高原城区复杂敏感环境下浅埋隧道精细控制爆破技术

陈嘉宾

摘 要：以拉萨环城路（北段）市政工程建设项目东绕城路1号隧道浅埋段爆破施工为例，介绍了精细控制爆破数码电子雷管在城区浅埋隧道中的应用，根据隧道不同的埋深及上方地表建筑物的分布情况，采用不同的控爆方案，进一步拓宽了其应用范围，使其展现出了更广阔的应用前景。

关键词：高原城区;复杂敏感环境;浅埋隧道;精细控制爆破

1 工程概况

拉萨环城路（北段）市政工程建设项目东绕城路1号隧道位于拉萨市夺底乡，为连拱式隧道，左、右线各长325 m;隧道净宽10.25 m，净高5 m，左右线均为1.5%的单向上坡;进口段左侧紧邻拉萨监狱、右侧紧靠居民密集区，居民房屋多为砖混结构;距进口洞轴线上方40 m右侧10 m处移动信号基站1座，距进口洞轴线上方70 m左侧50 m处100 kV高压电力塔1座;本隧道埋藏浅，最大埋深约75 m，进口段斜坡达到40°～60°，坡面覆盖层大多为砾砂和碎石土，隧洞顶距地表最小距离3 m，覆盖层力学性能低，稳定性差，强风化花岗岩体破碎，以镶嵌碎裂结构为主，该段围岩多为稳定性较差的Ⅴ类围岩，建设单位要求尽可能降低爆破振动确保施工安全，绝对保证居民房屋的安全，保证周边构筑物安全以及减少对周边单位、居民正常办公生活的干扰。

2 精细控制爆破数码电子雷管原理

东绕城路1号隧道进口浅埋段采用数码电子雷管精细控制爆破施工。

精细控制爆破数码电子雷管是一种电子控制模块对起爆过程进行控制的电雷管，其中电子控制模块是指置于数码电子雷管内部，具备雷管起爆延期时间任意设定控制、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它外部控制设备进行通信的专用电路模块。

城区浅埋隧道精细控制数码电子雷管爆破设计有以下5个特点：

（1）增加自由面作用：利用数码电子雷管精准起爆延期时差，达到起爆能量创造新的辅助自由面：即先起爆炸药在媒体中已造成一定的破坏，形成了一定宽的裂隙和创造新的自由面，后起爆孔的最小抵抗線和爆破作用方向都有所改变，增多了入射压力波和反射拉伸波在自由面方向的破碎岩石作用，并减少夹制作用，提高了破裂效果也降低了爆破震动效应的目的。

（2）应力波叠加作用：利用数码电子雷管精准起爆延期时间控制，达到起爆能量控制产生的爆炸应力波互相叠加：即先起爆炸药在媒体中激起压缩波从自由面反射成拉伸波后，再引爆以后炸药，不仅能消除同时爆炸形成的无应力区或应力降低区，该区内应力波相互叠加增大了拉应力，加强破碎效果产生尽可能大的爆破环从而也达到降低爆破震动效应的目的。

（3）增加岩块相互碰撞作用：利用数码电子雷管精准起爆延期时间控制，达到起爆能量控制产生剩余应力的相互作用：即由于相邻两炸药间隔时间极短，先起爆药包区内的破碎岩石起飞尚未回落时，相邻起炸药已经起爆，此时破碎的岩石也朝刚形成的补充自由面方向飞散相互碰撞;在密集的“岩块幕中”后爆炸药的爆生气体不易逸散到大气中，从而又增加了补充破碎机会。接着后续炸药又起爆，在时差合理的时间内，与先期破碎的岩石可能再次碰撞，这样被爆媒体就会形成多次碰撞破碎，提高了岩石破碎率也达到降低爆破震动效应的目的。

（4）减小爆破地震作用：利用数码电子雷管精准起爆延期时间控制，显著地减小了单响的药量，即将原来同时齐爆药量在时间上得以分散，爆破地震能量也在时间上和空间上加以分散，爆破产生的震动波会相互干扰而削弱，从而降低了对地面的震动作用，减少地震效应而达到降振效果。

（5）组网安全可靠性：在爆破网络的建设中，电子雷管还具有远程检查的技术优势。在爆破网络连接完成后，技术人员可以在安全环境下，利用远程数码设备对爆破网络连接开展“一键检测”工作，很好地提高了爆破工程的安全性、可靠性，促进了安全爆破施工理念的推广。

3 数码电子雷管起爆设计

3.1 数码电子雷管使用流程

施工工艺流程为：测量布孔→钻孔→量孔装药→堵孔→网路连接→电子雷管网路检测→爆前警戒→起爆→爆后检查。

3.2 数码电子雷管技术参数

3.3 数码电子雷管使用要点

数码电子雷管采用铱钵表进行延时设计、雷管注册、起爆网络检查及起爆。

3.3.1 网路设计

对爆破网络各孔的延期序列进行设计，设计完成后，可在铱钵表上通过“延期修改”功能，输入各孔的延期时间。也可利用爆破设计软件完成网络设计，设计完成后将设计数据下载到对应铱钵表。

3.3.2 注册

开启铱钵表，进入“雷管注册”功能，将雷管的两根脚线分别于铱钵表的注册接线端接触可靠，按“检测”键对当前雷管进行检测，检测合格显示当前雷管信息，按“注册”键将当前雷管注册到相应孔中。注册成功后取下当前雷管进行下一发雷管的注册。

3.3.3 组网

所有雷管均注册完成后，将雷管放到对应爆破孔中，对爆破进行装药、填埋。将雷管脚线并联接入网络总线上。

3.3.4 测试

所有雷管在网络总线上连接可靠后，将网络总线连接到铱钵表的组网接线端，开启铱钵表，进入“网络测试”功能，由铱钵表对下辖雷管网络进行测试，测试完成后，测试结果如提示有错误，则应关闭铱钵表对错误雷管的接线进行检查吱吱网络测试成功。

3.3.5 起爆

起爆前撤离爆破现场，将网络总线延伸至安全距离外，雷管网络总线接铱钵表的组网接线端，铱钵表再与起爆器相连。开启铱钵表，起爆器，在起爆器上打开充电开关，进入“爆破流程”功能，按界面提示逐步完成点名、测试、充电，直至准备起爆。按起爆器起爆双键，进入起爆倒计时，执行起爆。

4 数码电子雷管控制爆破施工工艺

针对东绕城路1号隧道进口浅埋的客观条件，为确保地表构筑物的安全，充分考虑到施工进度及施工效率，结合数码电子雷管的性能和优势，上台阶采用机械掏槽+数码电子雷管控制爆破开挖法、数码雷管一次起爆法、数码雷管+普通毫秒雷管一次起爆法三种方案进行精细控制爆破开挖。

4.1 机械掏槽+数码电子雷管精细控制爆破开挖法

机械掏槽+数码电子雷管控制爆破开挖法，首先采用单臂掘进机对上台阶进行机械掏槽，掏槽面积长6 m×宽3.6 m，深2.5 m，创建爆破临空面，然后对周边围岩采用数码电子雷管起爆。

4.1.1 钻爆设计原则及控制标准

根据地质条件，开挖断面、开挖进尺、单臂掘进机性能、爆破器材等编制光面爆破设计。开挖进尺2 m，地表的振速控制在0.5 cm/s左右。

根据围岩特点合理选择周边眼间距及周边眼的最小抵抗线，辅助炮眼交错均匀布置，周边炮眼与辅助炮眼眼底在同一垂直面上，掏槽炮眼加深10 cm，炮眼堵塞长度10 cm。

4.1.2 光爆参数的选择

光爆孔钻孔时要严格控制钻孔外插角度和外插量，保证轮廓面平整成型。

光面爆破参数：

炮孔直径D孔=42 mm

药卷直径D药=32 mm

炮孔间距E=（8～18）d或E=0.5 m～0.7 m，取值0.4 m

光爆层厚度W光=（10～12）d或0.6 m～0.8 m，取值0.6 m

周边孔的密集系数m=E/W光=0.67

不耦合系数D=D孔/D药=1.31

线装药密度q=0.1 kg/m～0.2 kg/m，取值0.1 kg/m

通过爆破试验确定爆破参数，试验时参数见表2。

4.1.3 其它各部位炮眼参数的选择

根据爆破设计，上台阶进尺2 m，使用2号岩石乳化炸药54.4 kg。

則根据公式：Q=K·S·L  （kg） （式1）

可得K=Q/（S·L）（kg/m3）                        （式2）

式中  Q——一次爆破的总装药量，kg;

S——开挖断面面积，S=71 m2;

L——炮眼深度，m;

K——炸药单耗量，kg/m3。

则炸药单耗量K=54.4/（48.2·2） =0.56（kg/m3）

单孔装药量可按下式计算：

q=K·a·W·L·λ   （kg） （式3）

式中  q——单孔装药量，kg;

a——炮眼间距，m;

W——炮眼爆破方向抵抗线，m;

L——炮眼深度，m;

K——炸药单耗量，kg/m3;

λ——炮眼所在部位系数，可参阅表3选取;

扩槽眼装药系数λ=1.5，装药量计算：

q=K·a·W·L·λ

  =0.56·0.8·0.7·2·1.5=0.94（kg）

取q=1.0 kg。

其他各段位炮眼参数见表4，炮眼间距及最小抵抗线取最大值。

4.1.4 施工步骤

第一步：单臂掘进机就位后，做好除尘准备，在隧道中心用单臂掘进机截割一个宽6 m、高3.6 m、深2.5 m的小导洞，小导洞面积约为21.6 m²，开挖方量为54 m3。

第二步：退出单臂掘进机，装载机配合自卸车出碴后，开挖台架就位。沿Ⅰ部完成小导洞轮廓线，从隧道中心由内向外依次布设炮眼。如图1所示。

掏槽眼：共计2个，孔深2.3 m，炮孔夹角为42°，装药量1.2 kg，采用数码电子雷管逐孔爆破，孔间延时3 ms。

扩槽眼：共计17个，均为垂直打眼，与Ⅰ部开挖小导洞轮廓线间距W=70 cm，孔间距80 cm，孔深2.3 m，装药量1 kg。采用数码电子雷管逐孔爆破，孔间延时3 ms。

进一步扩大临空面，促进后续爆破作业。

辅助眼：共计18个，均为垂直打眼，相邻炮孔间距80 cm，孔深2.2 m，装药量0.6 kg。采用数码电子雷管逐个爆破，孔间延时3 ms。

二圈眼：共计22个，均为垂直打眼，相邻炮孔间距70 cm，孔深2.2 m，装药量0.4 kg。采用数码电子雷管逐个爆破，孔间延时3 ms。

周边眼：共计53个，均为垂直打眼，孔间距40 cm，孔深2.2 m，装药量0.2 kg，采用数码电子雷管逐个爆破，孔间延时3 ms。

底板眼：共计6个，孔间距80 cm，孔深2.2 m，装药量0.8 kg，采用数码电子雷管逐个爆破，孔间延时3 ms。

4.1.5 装药量及起爆顺序

装药量及起爆顺序详见表5。

4.2 数码雷管一次起爆法

数码雷管一次起爆法，即上台阶全部采用数码雷管进行单孔精准微差控制爆破。

4.2.1 钻爆设计原则及控制标准

根据地质条件，开挖断面、开挖进尺，爆破器材等编制光面爆破设计。开挖进尺2 m，地表的振速控制在0.5 cm/s左右。

根据围岩特点合理选择周边眼间距及周边眼的最小抵抗线，辅助炮眼均匀布置，周边炮眼与辅助炮眼眼底在同一垂直面上，掏槽炮眼加深10 cm，炮眼堵塞长度10 cm。

4.2.2 掏槽方式

掏槽方式采用双楔形掏槽。

4.2.3 光爆参数

光爆参数选择参照3.1。

4.2.4 炮眼布置及孔位延时设计

具体炮眼布置及孔位延迟设计见图2。

在距上台阶底部约50 cm，距隧道中线2.1 m范围内分别布设掏槽，第一排掏槽孔，共计14个，孔深1.5 m，与横向夹角约40°，相邻炮眼间距均为60 cm，孔内延时设置为5 ms，单孔装药量0.8 kg;在距隧道中线间距为2.6 m处设置第二排掏槽孔，共计12个，孔深为2.3 m，与横向夹角约46°，相邻炮孔间距为80 cm，单孔药量1.0 kg，与第一排掏槽孔段间延时为30 ms，孔内延时为3 ms。

辅助眼共计57个，孔深2.2 m，孔内延时均为3 ms，段间延时均为50 ms，单孔装药量为0.6 kg～0.8 kg。

掏槽眼与辅助眼均采用数码电子雷管逐孔起爆。

周边眼共计51个，孔深2.2 m，相邻炮孔間距40 cm，孔内延时均为3 ms，段间延时为60 ms，单孔装药量0.2 kg。

底板眼共计15个，孔深2.2 m，相邻炮孔间距80 cm，孔内延时均为3 ms，段间延时60 ms，单孔装药量0.8 kg。

4.2.5 起爆顺序及装药量

起爆顺序及装药量详见表6。

所有炮孔均采用42 mm钻孔钻设，成孔直径约为50 mm。合计使用数码电子雷管149发，总装药量为83 kg。

4.3 数码雷管+普通毫秒雷管一次起爆法

数码电子雷管+普通毫秒雷管一次起爆法，即上台阶掏槽眼及辅助眼采用数码电子雷管起爆，周边眼及底板眼采用普通毫秒雷管起爆。

4.3.1 钻爆设计原则及控制标准

根据地质条件，开挖断面、开挖进尺，爆破器材等编制光面爆破设计。开挖进尺2 m，地表的振速控制在0.5 cm/s左右。

根据围岩特点合理选择周边眼间距及周边眼的最小抵抗线，辅助炮眼均匀布置，周边炮眼与辅助炮眼眼底在同一垂直面上，掏槽炮眼加深10 cm，炮眼堵塞长度10 cm。

4.3.2 掏槽方式

掏槽方式采用双楔形掏槽。

4.3.3 光爆参数

光爆参数选择参照3.1。

4.3.4 炮眼布置及孔位延时设计

具体炮眼布置及孔位延迟设计见图3。

距上台阶底部约50 cm，距隧道中线2.1 m范围内分别布设掏槽，第一排掏槽孔，共计14个，孔深1.5 m，与横向夹角约40°，相邻炮眼间距均为60 cm，孔内延时设置为5 ms，单孔装药量0.8 kg;在距隧道中线间距为2.6 m处设置第二排掏槽孔，共计12个，孔深为2.3 m，与横向夹角约46°，相邻炮孔间距为80 cm，单孔药量1.0 kg，与第一排掏槽孔段间延时为30 ms，孔内延时为3 ms。

辅助眼共计57个，孔深2.2 m，孔内延时均为3 ms，段间延时均为50 ms，单孔装药量为0.6 kg～0.8 kg。

掏槽眼与辅助眼均采用数码电子雷管逐孔起爆。

周边眼共计51个，孔深2.2 m，相邻炮孔间距40 cm，单孔装药量0.2 kg，采用11段和13段普通毫秒雷管分段起爆。

底板眼共计15个，孔深2.2 m，相邻炮孔间距80 cm，单孔装药量0.8 kg，采用13段普通毫秒雷管起爆。

4.3.5 起爆顺序及装药量

起爆顺序及装药量详见表7。

所有炮孔均采用42 mm钻孔钻设，成孔直径约为50 mm。合计使用数码电子雷管83发，普通毫秒雷管66发，总装药量为83 kg;单段最大药量为周边眼（13段）及底板眼（13段）起爆时，最大药量为17.4 kg。

4.3.6 起爆网络

采用并联起爆网络，使用数码电子雷管铱钵起爆器起爆。

因数码电子雷管与普通毫秒雷管起爆网络与起爆器均不同，故两者不能同时起爆。但由于两者均为孔内延时网络，且数码电子雷管具有精度高的特点，将数码电子雷管延期时间设置为0来代替电雷管起爆毫秒雷管，经现场多次试验，均取得了良好的爆破效果，所以两种雷管可以结合使用。

5 精细控爆方案优缺点比较

①机械掏槽+数码电子雷管精细控制爆破开挖法：优点是降振效果最好，可靠度高，对隧道上方构筑物的影响最小;缺点是投入大、成本高、施工效率低。目前在东绕城路1号隧道进口段房屋密集地段、埋深10 m左右采用此方案。②数码雷管一次起爆法：优点是降振效果好，可靠度较高，对隧道上方构筑物的影响较小，施工效率高;缺点是成本高。目前在东绕城路1号隧道进口段房屋较密集地段、埋深20 m左右采用此方案。③数码雷管+普通毫秒雷管一次起爆法：优点是施工效率高、成本较低;缺点是可靠度低，起爆网络复杂。

6 数码电子雷管精细控制爆破技术总结

①数码电子雷管精细控制爆破，在施工中依据振动监测数据及围岩的情况不断调整延期时间，使浅埋段地表振速有效地控制在0.35 cm/s～0.8 cm/s范围内，显著降低了爆破振动，达到预期效果。②非电雷管引起的松动圈为1.5 m～2.4 m，数码电子电雷管引起的松动圈为0 m～1.5 m，显著减轻对围岩的损伤，对于城区上穿、下跨及浅埋段环境敏度高的隧道及地下工程等开挖有良好的适用性，前景广阔。③数码电子雷管与非电导爆管雷管相比，对于同样爆破方量，使用数码电子雷管可有效减少炸药用量，减少量约20%左右。④数码电子雷管目前生产厂家较少，虽然更安全、可靠、精准，但其使用成本高，起爆网络繁杂，一定程度上限制了在弱爆破开挖中的应用。

参考文献：

[1]北方邦杰科技发展公司.隆芯号数码电子雷管.北京：北京邦杰科技发展公司，2009.

[2]何广沂.工程爆破新技术[M].北京：中国铁道出版社，2000.

[3]刘星.徐栋.几种典型电子雷管简介[J].火工品，2004（8）：45.

[4]重庆枢纽控制爆破技术的研究大纲2011-1.