电子雷管在光面爆破中的应用

高朋飞 金 鹏 杨 翎 马立飞

（1.安徽理工大学土木工程学院，安徽淮南232001；2.安徽江南爆破工程有限公司，安徽宣城242300）

当前，随着城市化进程的快速发展，我国的公路建设发展迅猛，路堑开挖爆破工程越来越普遍［1-3］。路堑开挖爆破工程要求爆破后的边坡光滑稳定，破碎块度能够满足路基用石料要求，这就要求起爆用的雷管要有较高的延迟精度，传统的工业雷管段数有限，且延迟精度低，在光面爆破工程中应用时，使得爆后岩壁平整度差，围岩受爆破破坏大，易产生大块和根底，带来爆破振动危害、铲装和运输效率低下等诸多问题［4-5］。电子雷管具有延时精度高，段别精确误差可控等优点在城市密集建筑群下低振速爆破，深孔微差爆破中得到较大的应用［6-8］，有效降低爆破振动危害。但是电子雷管在光面爆破，控制爆后石料块度，改善爆破效果中的应用报道较少。

本研究以温州绕城高速公路路堑开挖爆破工程为背景，运用电子雷管并联起爆网络和导爆管雷管复式起爆网络进行了光面爆破试验，比较2种雷管起爆后的石料块度，讨论电子雷管在光面爆破及石料块度控制方面的应用。

1 工程概况

1.1 工程概述

温州绕城高速公路是温州大都市区的交通主骨架，是关系到能否实现都市区半小时交通圈的关键性工程。它起于鹿城区仰义街道，接金丽温高速公路，与绕城北线相连，终点位于阁巷镇东，设阁巷枢纽连接甬台温高速复线，路线全长56.334 km。工程线路位于浙南沿海丘陵平原与浙南中山区交叉地区，起点属于瓯江南岸海积平原，随后在仰义—郭溪段以隧道穿越低山丘陵；路线中段沿条带状海积平原及中低山坡麓南行穿越开阔的飞云江海积平原，最后路线折向东穿越低山丘陵哑口进入地势低洼平坦、水网密布的滨海海积平原。总体划分为2种地貌，即侵蚀—剥蚀低山丘陵区、平原堆积区。

1.2 路堑工程的地质条件

根据设计要求，本工程挖方路段均位于侵蚀剥蚀丘陵区，地形坡伏较大，表部为残坡积地层，下伏基岩，一般为硬质岩，岩性主要有砂岩、凝灰岩、花岗岩、霏细斑岩等，岩石抗风化能力强，岩体完整性一般较好，路堑边坡坡率根据围岩条件不同设计取不同的坡率，全风化层1∶1.25、强风化层1∶1.00、中风化层1∶0.5～1∶0.75、微风化层1∶0.3～1∶0.5。本项目部分区段路堑边坡开挖断面示意如图1所示。

1.3 路堑工程设计要求

本工程要求爆破后的边坡光滑稳定，破碎块度应满足路基用石料要求，其包络线见图2，具体爆破开采料技术指标为：最大粒径dmax≤550 mm，小于5.5 mm含量为＜15%，小于0.1 mm含量少于5%，路基填筑碾压后指标：孔隙率n≤19%，干容重rd=22.0 kN/m3。

2 光面爆破方案的确定

根据工程设计要求，通过对工程现场的实地考察，了解现场施工情况，在既保证边坡光滑稳定又让爆破石块料满足一定要求的情况下，初步拟定采用如图3所示光面爆破开挖以保证边坡的稳定性，主爆区采用连续装药的中深孔爆破，接近边坡面的缓冲区采用不耦合装药的光爆层孔缓冲爆破，边坡面采用不连续不耦合装药的光面爆破。

2.1 爆破参数的确定

依据上述光面爆破方案，需要综合考虑地质情况、雷管与炸药品种、施工设备与工艺等因素进行爆破方案设计。光面爆破的难点在于周边孔之间的互相贯通，并且彼此形成较为规则的半圆孔，达到边坡面平整规正，对周边岩石扰动较小。为了达到设计要求和良好的爆破效果，设计了如表1所示爆破参数。

2.2 起爆网络参数的选择

光面爆破是一个动态断裂的过程，爆破应力波首先使炮孔周围产生初始径向裂纹，然后在爆生气体准静态压力作用下，初始径向裂纹进一步扩展延伸，同时由于孔间的导向作用会使得孔间连线产生应力集中现象，这样就会在孔间连线产生裂纹，而滞后的高压气体膨胀作用使得孔间连线产生的裂纹全部贯通成缝［9］。这其中最关键的技术就是让所有光爆孔同时起爆，以保证裂缝的形成和平整光滑，所以雷管延时参数的确定和起爆顺序的选择对光面爆破效果影响甚大。根据爆破方案，确定主爆孔和缓冲孔采用排间间隔50 ms，孔间间隔25 ms，最后光爆孔同时起爆的起爆网络。雷管品种可以选择非电导爆管雷管或者电子雷管。当使用导爆管雷管起爆网络时，排间地表雷管用3段，孔间地表雷管用2段，孔内雷管用13段（650 ms），组成复式起爆网络；当使用电子雷管起爆网络时，由于电子雷管时间可以现场设定，所以每发电子雷管延时直接按起爆网络参数进行设定，组成并联起爆网络。

2.3 光面爆破方案选择电子雷管的理由

传统导爆管延期雷管采用延期药来实现延时功能，延时精度不高，常会出现跳段、盲炮事故，延期时间不能根据现场情况灵活设置，难以实现起爆时序的精确控制，爆破效果差。电子雷管是采用电子控制模块对起爆过程进行控制的雷管，其实物及结构见图4。如图4所示，内置在管壳内部的电子控制模块具备雷管起爆延期时间控制、起爆能量控制功能，内置雷管身份信息码和起爆密码，能对自身功能、性能以及雷管点火元件的电性能进行测试，并能和起爆控制器及其他外部控制设备进行通信。因此，它具有延时精确、延期时间设置灵活、延期范围广、组网规模大、信号传输距离长的优点。这些优点能更好地实现爆破工程的时序控制与效果控制，达到预期的破碎效果及振动灾害控制。在光面爆破方案中，最关键的技术就是让所有光爆孔同时起爆，以保证裂缝的形成和平整光滑，也就是说要求雷管的延期精度越高越好，这正是电子雷管比传统导爆管雷管最具有优势的方面，所以理论上光面爆破采用电子雷管起爆网络能达到更好的爆破效果。

3 电子雷管在光面爆破中的应用

3.1 电子雷管与导爆管雷管的延期性能比较

光面爆破的裂缝是否平整光滑与起爆时间的一致性有重大关系，有研究结果表明，起爆时间一致性越好，裂缝的表面越平整越光滑。起爆网络中的参数设定都是雷管的名义延时，与其实际延时存在一定的差别，因此实验考察电子雷管和非电导爆管雷管的实际延期时间对起爆网络中雷管的选用具有实际指导意义。本研究分别测试了名义延时为25 ms、50 ms和650 ms的电子雷管和非电导爆管雷管实际延期时间，采用延时误差来表示雷管的延期精度［10］，每组25发，测时结果如表2所示。

由表2可知，在25 ms、50 ms和650 ms名义延时的测时结果中，电子雷管的平均延时与名义延时更接近，电子雷管延期时间的标准差、极差和延时误差均比导爆管雷管的要小，说明电子雷管的延期精度比导爆管要高。电子雷管的延时标准差和极差普遍较小，变化不大，导爆管雷管的延时标准差和极差随着名义延时的增加而增大。这与它们的延期原理不同有关，电子雷管采用电子芯片延时，延时准确度高，其延期性能主要由点火药头的延期精度决定，而导爆管雷管采用延期体中的延期药燃烧延时，由于燃烧的不稳定性会出现一定程度误差，它从本质上是无法避免的，随着延期时间的增加，这个误差会逐渐增大，所以呈现出导爆管雷管延期时间越大，其延时误差和极差也越大的现象。综上分析可知，电子雷管的延期时间一致性好，精度高，延期性能远远优异于导爆管雷管的延期性能。

3.2 电子雷管对爆破块度的影响

鉴于电子雷管与导爆管雷管的延期时间一致性相差较大，本研究在地质条件和爆破方案相同的情况下分别采用电子雷管并联起爆网络和导爆管雷管复式起爆网络进行了爆破试验，并对爆破后石块的筛分结果进行了统计，结果如图5所示。

由图5可知，采用电子雷管起爆得到的爆破石料块度大部分集中在10～450 mm，其块度在上下包络线之内，能较好地满足工程需求。导爆管雷管起爆产生的石料块度不均匀，大块和小块较多。这是因为电子雷管在起爆过程中延期时间与设计时间比较接近，能较好地进行应力波叠加，能量均衡，发挥出协同效应，从而使岩石破碎均匀；而孔内的13段导爆管雷管因为延时极差较大，起爆时间无法精确控制，从而导致有的部位能量密集产生大量小块，进而导致有的部位能量损失产生大块。试验结果表明，电子雷管由于延期精度高，与设计延时较接近，在爆破中能获得更均匀的块度。

3.3 电子雷管与导爆管雷管光面爆破效果对比

本工程一个重要的指标是边坡的光滑稳定性，它与光面爆破裂缝成型密切相关，而裂缝的形成又主要依靠邻孔之间同时起爆产生的径向冲击波和拉伸应力波及爆生气体的共同作用。考虑到电子雷管与导爆管雷管的延期时间一致性相差较大，在同时起爆的一致性上会有所差异，因此研究了它们对光面爆破效果的影响，爆破后的边坡效果如图6所示。

从图6中可以看出，采用电子雷管起爆网络爆破后的边坡表面平整，光爆孔清晰，光爆效果较好，而采用导爆管雷管网络起爆的边坡表面凹凸不平，光爆孔模糊不清，光爆效果较差。出现该现象的原因在于光面爆破开挖方式中，各邻孔之间的时间差越大，贯通裂缝的时间越长，作用在切向上的爆炸荷载时间也越长且越不均匀，形成的裂隙越不平整，甚至时间差大于100 ms时，如同各孔单独起爆形成凹凸不平的壁面。当所有光爆孔同时起爆时，会加速贯穿裂缝的速度，导致爆生气体的快速逸出，从而减小了爆炸荷载的作用时间，形成平整的裂缝［11］。由于电子雷管在650 ms时的极差只有5.06 ms，一致性远高于延时极差为44.70 ms的导爆管雷管，所以它更容易形成平整的裂缝。试验结果表明电子雷管起爆网络比导爆管雷管起爆网络的光面爆破效果更好。

4 结论

针对温州绕城高速公路路堑开挖爆破工程，比较了电子雷管并联起爆网络和导爆管雷管复式起爆网络的光面爆破边坡效果和石料块度，得出如下结论：

（1）试验测试结果表明电子雷管的平均延时与名义延时更接近，电子雷管延期时间的标准差、极差和延时误差均比导爆管雷管小，电子雷管的延期时间一致性好，精度高，延期性能优异于导爆管雷管。

（2）采用电子雷管起爆，起爆过程中延期时间与设计时间比较接近，爆破后得到的石料块度大部分集中在10～450 mm，块度均匀，能较好地满足工程需求。而采用导爆管雷管起爆，起爆时间无法精确控制，爆破后产生的石料块度不均匀，大块和小块较多。

（3）采用电子雷管起爆网络爆破后的边坡表面平整，光爆孔清晰，光爆效果较好，而采用导爆管雷管网络起爆的边坡表面凹凸不平，光爆孔模糊，光爆效果较差。