電子數碼雷管與掏槽眼分段裝藥延時爆破技術在小凈距超大跨徑隧道的應用

王亞雄

(保利長大工程有限公司，廣東 廣州 510000)

1 仙人洞隧道工程概況

仙人洞地處貴州省黔南州長順縣，屬于都勻至安順高速公路主線隧道，設計形式為雙向八車道分離式隧道。隧道左洞長度為720 m，右洞長度為615 m，本次試驗段選取仙人洞隧道進口淺埋小凈距段落，先行隧道為左洞，后行洞掌子面為K136+400，該處隧道凈距為31 m，隧道開挖最大跨徑為22.28 m，斷面面積為246 m2。圍巖等級為SX-Ⅴa，掌子面巖性為中風化灰?guī)r。先行洞對應樁號為Z2K136+400，初支已封閉成環(huán)，仰拱澆筑完畢，暫未施工二次襯砌。

2 小凈距隧道相鄰洞初支震動監(jiān)測

2.1 爆破監(jiān)測儀器選擇

仙人洞隧道進口后行洞初支的震動監(jiān)測傳感器采用三相速度傳感器，數據采集使用遙感爆破測振儀，型號為TC-4850N。該傳感器的的震動速度測量范圍在0.05 mm/s到200 mm/s之間，可以滿足本次隧道初支振動測速的要求。遙感爆破測振儀可通過無線通信獲取傳感器測得的初支振動速度和加速度并將數據記錄。通過分析爆破震動記錄儀的數據，并繪制出時間-振速曲線，可以了解到爆破參數調整前后的震動變化規(guī)律[1]。

2.2 監(jiān)測點布置

本次試驗段震動監(jiān)測點布置在先行洞隧道內，監(jiān)測布置分為兩種方式：第一種，對應樁號為Z2K136+350～Z2K136+450，一共布置11組監(jiān)測點，每組監(jiān)測點縱向間距為5 m，以分析爆破震動波對已施工隧道縱向方向影響程度的差異；第二種，為測出鄰洞爆破振動波影響最大的環(huán)向測點，在距離后行動爆破掌子面垂直距離最小的全斷面均勻布設一環(huán)7組傳感器。

3 掌子面掏槽技術參數調整與電子數碼雷管的應用

光面爆破階段，掏槽眼是最先起爆的，在掏槽階段由于掌子面圍巖完整，沒有臨空面，圍巖對起爆點夾制力最強，同時掏槽眼裝藥集中、爆破能量大，兩者因素相疊加，導致掏槽眼相對于其他爆破眼產生的震動最為劇烈，因此隧道減震爆破的關鍵著手點是在掏槽爆破階段對掏槽眼的深度、角度以及裝藥形式、數量進行減震設計。

楔形分段毫秒掏槽減震爆破技術是近五年來開始逐漸應用到隧道施工中，楔形掏槽方式與孔內微差爆破均分別有應用實例，楔形掏槽因為施工簡單、相對直眼掏槽炸藥用量小、掏槽成功率高的優(yōu)點，已經在隧道鉆爆施工中有大面積的應用[2]。

而以往的實踐證明，單孔內部的分段爆破相對一次爆破可有效降低孔底炮眼殘留的現象。

楔形分段毫秒掏槽減震爆破結合了這兩種爆破技術，該技術通過計算優(yōu)化傳統楔形掏槽炮眼，并按計算結果確定數量的炸藥分段、分距離填裝并通過電子數碼雷管延時起爆，可以大幅縮小單段爆破能量和最小抵抗線，讓巖體抗震抗夾持作用合理分配到不同的時間和空間。在外層裝藥爆破后可在楔形掏槽體中間部位產生裂隙，將楔形體分割成外腔與內腔，一部分外層爆破產生的能量消除在外腔巖體內，進而減少傳遞至整體圍巖的的能量，以此達到分解單次最大爆破藥量，降低掏槽階段引發(fā)的最高巖體振動速度。

為了實現精確、高成功率的毫秒延遲爆破，必須引進高精確度的電子數碼雷管，可以保證分段毫秒延時的成功率，有效降低錯爆漏爆的現象。

3.1 楔形分段掏槽爆破設計

后行洞試驗掌子面的里程樁號為K136+400，開挖方式為三臺階開挖法，試驗均選擇上臺階掌子面，圍巖裂隙不發(fā)育，巖體位硬質灰?guī)r，普氏系數f為8，屬于較堅固巖體，室內試驗測定灰?guī)r密度約為2 450 kg/m3，彈性模量4.2 GPa。

根據圍巖情況以及掌子面尺寸，掏槽眼參數設計為：孔深2.7 m，分左右豎向排列，間距0.5 m，首段掏槽深度與二段掏槽深度比值K1取1.78。楔形分段掏槽爆破的關鍵點在于外層炸藥爆破后應在楔形槽體中間部位爆破出貫通的裂隙，已達到完全將楔形槽體分割為內腔及外腔的目的。在首段炸藥爆破時，楔形槽體的破壞應在分割面產生強烈的拉伸破壞，而二段炸藥爆破時應能確保內腔巖體發(fā)生破損后，將爆炸能往掌子面外部引導，一次將首段爆破的殘渣和二段爆破的腔體石渣拋出楔形槽，為后續(xù)爆破提供臨空面。

爆破裝藥參數和雷管分段數據見表1。

表1 上臺階爆破主要參數

在分段爆破裝藥結構中，外層裝藥先爆破，內層裝藥后爆破，其時間差Δt應依據巖體物理參數、裝藥結構參數綜合確定，以保證達到減震效果的同時滿足后續(xù)起爆點的掏槽需求。

(1)

式中：t1為外首段炸藥的起爆時間；t2為外槽腔質心距爆源(R)引發(fā)振動波的正相位發(fā)生時間；Vr為裂隙的擴展速度，Vr=0.380Cp；β是破碎角；S為破碎的巖石脫離基巖距離，可取1～2 cm；Vp為碎巖石運動的速度，可取5～8 m/s；kp為與掌子面現場條件相關的系數，根據掌子面圍巖情況可取0.01～0.03。

根據上式計算得到

t1=2.41/(sin75°×3 200)+2.41/(481×sin75°×cos15°)+4×0.02/4=0.025 3 s=25.3 ms

(5) 血小板GPⅡb/Ⅲa類受體拮抗劑國內目前使用的GPI主要為替羅非班。應考慮在PCI過程中使用GPI，尤其是高危(cTn升高、合并糖尿病等)或血栓并發(fā)癥患者(Ⅱa,C)。不建議早期常規(guī)使用GPI(Ⅲ,A)。

(2)

t2=0.02×ln(14)=53 ms

(3)

結合現場實際數據可得出，掏槽孔傾角θ可取75°，楔形掏槽爆破時間段延遲時間△t≥max{t1，t2}=53 ms。

3.2 電子數碼雷管的應用

電子數碼雷管的數控模塊具有抗靜電、抗雜散電流的功能，能有效避免起爆過程中復雜環(huán)境對單個雷管起爆控制的影響，電子數碼雷管的起爆模塊中還包含網路檢測功能，能在安裝好起爆網絡后起爆前進行網路自檢并找出網路錯誤點，輔助爆破人員糾正錯誤，因此電子數碼雷管支持更加復雜的爆破網路設計[4]。

普通毫秒延時雷管延時誤差范圍較大，1段雷管延時正負誤差為13 ms，3段雷管正負誤差為10 ms，而內外層裝藥延遲時間僅有53 ms，誤差過大，一旦掏槽眼發(fā)生延時錯誤，會導致同時起爆或者內層裝藥啞炮，因此產生連鎖效應導致本次光面爆破失敗，綜上，采用延時精度高達±1 ms的電子數碼雷管是保證分段掏槽的成功率的必要條件。

電子數碼雷管內部集成ECM和爆能控制器，ECM具備可編程特性，可在施工現場對ECM中的身份信息、起爆密碼進行驗證，并設置起爆延遲時間。ECM的控制和編程可通過起爆控制器進行操作。ECM完成信息認真后將起爆控制信息傳遞給爆能控制器，爆能控制器能通過存儲和釋放電能完成點火操作。

因此電子數碼雷管具備起爆信息驗證、可自檢性和高精度起爆控制的特點。

4 爆破結果及震動影響數據分析

本次爆破分兩次，首次次為普通一次裝藥掏槽，第二次炮眼不變，在楔形炮孔內進行分段裝藥，具體參數按計算結果設置。

每次爆破前在先行洞最不利斷面安裝好三向傳感器，通過遙感測振儀采集震動數據，得出數據見表2。

圖1 各次試驗測點振速峰值對比圖

圖2 拱頂震動監(jiān)測波形對比圖

表2 傳統光爆與改進后爆破 先行洞測點震動峰值對比表

通過分析普通楔形掏槽實測震動速度波形可得出如下結論：傳統的普通楔形掏槽方式需要一次起爆掏槽孔內所有的炸藥，楔形掏槽巖體需要在一次炸藥爆炸中完成所有的破碎、拋擲程序，而掏槽眼是所有炮眼中裝藥量最大、且沒有臨空面的炮眼，因此其產生的震動波形明顯強度大于其他類型的炮孔。

在試驗過程中，傳統楔形掏槽光面爆破引起的先行洞最不利斷面拱頂傳感器測得的峰值振動速度為4.3 cm/s，而在分段裝藥延時起爆的爆破方式中，由于掏槽孔內的炸藥分別在1段和3段起爆，掏槽腔楔形巖體分為外腔和內腔，依次被破碎后向外拋擲，將整個楔形巖體的巖層夾制力分2次克服，明顯降低了掏槽眼爆破時產生的峰值震動。

由波形圖可以看出，改進后的掏槽爆破階段振動波形可以明顯區(qū)分出兩段，該兩段波形峰值振動速度分別為2.01 cm/s和1.75 cm/s。在整個爆破階段產生的震動峰值最高的階段為輔助眼爆破產生的震動，爆破階段產生的峰值爆破速度大大降低。

綜合現場觀測結果和監(jiān)測數據分析，可以得到：電子數碼雷管與楔形掏槽眼內分段裝藥并延遲起爆技術的合理應用，相對于傳統的常規(guī)導爆管楔形掏槽爆破方式可將隧道在鉆爆掘進過程時引起的小凈距鄰洞初支振動峰值速度降低25%～38%，達到了顯著的減震效果。

5 結 論

基于實體工程，實踐引用了電子數碼雷管+楔形分段掏槽毫秒微差爆破技術，并將該技術與傳統楔形掏槽爆破技術做橫向對比，得出的結論如下。

(1)在楔形掏槽炮眼內分段裝藥并延時起爆的技術，可將傳統的一次掏槽爆破中巖體夾制作用分兩次釋放，有效降低一次爆破中的引發(fā)的巖體最大振動強度，并能保證良好的掏槽效果，為輔助眼、掘進眼的起爆提供合理的臨空面。

(2)實踐了楔形分段掏槽關鍵參數計算公式，利用該公式計算出來的延遲爆破參數設計的楔形分段裝藥充分考慮了楔形內部腔體和外部腔體形成以及爆能分配要求，并在實踐中證明了該技術對爆破效果有不錯的提升，可用于指導現場爆破參數設計。

(3)現場應用效果表明，電子數碼雷管的應用簡化了復雜的裝藥過程，避免了現場雷管段位過多、安裝復雜和環(huán)境惡劣導致一定的操作失誤。能滿足毫秒延遲爆破對雷管延遲控制的高精度需求，同時電子數碼雷管電子模塊對比傳統導爆管有可靠性高、盲炮率低的優(yōu)點，大大降低盲炮導致的二次爆破、排查盲炮的風險。

(4)楔形分段毫秒微差爆破在實踐中證明，該技術在炮眼打設上與傳統工藝相同，施工難度未有增加，減震效率達到30%左右，在小凈距超大跨徑隧道施工過程中大大降低了施工安全風險，提高施工效率。

小凈距超大跨徑隧道由于其結構的特殊性，鄰洞爆炸產生的振動波對中夾巖影響更大，因此，小凈距超大跨徑隧道對減震爆破有著非常高的要求，楔形分段毫秒微差爆破的減震效果顯著，同時需要配合電子數碼雷管的應用才能保證爆破的成功率。