混合起爆网路技术在深圳地铁11号线隧道开挖中的应用试验研究

田炳坤

(中国铁道科学研究院研究生部，北京100081)

混合起爆网路技术在深圳地铁11号线隧道开挖中的应用试验研究

田炳坤

(中国铁道科学研究院研究生部，北京100081)

针对深圳地铁11号线一区间明挖基坑开挖对爆破振动的严格控制要求，通过理论分析和现场试验相结合的方法对错相减震机理予以研究。根据爆破振动的传播特点研究了毫秒延时振动波形叠加干扰降振延时间隔的计算方法，进而得到一套错相减震爆破设计理论。运用电子雷管与非电雷管混合起爆网路技术，采用较短的延时间隔逐孔起爆，使得各段地震波相互干扰叠加，有效控制了爆破振动，满足了复杂环境下安全爆破设计要求。

混合起爆网路 控制爆破 隧道开挖 电子雷管 干扰降振

1 概述

1.1 工程概况

深圳地铁11号线连接福田中心区、南山、前海、机场、福永、沙井、松岗等片区，是连通城市核心区与西部滨海地区的快线，同时兼有机场快线的功能。线路由福田站至碧头站，全长约49.7 km，设站18座。其中福永站位于深圳市宝安区宝安大道与福海大道交叉口南侧，沿宝安大道中央绿化带呈南北向布置。车站全长338 m，为地下两层车站，起讫里程YDK37+ 555.499—YDK37+893.500。福永站至桥头站地下区间位于深圳市宝安区宝安大道与福海大道交叉口北侧，沿宝安大道中央绿化带呈南北向布置，起于福海大道，穿越蚝业路，接高架区间，全长656.5 m，起讫里程为YDK37+893.500—YDK38+550.000。

线路两侧建筑物密集，交通繁忙(宝安大道为深圳市主干道，穿越新安、西乡、福永、砂井、松岗5个街道后连接深圳机场)，场地范围内地下管线较多，主要有污水、雨水、给水、电信、电力、燃气等管线，其中对基坑施工影响最大的为燃气管道。线路西侧有一条1.6 MPa次高压燃气管和一条0.4 MPa中压燃气管。其中，次高压燃气管距福永站基坑最近距离12 m，距福永站—桥头站地下区间最近距离30 m;中压燃气管距福永站基坑最近距离18 m，距福永站—桥头站地下区间最近距离25 m，要求爆破振速≤2 cm/s。

如何有效控制爆破振动并做好安全防护是本工程最大的难点。静态爆破工期长、成本高，且不能满足工期要求，常规爆破又不能保证次高压燃气管对爆破振速的要求，因此，须选择一种既能满足工期要求、又能保证爆破振动可控的施工方法。此外，隧道施工安全、路面沉降可控和管线运行安全也是本工程的重点，所以须选择一种可有效控制爆破振动、飞石、噪音和粉尘污染等的绿色环保爆破技术。

1.2 混合起爆网路技术

导爆管雷管起爆网路可以在有电干扰的环境下进行操作，一般情况下起爆的药包数量不受限制，网路也不必要进行复杂的计算，可以实现多段延时起爆。但由于本工程对爆破振动控制要求非常严格，导爆管雷管起爆网路很难满足爆破要求。

数码电子雷管可以实现对爆破延时的精确控制，保证设计延期与实际起爆时间相一致，这为更准确控制爆破振动提供了前提条件。电子雷管在相同装药量、地形、地质等条件下，精确微差起爆的数码雷管爆破振动峰值速度小、离散性小，通过合理设定起爆的延时间隔使各炮孔产生的子波相位时移、峰谷叠加，从而达到干扰降振的效果。根据波的叠加理论合理选择两次爆破的延时间隔时差，使后爆炸药产生的振动波的波峰能够和先爆炸药产生的振动波的波谷同时产生，这样叠加部分振动波的振幅应明显减小，爆炸产生的破坏效应会最大限度地降低。同时通过优化延期时间，将爆破振动调整为均匀分布的高频低峰值波形，振动频率远大于建筑物自振频率，避开了“类共振”，从而避免对建(构)筑物造成损害。

由于电子雷管单价较高，全断面采用电子雷管大大增加了施工成本，为了降低施工成本，通过在控制爆破振动的基础上对起爆网路进行优化，研究电子雷管和非电雷管混合起爆网路的可行性，进而提出混合起爆网路技术的概念。

2 混合起爆网路技术应用试验研究

2.1 隧道爆破试验

试验目的是获得最佳装药参数、延时间隔及隧道爆破引起的地表振动衰减规律，为设计和施工提供理论依据。

隧道爆破试验先在隧道进口端进行3组单孔试验，然后做5组全断面群孔试验，最终确定最佳延时间隔。单孔试验药量为1.2 kg。群孔试验采取进尺1.0～1.5 m全断面开挖，孔间延时分别为4，5，6，7和8 ms。可根据试验效果适当补充几组试验以确定减振效果。振动测试点布设在隧道上方的地表，以拱顶正上方为1号测点，向隧道一侧不同距离分别布设另外4个测点，距1号测点分别为10，25，35和45 m。其中5号测点布置在次高压燃气管上方。测点布置见图1。

图1 测点布置示意

根据以往工程经验，隧道爆破开挖的效果与掏槽孔的爆破效果有很大关系，其为后爆孔提供了自由面，减小了药包的夹制作用。要达到良好的爆破效果，掏槽方式很关键，为此采用楔形多级掏槽，尽量增大掏槽孔角度。同时，炮孔的数量、深度和装药量直接决定了开挖进尺的长度。本区间隧道为三级围岩，钢架间距1.2 m，上台阶爆破设计每循环进尺为1.2 m。

为降低施工成本，对起爆网路进行优化试验，爆破试验先从安全性高的工法开始，然后逐步试验安全性低的工法，分4个阶段:①全部采用电子雷管;②一级和二级掏槽孔采用电子雷管，其他孔采用非电毫秒雷管;③一级掏槽孔采用电子雷管，其他孔采用非电毫秒雷管;④全部采用非电毫秒雷管。

2.2 隧道爆破最佳延时间隔的确定

根据上面的分析可知，要确定最佳的间隔时间，首先应了解单个爆破地震波的特性，因此做了一组单炮孔爆破试验。单炮孔爆破往往只有一对主波峰波谷，之后为小幅的余震，振动最大值一般都出现在第一个波峰处。测试的单炮孔振动波形参数见表1。

表1 单炮孔振动波形参数

从表1可知，单爆孔爆破主振频率大致在64～77 Hz，主振波周期在11.8～13.7 ms。根据波的干涉条件，延时间隔为主振周期的1/3～2/3。当主振周期为13.7 ms时，产生错峰减振的时差为4.6～9.1 ms，当主振周期为11.8 ms时，产生错峰降振的时差为3.9～7.9 ms，两个延时间隔的交集为4.6～7.9 ms。以往工程经验表明:隧道爆破楔形掏槽的成对斜孔、成组炮孔错时4～8 ms既能达到成对斜孔同时发力掏槽的效果，又能达到错峰干扰减振的目的。可见本次试验结果与以往实践经验一致。

根据试验结果进行下一步的群孔爆破试验。上台阶共计70个炮孔，总装药量50.8 kg，爆破方量20 m3，炸药单耗2.54 kg/m3，爆破参数见表2。采用电子雷管逐孔起爆，孔间延时间隔分别选取4，5，6，7，8 ms。图2为间隔时间为5 ms的起爆顺序，其余试验起爆顺序与此一致。

表2 爆破参数

图2 电子雷管起爆顺序(单位:ms)

5个测点均采集到振动波形，5号测点采集了4，5，6，7，8 ms共5种不同延时间隔的试验数据。电子雷管采用4 ms延时间隔时，在20 ms处(即振动波形的开始段)振速出现了最大值，为2.41 cm/s，超过振动控制要求的2.0 cm/s。可见，该延时间隔使得掏槽孔的振动峰值叠加，未能起到相互抵消的作用。延时间隔为7 ms时，振速最大值出现在振动波形的中段，约300 ms处(即出现在掘进孔的部位)，为2.19 cm/s，超过了振动控制要求。延时间隔为8 ms时，振速最大值为2.20 cm/s，出现在振动波形的末尾，约350 ms，由周边孔的振动峰值叠加产生。采用5 ms和6 ms的延时间隔时差时，振速最大值分别为0.54 cm/s和1.5 cm/s，均未超出控制要求。从振动波形看，振动幅值分布比较均匀，无异常突起波峰，说明采取5 ms和6 ms的孔间延时间隔可以起到干扰降振的目的，且5 ms的减振效果优于6 ms。针对这一结论又做了两组补充试验，试验结果见表3，与上述分析一致。

表3 试验爆破振速统计分析

通过上述系列试验结果分析可知，采用5 ms的孔间延时间隔能达到最佳的干扰降振目的，因此确定隧道爆破的最佳延时间隔为5 ms。

2.3 起爆网路优化试验研究

由于电子雷管单价较高，为了降低施工成本，研究电子雷管和非电雷管混合起爆网路的可行性。根据经验，考虑掏槽孔采用电子雷管，周边孔采用非电雷管的方式。另外，为实现光面爆破，周边孔电子雷管采用同一个延时间隔，采用非电毫秒雷管爆破时，周边孔也采用同一个段位起爆，两者类似，因此，周边孔在雷管选用上均存在优化为非电毫秒雷管的可能。

第二阶段试验，一级和二级掏槽孔采用电子雷管，其他孔采用非电毫秒雷管，电子雷管延时间隔5 ms。爆破参数见表4，电子雷管起爆顺序见图3。

表4 爆破参数

图3 电子雷管起爆顺序

从试验结果可知，在其他爆破参数不变的情况下，一级和二级掏槽孔采用电子雷管且延时间隔5 ms，其他孔跳段采用非电毫秒雷管，爆破振动增幅不大，掏槽孔及其他孔爆破振速峰值均在1.6 cm/s以内，满足次高压燃气管爆破振动要求。

第三阶段试验，上台阶共计67个炮孔，总装药量48 kg，爆破方量20 m3，炸药单耗2.4 kg/m3，一级掏槽孔采用电子雷管，其他孔采用非电毫秒雷管，电子雷管延时间隔5 ms。爆破参数见表5，电子雷管起爆顺序见图4。从试验结果可知，在其他爆破参数不变的情况下，一级掏槽孔采用电子雷管，电子雷管延时间隔5 ms，其他孔跳段采用非电毫秒雷管，爆破振动增幅不大，掏槽孔最大爆破振速在1.6 cm/s以内，其他孔爆破振速峰值在1.7 cm/s以内，满足次高压燃气管爆破振动要求。

第四阶段试验，全部采用非电毫秒雷管，其他条件与第三阶段试验相同。电子雷管起爆顺序见图5，爆破参数见表6。

表5 爆破参数

图4 电子雷管起爆顺序

图5 电子雷管起爆顺序

表6 爆破参数

从试验结果可以看出，在其他爆破参数不变的情况下，上台阶全部采用非电毫秒雷管，掏槽孔部分最大振速为2.8 cm/s，不能满足次高压燃气管爆破振动要求。

3 结论

1)深圳地铁11号线矿山法隧道爆破开挖，采用孔间延时间隔5 ms和6 ms都能达到干扰降振的效果，其中5 ms效果更佳，在后期的爆破中均采取5 ms作为孔间延时间隔。

2)在本工程地质条件下，隧道爆破开挖掏槽孔采用电子雷管，孔间以5 ms延时间隔逐孔起爆，其余孔用非电雷管跳段的起爆方式，能满足次高压燃气管爆破振速≤2 cm/s和隧道一次开挖循环进尺1.2 m的要求。在后续爆破中均采用此种爆破方式。

3)电子雷管具有延时精度高、可控的特点，可用来实现对振动频率的控制。通过确定合理的延时间隔，保证波形能发生错相叠加，使得干扰降振技术理论得以成功应用，最大化地降低爆破振动。

4)对于隧道爆破，使用电子雷管若较多，成本较高，并不经济。可以运用电子雷管和导爆管雷管混合网路起爆技术，通过合理设计来有效控制爆破振动，同时降低施工成本。

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Experimental study on app lication of m ixed detonating network technology to tunnel excavation in Shenzhen m etro line 11

TIAN Bingkun
(Postgraduate Department，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

According to strict control requirem en ts of b lasting vib ration in foundation p it excavation of Shenzhen M etro Line 11，this paper studied the phase dislocation dam ping m echanism by the theoretical analysis com bined w ith the field testing.Based on blasting vibration propagation characteristics，the delay interval calcu lation m ethod o f vibration reduction interfered by m illisecond delay vibration waveform stacking was discussed and a blasting design theory o f phase d islocation vib ration reduction w as proposed.M ixed detonating netw ork technology of electronic detonators and non-electric detonators uses a shorter delay interval for ho le by hole blasting and m akes seism ic w aves of each segm ent overlap and interfere w ith each other，which could effectively control the blasting vibration and m eet the security requirem ents of blasting design in a complex environment.

M ixed detonating network;Con trol blasting;T unnel excavation;Electronic detonator;D isturbance vibration reduction

U455.6

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.06.21

1003-1995(2015)06-0078-05

(责任审编李付军)

2014-11-13;

2015-02-06

中国铁道科学研究院基金项目(1351ZD0702，2013YJ030)

田炳坤(1989—)，男，安徽六安人，研究实习员，硕士研究生。