不僅能消除同時爆炸形成的無應力區或應力降低區，該區內應力波相互疊加增大了拉應力，加強破碎效果產生盡可能大的爆破環從而也達到降低爆破震動效應的目的。

（3）增加巖塊相互碰撞作用：利用數碼電子雷管精準起爆延期時間控制，達到起爆能量控制產生剩余應力的相互作用：即由于相鄰兩炸藥間隔時間極短，先起爆藥包區內的破碎巖石起飛尚未回落時，相鄰起炸藥已經起爆，此時破碎的巖石也朝剛形成的補充自由面方向飛散相互碰撞;在密集的“巖塊幕中”后爆炸藥的爆生氣體不易逸散到大氣中，從而又增加了補充破碎機會。接著后續炸藥又起爆，在時差合理的時間內，與先期破碎的巖石可能再次碰撞，這樣被爆媒體就會形成多次碰撞破碎，提高了巖石破碎率也達到降低爆破震動效應的目的。

（4）減小爆破地震作用：利用數碼電子雷管精準起爆延期時間控制，顯著地減小了單響的藥量，即將原來同時齊爆藥量在時間上得以分散，爆破地震能量也在時間上和空間上加以分散，爆破產生的震動波會相互干擾而削弱，從而降低了對地面的震動作用，減少地震效應而達到降振效果。

（5）組網安全可靠性：在爆破網絡的建設中，電子雷管還具有遠程檢查的技術優勢。在爆破網絡連接完成后，技術人員可以在安全環境下，利用遠程數碼設備對爆破網絡連接開展“一鍵檢測”工作，很好地提高了爆破工程的安全性、可靠性，促進了安全爆破施工理念的推廣。

3 數碼電子雷管起爆設計

3.1 數碼電子雷管使用流程

施工工藝流程為：測量布孔→鉆孔→量孔裝藥→堵孔→網路連接→電子雷管網路檢測→爆前警戒→起爆→爆后檢查。

3.2 數碼電子雷管技術參數

3.3 數碼電子雷管使用要點

數碼電子雷管采用銥缽表進行延時設計、雷管注冊、起爆網絡檢查及起爆。

3.3.1 網路設計

對爆破網絡各孔的延期序列進行設計，設計完成后，可在銥缽表上通過“延期修改”功能，輸入各孔的延期時間。也可利用爆破設計軟件完成網絡設計，設計完成后將設計數據下載到對應銥缽表。

3.3.2 注冊

開啟銥缽表，進入“雷管注冊”功能，將雷管的兩根腳線分別于銥缽表的注冊接線端接觸可靠，按“檢測”鍵對當前雷管進行檢測，檢測合格顯示當前雷管信息，按“注冊”鍵將當前雷管注冊到相應孔中。注冊成功后取下當前雷管進行下一發雷管的注冊。

3.3.3 組網

所有雷管均注冊完成后，將雷管放到對應爆破孔中，對爆破進行裝藥、填埋。將雷管腳線并聯接入網絡總線上。

3.3.4 測試

所有雷管在網絡總線上連接可靠后，將網絡總線連接到銥缽表的組網接線端，開啟銥缽表，進入“網絡測試”功能，由銥缽表對下轄雷管網絡進行測試，測試完成后，測試結果如提示有錯誤，則應關閉銥缽表對錯誤雷管的接線進行檢查吱吱網絡測試成功。

3.3.5 起爆

起爆前撤離爆破現場，將網絡總線延伸至安全距離外，雷管網絡總線接銥缽表的組網接線端，銥缽表再與起爆器相連。開啟銥缽表，起爆器，在起爆器上打開充電開關，進入“爆破流程”功能，按界面提示逐步完成點名、測試、充電，直至準備起爆。按起爆器起爆雙鍵，進入起爆倒計時，執行起爆。

4 數碼電子雷管控制爆破施工工藝

針對東繞城路1號隧道進口淺埋的客觀條件，為確保地表構筑物的安全，充分考慮到施工進度及施工效率，結合數碼電子雷管的性能和優勢，上臺階采用機械掏槽+數碼電子雷管控制爆破開挖法、數碼雷管一次起爆法、數碼雷管+普通毫秒雷管一次起爆法三種方案進行精細控制爆破開挖。

4.1 機械掏槽+數碼電子雷管精細控制爆破開挖法

機械掏槽+數碼電子雷管控制爆破開挖法，首先采用單臂掘進機對上臺階進行機械掏槽，掏槽面積長6 m×寬3.6 m，深2.5 m，創建爆破臨空面，然后對周邊圍巖采用數碼電子雷管起爆。

4.1.1 鉆爆設計原則及控制標準

根據地質條件，開挖斷面、開挖進尺、單臂掘進機性能、爆破器材等編制光面爆破設計。開挖進尺2 m，地表的振速控制在0.5 cm/s左右。

根據圍巖特點合理選擇周邊眼間距及周邊眼的最小抵抗線，輔助炮眼交錯均勻布置，周邊炮眼與輔助炮眼眼底在同一垂直面上，掏槽炮眼加深10 cm，炮眼堵塞長度10 cm。

4.1.2 光爆參數的選擇

光爆孔鉆孔時要嚴格控制鉆孔外插角度和外插量，保證輪廓面平整成型。

光面爆破參數：

炮孔直徑D孔=42 mm

藥卷直徑D藥=32 mm

炮孔間距E=（8～18）d或E=0.5 m～0.7 m，取值0.4 m

光爆層厚度W光=（10～12）d或0.6 m～0.8 m，取值0.6 m

周邊孔的密集系數m=E/W光=0.67

不耦合系數D=D孔/D藥=1.31

線裝藥密度q=0.1 kg/m～0.2 kg/m，取值0.1 kg/m

通過爆破試驗確定爆破參數，試驗時參數見表2。

4.1.3 其它各部位炮眼參數的選擇

根據爆破設計，上臺階進尺2 m，使用2號巖石乳化炸藥54.4 kg。

則根據公式：Q=K·S·L? （kg） （式1）

可得K=Q/（S·L）（kg/m3）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （式2）

式中? Q——一次爆破的總裝藥量，kg;

S——開挖斷面面積，S=71 m2;

L——炮眼深度，m;

K——炸藥單耗量，kg/m3。

則炸藥單耗量K=54.4/（48.2·2） =0.56（kg/m3）

單孔裝藥量可按下式計算：

q=K·a·W·L·λ? ?（kg） （式3）

式中? q——單孔裝藥量，kg;

a——炮眼間距，m;

W——炮眼爆破方向抵抗線，m;

L——炮眼深度，m;

K——炸藥單耗量，kg/m3;

λ——炮眼所在部位系數，可參閱表3選取;

擴槽眼裝藥系數λ=1.5，裝藥量計算：

q=K·a·W·L·λ

? =0.56·0.8·0.7·2·1.5=0.94（kg）

取q=1.0 kg。

其他各段位炮眼參數見表4，炮眼間距及最小抵抗線取最大值。

4.1.4 施工步驟

第一步：單臂掘進機就位后，做好除塵準備，在隧道中心用單臂掘進機截割一個寬6 m、高3.6 m、深2.5 m的小導洞，小導洞面積約為21.6 m2，開挖方量為54 m3。

第二步：退出單臂掘進機，裝載機配合自卸車出碴后，開挖臺架就位。沿Ⅰ部完成小導洞輪廓線，從隧道中心由內向外依次布設炮眼。如圖1所示。

掏槽眼：共計2個，孔深2.3 m，炮孔夾角為42°，裝藥量1.2 kg，采用數碼電子雷管逐孔爆破，孔間延時3 ms。

擴槽眼：共計17個，均為垂直打眼，與Ⅰ部開挖小導洞輪廓線間距W=70 cm，孔間距80 cm，孔深2.3 m，裝藥量1 kg。采用數碼電子雷管逐孔爆破，孔間延時3 ms。

進一步擴大臨空面，促進后續爆破作業。

輔助眼：共計18個，均為垂直打眼，相鄰炮孔間距80 cm，孔深2.2 m，裝藥量0.6 kg。采用數碼電子雷管逐個爆破，孔間延時3 ms。

二圈眼：共計22個，均為垂直打眼，相鄰炮孔間距70 cm，孔深2.2 m，裝藥量0.4 kg。采用數碼電子雷管逐個爆破，孔間延時3 ms。

周邊眼：共計53個，均為垂直打眼，孔間距40 cm，孔深2.2 m，裝藥量0.2 kg，采用數碼電子雷管逐個爆破，孔間延時3 ms。

底板眼：共計6個，孔間距80 cm，孔深2.2 m，裝藥量0.8 kg，采用數碼電子雷管逐個爆破，孔間延時3 ms。

4.1.5 裝藥量及起爆順序

裝藥量及起爆順序詳見表5。

4.2 數碼雷管一次起爆法

數碼雷管一次起爆法，即上臺階全部采用數碼雷管進行單孔精準微差控制爆破。

4.2.1 鉆爆設計原則及控制標準

根據地質條件，開挖斷面、開挖進尺，爆破器材等編制光面爆破設計。開挖進尺2 m，地表的振速控制在0.5 cm/s左右。

根據圍巖特點合理選擇周邊眼間距及周邊眼的最小抵抗線，輔助炮眼均勻布置，周邊炮眼與輔助炮眼眼底在同一垂直面上，掏槽炮眼加深10 cm，炮眼堵塞長度10 cm。

4.2.2 掏槽方式

掏槽方式采用雙楔形掏槽。

4.2.3 光爆參數

光爆參數選擇參照3.1。

4.2.4 炮眼布置及孔位延時設計

具體炮眼布置及孔位延遲設計見圖2。

在距上臺階底部約50 cm，距隧道中線2.1 m范圍內分別布設掏槽，第一排掏槽孔，共計14個，孔深1.5 m，與橫向夾角約40°，相鄰炮眼間距均為60 cm，孔內延時設置為5 ms，單孔裝藥量0.8 kg;在距隧道中線間距為2.6 m處設置第二排掏槽孔，共計12個，孔深為2.3 m，與橫向夾角約46°，相鄰炮孔間距為80 cm，單孔藥量1.0 kg，與第一排掏槽孔段間延時為30 ms，孔內延時為3 ms。

輔助眼共計57個，孔深2.2 m，孔內延時均為3 ms，段間延時均為50 ms，單孔裝藥量為0.6 kg～0.8 kg。

掏槽眼與輔助眼均采用數碼電子雷管逐孔起爆。

周邊眼共計51個，孔深2.2 m，相鄰炮孔間距40 cm，孔內延時均為3 ms，段間延時為60 ms，單孔裝藥量0.2 kg。

底板眼共計15個，孔深2.2 m，相鄰炮孔間距80 cm，孔內延時均為3 ms，段間延時60 ms，單孔裝藥量0.8 kg。

4.2.5 起爆順序及裝藥量

起爆順序及裝藥量詳見表6。

所有炮孔均采用42 mm鉆孔鉆設，成孔直徑約為50 mm。合計使用數碼電子雷管149發，總裝藥量為83 kg。

4.3 數碼雷管+普通毫秒雷管一次起爆法

數碼電子雷管+普通毫秒雷管一次起爆法，即上臺階掏槽眼及輔助眼采用數碼電子雷管起爆，周邊眼及底板眼采用普通毫秒雷管起爆。

4.3.1 鉆爆設計原則及控制標準

根據地質條件，開挖斷面、開挖進尺，爆破器材等編制光面爆破設計。開挖進尺2 m，地表的振速控制在0.5 cm/s左右。

根據圍巖特點合理選擇周邊眼間距及周邊眼的最小抵抗線，輔助炮眼均勻布置，周邊炮眼與輔助炮眼眼底在同一垂直面上，掏槽炮眼加深10 cm，炮眼堵塞長度10 cm。

4.3.2 掏槽方式

掏槽方式采用雙楔形掏槽。

4.3.3 光爆參數

光爆參數選擇參照3.1。

4.3.4 炮眼布置及孔位延時設計

具體炮眼布置及孔位延遲設計見圖3。

距上臺階底部約50 cm，距隧道中線2.1 m范圍內分別布設掏槽，第一排掏槽孔，共計14個，孔深1.5 m，與橫向夾角約40°，相鄰炮眼間距均為60 cm，孔內延時設置為5 ms，單孔裝藥量0.8 kg;在距隧道中線間距為2.6 m處設置第二排掏槽孔，共計12個，孔深為2.3 m，與橫向夾角約46°，相鄰炮孔間距為80 cm，單孔藥量1.0 kg，與第一排掏槽孔段間延時為30 ms，孔內延時為3 ms。

輔助眼共計57個，孔深2.2 m，孔內延時均為3 ms，段間延時均為50 ms，單孔裝藥量為0.6 kg～0.8 kg。

掏槽眼與輔助眼均采用數碼電子雷管逐孔起爆。

周邊眼共計51個，孔深2.2 m，相鄰炮孔間距40 cm，單孔裝藥量0.2 kg，采用11段和13段普通毫秒雷管分段起爆。

底板眼共計15個，孔深2.2 m，相鄰炮孔間距80 cm，單孔裝藥量0.8 kg，采用13段普通毫秒雷管起爆。

4.3.5 起爆順序及裝藥量

起爆順序及裝藥量詳見表7。

所有炮孔均采用42 mm鉆孔鉆設，成孔直徑約為50 mm。合計使用數碼電子雷管83發，普通毫秒雷管66發，總裝藥量為83 kg;單段最大藥量為周邊眼（13段）及底板眼（13段）起爆時，最大藥量為17.4 kg。

4.3.6 起爆網絡

采用并聯起爆網絡，使用數碼電子雷管銥缽起爆器起爆。

因數碼電子雷管與普通毫秒雷管起爆網絡與起爆器均不同，故兩者不能同時起爆。但由于兩者均為孔內延時網絡，且數碼電子雷管具有精度高的特點，將數碼電子雷管延期時間設置為0來代替電雷管起爆毫秒雷管，經現場多次試驗，均取得了良好的爆破效果，所以兩種雷管可以結合使用。

5 精細控爆方案優缺點比較

①機械掏槽+數碼電子雷管精細控制爆破開挖法：優點是降振效果最好，可靠度高，對隧道上方構筑物的影響最小;缺點是投入大、成本高、施工效率低。目前在東繞城路1號隧道進口段房屋密集地段、埋深10 m左右采用此方案。②數碼雷管一次起爆法：優點是降振效果好，可靠度較高，對隧道上方構筑物的影響較小，施工效率高;缺點是成本高。目前在東繞城路1號隧道進口段房屋較密集地段、埋深20 m左右采用此方案。③數碼雷管+普通毫秒雷管一次起爆法：優點是施工效率高、成本較低;缺點是可靠度低，起爆網絡復雜。

6 數碼電子雷管精細控制爆破技術總結

①數碼電子雷管精細控制爆破，在施工中依據振動監測數據及圍巖的情況不斷調整延期時間，使淺埋段地表振速有效地控制在0.35 cm/s～0.8 cm/s范圍內，顯著降低了爆破振動，達到預期效果。②非電雷管引起的松動圈為1.5 m～2.4 m，數碼電子電雷管引起的松動圈為0 m～1.5 m，顯著減輕對圍巖的損傷，對于城區上穿、下跨及淺埋段環境敏度高的隧道及地下工程等開挖有良好的適用性，前景廣闊。③數碼電子雷管與非電導爆管雷管相比，對于同樣爆破方量，使用數碼電子雷管可有效減少炸藥用量，減少量約20%左右。④數碼電子雷管目前生產廠家較少，雖然更安全、可靠、精準，但其使用成本高，起爆網絡繁雜，一定程度上限制了在弱爆破開挖中的應用。

參考文獻：

[1]北方邦杰科技發展公司.隆芯號數碼電子雷管.北京：北京邦杰科技發展公司，2009.

[2]何廣沂.工程爆破新技術[M].北京：中國鐵道出版社，2000.

[3]劉星.徐棟.幾種典型電子雷管簡介[J].火工品，2004（8）：45.

[4]重慶樞紐控制爆破技術的研究大綱2011-1.