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隧道電子雷管爆破降振技術試驗研究

2019-07-12 責任編輯:崔瑋娜

傅洪賢1,沈周2,趙勇3,王樹強4唐勇2,嚴秀成2,程龍先2

(1.北京交通大學 隧道與地下工程教育部工程研究中心,北京  100044;2.中鐵十局集團有限公司,山東 濟南 250101;3.鐵道部工程設計鑒定中心,北京  100844;4.鐵道部成都鐵道局,四川 成都 610082)

摘要:電子雷管是一種延期時間可以根據實際需要任意設定并精確實現發火延時的新型電能起爆器材,是近年來起爆器材領域里新進展之一,被稱為爆破技術的一場革命。結合蘭渝鐵路的建設,在人和場隧道進行電子雷管降振試驗、電子雷管與非電雷管聯合降振試驗,對隧道電子雷管爆破降振機制進行研究,優化隧道炮眼的延時時間,研究電子雷管與非電雷管的銜接方法,取得隧道電子雷管單孔連續起爆降振技術和電子雷管與非電雷管聯合降振技術。隧道電子雷管單孔連續起爆降振技術,與隧道非電雷管爆破相比,在爆破進尺不變的情況下,爆破振動降低80%以上;在爆破進尺增加25%的情況下,爆破振動降低50%以上。隧道電子雷管與非電雷管聯合降振技術,與隧道非電雷管爆破相比,在爆破進尺增加25%的情況下,爆破振動降低40%以上。隧道電子雷管單孔連續起爆降振技術的炮眼間延時間隔時間對隧道爆破的效果至關重要,炮眼間延時間隔時間過大,影響隧道的爆破進尺和巖石破碎效果;炮眼間延時間隔時間過小降振效果不明顯,有時振動反而增大。隧道電子雷管降振技術,不但解決復雜環境下鐵路隧道的施工問題,該技術也可在城市公路隧道中進行應用,已取得良好的社會和經濟效益,對類似工程具有很好的指導意義。

關鍵詞:隧道工程;電子雷管;振動測試;降低振動

中圖分類號:U 45文獻標識碼A文章編號:1000—6915(2012)03—0597—07

 

1引言

在城市采用鉆爆方法修建近距下穿居民區的隧道時,隧道爆破產生的振動常常危及上部樓房及居民的安全,為了減小爆破振動,張繼春等[1]對淺埋隧道的地表震動效應進行了研究,

傅洪賢等[2]對隧道爆破近區的振動進行了測試研究。同時,還有以下技術和工程:日本在初狩隧道開挖中采用刻槽隔振技術來減小爆破隊圍巖和地表的振動[3];通過加大掏槽區空孔體積,以減小掏槽爆破的夾制作用,從而降低爆破振動的技術[4];采用短進尺分部爆破方法,修建了近距下穿宜昌火車站的云集隧道[5];采用微振動控制爆破技術,成功地下穿了高大樓房密集地段的廣州地鐵三號線[6];采用先拉槽的微振動控制爆破技術,修建的寧波招寶山小間距隧道[7]。但是,按上述方法,隧道施工進度慢,施工總成本大,不能滿足城區淺埋近距下穿居民區的長大隧道施工。隨著電子雷管的出現,為隧道爆破降振新技術提供了強有力的工具。為了獲得安全、快速和經濟的隧道爆破降振新技術,本文結合國家重點工程——蘭渝鐵路人和場隧道的建設,進行了電子雷管降振試驗、電子雷管與非電雷管聯合降振試驗,達到了預期目的。應用該技術,安全、快速和經濟地修建了人和場高速鐵路雙線隧道,并且該技術還應用到城區淺埋大跨公路隧道的建設中,取得了良好的社會效益和經濟效益。

2電子雷管結構及降振原理

電子雷管,又稱數碼雷管,其研究始于20世紀80年代,是一種根據實際需要可以任意設定延期時間并精確實現發火延時的新型電能起爆器材,具有使用安全可靠、延期時間精確度高、設定靈活等特點。目前,工程上廣泛使用的電雷管和非電雷管采取控制化學藥劑燃燒速度來實現延期,由于受工藝水平的影響,延期誤差為±(10~150)ms,延期精度為±(7.5~40)%;電子雷管采用具有電子延時功能的專用集成電路芯片來實現延期,延時誤差為0.1ms,延期精度為±0.1%。電子雷管原理[8]如圖1所示。

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整流電橋,用于對雷管的腳線輸入極性進行轉換,提高網路的可靠性,內儲能電容,為了保障在網路起爆過程中導線被炸斷的情況下,雷管可以按照預定的時間正常起爆;控制開關,用于對進入雷管的能量進行管理;通信管理電路,用于和外部起爆控制設備交互數據信息,在外部起爆控制設備的指令下,執行相應的操作,如延期時間設定、充電控制、放電控制、啟動延期等;內部檢測電路,用于對控制雷管點火的模塊進行檢測,以確保點火過程是可靠的;延期電路,用于實現與電子雷管相關的延期操作;控制電路,用于對上述電路進行協調。

隧道爆破降振實質是降低產生振動的能量,即降低產生振動的裝藥量。隧道開挖基本采用臺階法施工,上臺階產生的振動最大。上臺階炮眼數一般約為100個,采用非電雷管爆破時,由于其段位少并且跳段使用,每個段位引爆的炮眼數目為10~15個,即產生振動的藥量為10~15個炮眼的總裝藥量。電子雷管的延時時間可以任意設置,最大延時時間為16s,最小延時時間為1ms,采用電子雷管時,隧道爆破可以實現單孔連續起爆,即產生振動的裝藥量為單孔的裝藥量,因此采用電子雷管可以極大地降低爆破振動。

3電子雷管降振試驗

3.1工程概況

人和場隧道全長4.466km,為鐵路雙線隧道,其中,淺埋下穿水庫、城市道路、隧道、立交橋、高樓、別墅等重要建筑物的地段長度為2085m。隧道圍巖主要為IV級泥巖。

3.2電子雷管降振試驗

(1)非電雷管降振技術

采用非電雷管,由于其段位少,延時誤差大,建筑物地面與隧道拱頂間的覆蓋層厚度為27m。在下穿建筑物前,通過現場試驗,采用臺階法時,爆破引起的地面振動大于10cm/s,遠超過國家標準。因此,上半斷面采用分部爆破開挖方法,即,一次鉆孔、一次裝藥、分次爆破,首先爆破掏槽部位,然后,再爆破擴槽部位、壓槽部位和壓頂部位,爆破4次,爆破振動基本控制在國家爆破安全規程所規定的范圍內。爆破進尺2m。炮眼布置如圖2所示,分部爆破結果見表1和圖3。

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(2)電子雷管降振技術

采用ORICA公司的隧道專用電子雷管(eDevTM)進行試驗。電子雷管的起爆能力與普通雷管的相同,可以直接起爆炸藥。每個電子雷管有唯一的身份碼,以條形碼形式出現(見圖4)。電子雷管裝入炮眼后,可以用掃描儀掃描,把電子雷管信息與存儲于其內的爆破設計聯系起來,掃描儀如圖5所示,每個掃描儀可以掃描500個雷管。

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炮眼裝完后,通過絕緣連接器與母線連接(見圖6)。每個電子雷管連接到母線后,網絡檢測儀檢查網絡網絡檢測儀如圖7所示。網絡連通完好后,掃描儀與起爆器通過藍牙,把爆破設計傳輸到起爆器內,起爆器如圖8所示。

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(3)電子雷管爆破參數

開挖隧道拱頂與建筑物地面之間巖層的厚度為27m,圍巖級別為IV級。

對隧道掌子面上炮眼之間的延時時間進行了系統試驗,發現炮眼間的延時間隔時間過大,炮眼間不能形成共振,破碎效果差,炮眼利用率小,嚴重影響爆破進尺和破碎效果;炮眼間延時間隔時間過短,爆破錯峰不明顯,導致降振效果不佳,有時爆破振動疊加明顯,爆破振動反而增大。

通過多次試驗,得出圍巖為IV級時隧道電子雷管單孔連接起爆技術,其參數為:爆破進尺2.5m,掏槽眼間延時間隔時間為5ms;周邊眼間延時間隔時間為3ms;其他炮眼間延時間隔時間為10ms,如圖9所示(圖中數字表示炮眼起爆時間,下同)。上部建筑物的振速如表2和圖10所示。

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采用隧道電子雷管單孔連續起爆技術,在淺埋下穿建筑物時可以使用臺階法施工,不但把分部爆破開挖的爆破進尺由2m提高到2.5m,而且爆破振速由5.19cm/s降到1.9cm/s,施工進度不但成倍增加,而且爆破振動降低50%以上。 

隧道電子雷管單孔連續起爆技術,適用于對爆破振動敏感的城區淺埋近距下穿居民樓的隧道爆破,可以取得良好的社會效益和經濟效益。

3.3電子雷管與非電雷管聯合降振技術

為了降低隧道爆破成本,在同樣地段,在隧道掌子面上的周邊眼、底板眼和部分崩落眼內裝高段位非電雷管,掏槽眼和部分崩落眼內裝電子雷管。通過現場試驗,得出電子雷管與非電雷管聯合降振技術,即:底板眼及部分邊墻眼裝15段非電雷管,拱頂眼及部分邊墻眼裝13段非電雷管,內圈眼裝11段非電雷管,其他炮眼裝電子雷管,電子雷管的參數為:同排的2個掏槽眼同時起爆,其他炮眼單孔起爆,同排炮眼間延時間隔時間為2ms,排間延時間隔時間為30ms,其網路如圖11所示。上部建筑物的振速如表3和圖12所示。

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電子雷管與非電雷管聯合降振技術,同樣把爆破進尺由2m提高到2.5m,爆破振速由5.19cm/s降低到2.9cm/s,即降振40%以上。從振動波形可以看出,振動最大處是電子雷管與非電雷管交界處,該處振動是1l段非電雷管引爆多個炮眼造成的。

電子雷管與非電雷管聯合降振技術,適合于近距下穿或上跨既有隧道和小凈間距隧道的爆破施工。

3.4隧道電子雷管爆破降振機制分析

電子雷管由于其延時時間可以根據隧道圍巖和環境情況任意設置,并且延時時間長和精確,最長延時時間可達16s,延時誤差0.1%。利用電子雷管的這一特性,可以把隧道炮眼內炸藥的能量均勻地釋放出來,即隧道單孔連續爆破,最大一段的裝藥量是某一個孔內的裝藥量,并不是非電雷管爆破時許多炮眼裝藥量之和構成的一段藥量,因此,電子雷管爆破產生的振動小。但是隧道圍巖不同時,炮眼單孔起爆時的延時間隔時間不同,確定它們之間的延時間隔時間既要考慮降振問題,又要考慮炮眼間共振破碎巖石的問題。

4典型應用實例分析

大連市區南山隧道為南北雙洞三車道隧道,北洞長度1380m,南洞長度1395m。環境異常復雜,屬于大跨淺埋及圍巖破碎隧道,下穿人防工事及大片居民區。隧道圍巖為中風化板巖,巖石單軸抗壓強度20~22MPa,巖層以灰白色~黃褐色石英巖為主,致密塊狀,薄~中厚層狀構造,層理清晰節理裂隙發育,圍巖為IV級。開挖寬度15~16m。

隧道拱頂與人防工事間距7~9m,與居民樓地面及道路間距21~35m,圖13為典型段環境示意圖,對爆破振動及噪聲要求非常嚴格。

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4.1非典雷管爆破

隧道在埋深35m時進行臺階方法開挖,采用非典雷管爆破,對地面產生的振動為6.1cm/s,嚴重影響居民生活、樓房和人防工事的安全。對上部樓房的爆破振動波形如圖14所示(20110614通道3#段1,觸發時間:2011年6月14日06:22:52,最大振速6.056cm/s,主振頻率21.973Hz,振動持續時間1.447s)。

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4.2電子雷管爆破

在爆破進尺、炮眼布置、炮眼裝藥量等爆破參數不變的情況下,把非電雷管換成國產電子雷管,炮眼延時時間與人和場隧道的相同,最終把爆破振動降到1.2cm/s左右,降振80%以上。振動波形如圖15所示(20110628通道2#段1,觸發時間:2011年6月28日00:08:08,最大振速1.158cm/s,主振頻率35.4Hz)。

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采用電子雷管,可以實現隧道的單孔連續爆破,產生振動的藥量為單孔藥量,極大地降低爆破振動,這是非電雷管不可能做到的。

4.3隧道電子雷管爆破經濟效益分析

國產電子雷管的價格是非電雷管價格的15倍,操作程序比較復雜,國外電子雷管的價格是非電雷管價格的20倍,操作程序比較簡便。

隧道采用電子雷管爆破時,爆破成本比非電雷管爆破增加1000~2000元/m,但是可以把采用非電雷管分部多次爆破變成一次爆破,甚至可以把原來非典雷管不能爆破施工而采用機械施工的隧道變成電子雷管爆破施工,施工進度是非典雷管爆破或機械開挖的2~3倍。隧道采用電子雷管爆破時,產生的振動很小,沒有發生擾民而停止施工現象。

5結論

(1)隧道電子雷管單孔連續起爆技術,適用于對爆破振動敏感的城區淺埋近距下穿居民樓的隧道爆破施工,與隧道非電雷管爆破相比,在爆破進尺相同的情況下,爆破震動可以降低80%以上;在爆破進尺增加25%情況下,爆破振動可以降低50%以上。

(2)隧道電子雷管與非電雷管聯合降振技術,適合于近距下穿或上跨既有隧道爆破施工,與隧道非電雷管爆破相比,在爆破進尺增加25%情況下,爆破振動可降低40%以上。

(3)采用隧道電子雷管單孔連續起爆時,掏槽眼間的延時間隔時間對降振效果和爆破進尺至關重要,隧道圍巖為IV級時,建議掏槽孔延時間隔時間為5ms,周邊炮眼延時間隔時間為3ms,其他炮眼延時間隔時間為10ms。對于其他圍巖,炮眼間的延時間隔時間要進行調整,Ⅱ,Ⅲ級圍巖時適當減小,V級圍巖時適當增大。

(4)采用隧道電子雷管爆破時,雖然爆破成本增加,但是施工進度可以提高2~3倍,隧道施工總成本可能還會降低。

(5)隧道電子雷管爆破時,操作程序比非電雷管要復雜,需進一步研究。

(6)采用電子雷管單孔連續起爆,主要是錯峰降振,但是,由于隧道地質條件的復雜性,不易實現峰谷疊加干擾降振。

參考文獻

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摘自2012年《巖石力學與工程學報》