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數碼電子雷管在城市控制爆破中的應用

2019-07-19 責任編輯:崔瑋娜

鄧志勇  劉世波

(深圳市和利爆破技術工程有限公司,深圳,518000)

摘  要  本文根據數碼電子雷管在城市控制爆破中的應用的應用經驗,經過大量測試,提出數碼電子雷管起爆系統的爆破減振作用。

關鍵詞   數碼電子雷管 微差爆破 爆破振動

引言

隨著城市的快速發展,城市人口數量和城市規模也隨之快速擴張,城市建筑密集、地下管網復雜,因此在城市控制爆破中,施工環境條件越來越復雜,對爆破產生的有害效應控制要求不斷提高。爆破振動是爆破產生的主要有害效應之一,容易對周邊保護物的安全造成一定影響,施工中必須得以嚴格控制,特別是鄰近既有地鐵隧道、既有管線、建筑物、居民樓等爆破開挖項目中爆破振動控制標準尤為嚴格。

有效降低爆破振動途徑:一是提高施工技術,采用新技術、新工藝、新材料,二是采取可靠有效的減振措施。近年來隨著數碼電子雷管的開發應用,為爆破起爆技術提供了新材料,也為探索新的減振爆破技術研究創造了條件。數碼電子雷管延時精度可達到1ms,并且可以毫秒為單位任意分段,將群藥包分成單藥包任意時間起爆,設置合理起爆時差實現前一藥包爆破振動波峰和后一藥包爆破振動波谷疊加,從而產生干擾疊加達到降低爆破振動效果。數碼電子雷管有效降低爆破振動的特性已得到廣泛的認可,國內外眾多應用實踐表明,使用電子雷管可以降低振動30%~60%,但其減振的機理還處于探討階段。

2 數碼電子雷管及起爆系統

目前國內數碼電子雷管主要選用隆芯1號數碼電子雷管,具有高安全﹑高精度﹑寬延期范圍﹑在線可編程的特點。銥缽起爆系統是隆芯1號數碼電子雷管的專用起爆系統,主要由隆芯1 號數碼電子雷管﹑銥缽表和銥缽起爆器三部分組成,可實現隆芯1 號數碼電子雷管上線注冊﹑在線檢測﹑延期編輯以及組網通信等功能。

數碼電子雷管安全性高,抗交直流、抗射頻、抗靜電、抗雜散電流性能,不存在早爆、誤爆的危險;其次精度高0~100 ms,偏差小于1 ms;101~16000 ms,偏差小于1%,在大規模爆破工程中,不存在重段現象,能實現微差逐孔起爆從而有效降低單響起爆藥量,有效降低爆破振動;三網路設計簡單易行,雷管以并聯方式連接,不存在支路電阻不匹配問題;四是起爆網路及雷管的可檢查性,通過專用設備可對爆破網路連接的可靠性進行“一鍵檢測”,對連接不可靠的雷管進行準確定位。

3 露天爆破數碼電子雷管爆破技術

由于數碼電子雷管價格較高,目前往往都用于爆破環境特殊敏感的區域。深圳地鐵某標段基坑爆破開挖項目,基坑兩側建筑物主要為廠房、辦公樓、居民樓、市政管線(參見圖1),其中有距離12m、埋深1.2m 的 DN500 次高壓燃氣管道,為寶安大道附近片區主要輸氣管道,施工期間必須保證其安全運營,其爆破振動控制值不能超過2cm/s。基坑開挖深度17m、工程量約80000m2,工程開挖方量大,工期緊,在施工中采用了數碼電子雷管爆破技術,施工前期進行一些小規模的爆破試驗,掌握相關的設計參數,優化爆破施工方案。

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分析圖2 中波形,采用數碼電子雷管起爆,爆破振動能量均勻分散在整個時間段,沒有突起的波峰,達到了平峰降振的效果。

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文獻資料認為中深孔爆破,孔間延時10~20ms,排間延時100~150ms 時,可以達到最佳的爆破效果和減振效果。首先進行單孔試驗來確定試驗秒量區間,然后再在此延時區間內做同藥量情況下,不同延時的群孔爆破試驗。圖3 為典型的單孔爆破波形圖。圖中可以看到,單孔的主振波持續時間約50ms,最大波峰的持續時間為19ms,之后是最大的波谷,因此,理想后續炮孔延時19ms 起爆時,會出現波峰波谷疊加的現象。

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試驗分別以15ms、l6ms、17ms、l8ms、19ms、20ms為延時間隔的幾種群孔爆破試驗,以尋求最佳的起爆模式和裝藥參數。試驗時每次爆10個孔,鉆孔直徑76mm,孔間距2.5m,每孔藥量為10kg,在距爆區30m、50m、80m的距離處布設了爆破振動監測點,試驗以3個振動方向的矢量合速度為參考標準測,測試結果見表1。

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從表1可以看出:在距離爆區30m時,延時間隔在15~l6ms時,矢量合速度在1.24cm/s~2.12cms延時間隔在18~20ms時,矢量合速度振速在1.15cm/s~2.27cms,超出了1.5cms,而當間隔時差在17ms時,矢量合速度在1.07cms~1.48cms,小于1.5cm/s:在距爆區50m時,延時間隔在15~16ms時,矢量合速度在0.60cm/s~1.25cm/s,延時間隔在18~20ms時,矢量合速度振速在0.65cm/s~0.94cm/s,都在0.8cm/s以上,而當間隔時差在17ms時,矢量合速度在0.63cm/s~0.79cms,小于0.8cm/s;在距爆區80m時,同樣有上述現象,除17ms外,矢量合速度都在0.5cm/s以上。因此間隔時差在17ms時,減振效果最好。

排間延時主要考慮破碎效果,要保證前排炮孔響后,為后排炮孔提供自由面,文獻資料給出對于深孔臺階爆破,在藥包起爆到巖石運動,脫離主巖體,需要100~130ms,因此做了孔間延時17ms,排間延時分別為100ms、110ms、120m和130ms的4組群孔多排試驗,每組試驗3排孔,每排5個孔,每孔10kg炸藥,在距爆區50m處布設了爆破振動監測點。振動監測結果見表2。

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從測試結果看出,當排間延時為110~120ms時,最大振速值小于單孔爆破50m處的最小振速值0.80cm/s,而排間間隔時間為100和130ms時,振速值大于了0.80cm/s,因此選擇排間延時100~120ms可以達到較好的振動控制要求。

因此,通過對比試驗分析,本項目深孔控制爆破孔間延時17ms,排間延時100~120ms可以達到干擾降振的效果,滿足微振控制爆破的要求。

圖4為數碼電子雷管起爆網路示意圖。

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施工過程中,以試驗段坑槽為自由面由東向西逐層進行爆破開挖,參照試驗結果,對基坑進行分區,參見圖1。其中,區域1采用深孔臺階控制爆破方案,孔深5m,堵塞長度不小于2.5m,孔間延時17ms;區域2采用深孔間隔裝藥臺階控制爆破方案,孔深5m,總堵塞長度不小于2.7m,孔內層間延時4ms,孔間延時17ms;區域3采用淺孔臺階控制爆破方案,孔深3m,堵塞長度不小于1.4m,孔間延時7ms。

在實施過程中對爆破振動進行實時監測,實現信息化爆破施工管理,并根據振動監測結果及時優化爆破參數,安全高效完成全部石方爆破任務。

4地鐵隧道數碼電子雷管爆破技術

深圳地鐵某標段暗挖隧道位于微風化巖層,埋深10.133~6.895m,最小線間距為12.78~15.05m,隧道斷面約36m2。隧道上方為市政主干道,道路兩側廠房住宅密集,距隧道27m為中壓燃氣管線、28m為次高壓燃氣管線。爆破振動控制指標居民樓為lcm/s、次高壓燃氣管線為2.0cm/s(見圖5)。次高壓管線保護是本項目的控制重點。

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為確保燃氣管線及周邊建構筑物的安全,施工前期進行了對比性爆破試驗。圖6為隧道典型非典導爆管雷管起爆振動波形,最大振速發生在掏槽孔爆破過程,因此施工中應重點降低掏槽孔爆破振動,考慮到單孔裝藥量的限制以及爆破過程中避免重段,進行了數碼電子雷管起爆掏槽孔的爆破試驗,精確延時單孔單響。在隧道進口端進行爆破試驗,孔徑為40mm,先進行3組單孔試驗,然后做5組全斷面群孔試驗。單孔試驗,藥量為1kg,群孔試驗采取進尺1m~1.5m全斷面開挖,孔間延時分別為3ms、4ms、5ms、6ms、7ms,根據試驗效果分析減振效果,選取合理延時時間。

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從監測結果來看,不論采用何種延時時差,燃氣管線上方的振動值均未超出設計值,因此延時間隔在3~7ms,爆破均不會對燃氣管線產生影響。以拱頂正上方測點測試結果來分析干擾減振效果,圖7為該測點單孔振動波形圖,單孔爆破往往只有一對主波峰波谷,其余為小幅的余震,振動最大值一般都出現在第一個波峰處。單爆孔爆破主振頻率大致在65~82Hz范圍內,主振波周期在10.2~12.4ms范圍內,最大振速值出現在3.1~3.9ms處,群孔試驗結果,當延時時間間隔在4ms以下或6ms以上時,爆破振速均大于1.2cm/s,但當延時時間間隔控制在4~6ms之間時測點振速均在1.2cm/s以內,因此在實際施工中以4~6ms作為延時間隔進行爆破作業。

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根據爆破振動監測結果,并考慮數碼電子雷管的高成本,方案中隧道爆破采用上下臺階開挖法,上臺階選用數碼電子雷管與非電導爆管雷管混合起爆網路,即掏槽孔采用數碼電子雷管起爆,孔間延時為4ms,其余孔采用非電導爆管起爆;下臺階采用非電導爆管雷管起爆網路。上臺階炮眼布置圖(如圖8)和爆破設計參數表(見表3)。施工中控制爆破振動效果見圖9。

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5典型露天數碼電子雷管爆破技術應用

5.1鄰近既有隧道基坑爆破開挖項目

某基坑開挖項目鄰近深圳既有運營地鐵,見圖10。基坑開挖深度6.6~13.2m,坡腳距隧道邊線最小水平距離為9.35m,坡腳距隧道最小距離為12.89m,該區段地鐵隧道拱頂埋深11.5~15.7m;周建建構筑還有居民小區、發電廠等,環境十分復雜。根據《深圳地鐵運營安全保護區和建設規劃控制區工程管理辦法》規定,地下車站及隧道結構外邊線外側30米范圍內原則上不允許爆破施工作業,30m~50m范圍需要進行爆破施工時,應制定針對地鐵的專項安全防護方案,地鐵隧道結構爆破振動安全控制標準為2cm/s。本工程工程量約13萬m3,工期緊、任務重。

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本項目實施過程中與地鐵公司等單位聯合進行《運營地鐵安全保護區控制爆破技術研究》,探究地鐵安全保護區的爆破施工技術。項目采用了數碼電子雷管爆破技術。

施工前,試驗段選擇在距地鐵線路最遠的基坑南側(見圖10),進行了多組數碼電子雷管起爆網路試驗和一組電-非電混合起爆網路試驗,孔深5m、單孔藥量10.5kg。數碼電子雷管起爆網路孔間延時分別為15、16、17、18、19ms,逐孔起爆,見圖12;電-非電混合起爆網路孔內非電雷管10段、孔外用非電雷管5段串接,見圖13。

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試驗結果顯示,數碼電子雷管起爆網絡振動波形分布比較連續均勻,距爆區13m位置最大振速速值0.76cm/s,見圖14;電-非電混合起爆網路振動波形能明顯分辨出是一段一段起爆的最大振速值1.13cm/s,最見圖15。經對比,同樣的單響藥量,采用電子雷管的振速比導爆管雷管的振速小30%,說明采用電子雷管后,振動波形發生了明顯的“疊加削峰”效應。

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根據試驗結果,對基坑進行分區,參見圖9。基坑開挖以試驗段坑槽為自由面由南向北逐層進行爆破開挖,距地鐵線路大于30m區域采用深孔臺階控制爆破方案,孔深5~8m,堵塞長度不小于2.5m,孔間延時間隔17ms;距地鐵線路小于30m區域采用深孔間隔裝藥臺階控制爆破方案,孔深5m,總堵塞長度不小于2.7m,孔內層間延時間隔4ms,孔間延時間隔17ms。在實施過程中對重點建構筑物進行實時爆破振動監測,同時在距爆區13m位置布設一個測振點,為鄰近地鐵區域施工提供技術儲備。

另外施工過程中,采取了多種控制和降低爆破振動的措施,取得較好效果。主要有:(1)地鐵隧道與基坑間施工紅線位置布置減振孔。(2)30m范圍內施工孔底加氣墊層,減振率可以達到15%左右,另外加氣墊層間隔裝藥對爆破區域同一水平方向的減振作用不大。(3)施工中自由面垂直于地鐵軌道方向,且起爆順序設置為由外向內逐孔起爆的方式。(4)對爆破振動進行實時監測,實現信息化爆破施工管理,并根據振動監測結果及時優化爆破參數。

經整理,整個施工期間爆破振動速度最大值為1.7cm/s,90%的爆破振動值控制在1.2cm/s以內。另外通過試驗和模擬計算提出運營地鐵隧道合理抗振指標:主振頻率>50Hz時振動控制值為6.0cm/s,主振頻率≤50Hz時振動控制值為4.5cm/s。該項目研究成果獲得中爆協科技進步一等獎。

5.2鄰近居民樓基坑爆破開挖項目

某基坑爆破開挖項目南側26m為仙桐御景公寓高層住宅樓、西南側30m為雍翠豪園高層住宅區,見圖16。由于特殊原因,該基坑爆破采用數碼電子雷管爆破技術,最大限度減少對周邊居民的影響。

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基坑最大開挖深度21m,70000m3。參照數碼電子雷管爆破技術施工經驗,方案設計為:基坑南側坡腳處開挖土方至設計高程,確定由南向北的開挖順序,自由面方向朝南。基坑巖面坡度較大,臺階整理工作量較大,共分三層臺階開挖,第一、二層臺階至居民樓房最近距離65m,臺階高度5~9m;當臺階高度5~7m時采用深孔臺階控制爆破方案,堵塞長度不小于2.5m,孔間延時17ms;當臺階高度7~9m時采用深孔臺階間隔裝藥爆破方案,總堵塞長度不小于3.3m,孔間延時17ms,層間延時4ms;第三層臺階距居民樓房最近距離52m,臺階高度不大于5m,采用深孔臺階控制爆破方案,堵塞長度不小于2.7m,孔間延時17ms。

6結語

(1)數碼電子雷管爆破技術在多項目的成功實施,降振效果明顯,可為環境條件特殊敏感的爆破工程提供參考。

(2)由于爆破振動受多種因素的影響,實施過程中應通過分析爆破振動波形找出最佳延時時間,真正實現數碼電子雷管爆破干擾錯峰的減振效果。

(3)數碼電子雷管延時的精確性和可控性更有利于周邊自振頻率較低的建構筑物的保護。

(4)選擇合理可行的減振措施,可以優化數碼電子雷管爆破技術參數。

摘自《廣東省力學學會工程爆破專業委員會 2016 年學術與技術交流論文集》