公路隧道复式交叉跨越混联预裂爆破网路技术研究

徐行军，黄树榕，程玉泉

(1.福建船政交通职业学院 土木工程学院，福州 350007；2.中交一公局厦门工程有限公司，厦门 361021)

随着国家公路基础建设规模的增大，各种基建中涉及到的深孔、浅孔梯段爆破、隧道爆破和建筑物拆除爆破的要求日益严格。比如限制爆破药量，就得增加分段数，有时最多分段达数百段，这时电爆网路已不能满足工程设计的要求，只能采用非电起爆网路。非电起爆网路与电爆网路一样，有准确可靠的起爆时差，在复杂的电、磁场、雷雨天气环境，产生误爆的概率大大减少；同时，在网路布设、安全防护以及起爆方式比较简便。但是在实际运用中，因非电系统的不可用仪器检查，网路存在可能拒爆、断爆、网路被拉断等现象。必须分析网路各种拒爆隐患产生的原因，提出具体措施和对策，设计科学的起爆网路，最大限度地提高准爆率，减少或避免拒爆事故，提高网路的可靠性，消除拒爆隐患，实现公路隧道控制爆破的安全准爆[1-3]。

1 工程概况

莆炎高速公路福州段永泰梧桐至尤溪中仙段A4合同段尖峰山公路隧道位于尤溪县嵩口镇，路线全长6.157 km，双向6车道。隧道全长3 556 m，左洞全长3 533 m，右洞全长3 579 m，为特长公路隧道，左右洞呈分离式布置，隧道净宽14.75 m、净高5 m，隧道单洞内轮廓断面开挖面积为122.66 m2。隧址区表层多为第四系残积坡土，局部可见冲洪积粉质黏土，下伏侏罗系南园组(J3n2)晶屑凝灰熔岩、侏罗系梨山组砂岩(夹泥灰岩透镜体)及其风化层。

2 新型起爆网路设计与特点

常用的隧道爆破为导爆管雷管毫秒微差捆联复式接力网路，对于周边眼，通常采用光面爆破的形式[4]，由于行业使用火工品供应习惯、工人操作水平和爆破器材本身质量影响，有时会出现个别孔或成片拒爆，或者轮廓面爆破效果不好，需要补炮，这种做法费时费力，还造成超挖。为此，通过认真分析网路可靠性和可能拒爆的原因，提出一种全新的隧道复式交叉跨越混联预裂爆破起爆网路技术(见图1)。

图1 复式交叉跨越混联预裂爆破起爆网路示意图

该网路孔内雷管采用捆联绑扎，传爆结点使用双发同段；一发雷管与前一阶的传爆结点连接，另一发雷管与前阶传爆结点交叉连接[3]，或跨越一个(上跨或下跨)结点与另一阶相连接；周边预裂孔比二圈眼提早起爆，采用双向导爆索连接方式，孔内导爆索尾部为水滴形双向传爆环，孔外导爆索每隔6～8孔弯成Ω索结，传爆雷管放在中间，正向绑扎。爆破网路传爆方式为交叉跨越、双雷管结点、双路传爆[5]。

3 可靠性计算与分析

起爆网路系统可靠性计算,当起爆端的爆轰波通过传爆结点依次传爆。爆轰波不断传递，到达最远端一阶结点时，安全准爆的可靠度最小，最小的可靠度就为整个起爆网路的可靠度[6]。

3.1 捆联的可靠度分析

2发或以上同段传爆雷管捆扎制作每1阶传爆结点，当结点任意一发雷管引爆，则其结点传爆雷管引爆所有连接的雷管。只有当所有传爆雷管均拒爆时，此捆联结点才拒爆。假设P0为单发雷管的准爆率,由此可知，该雷管拒爆概率为(1-P0)，若每个传爆结点均采用m发雷管捆联，该传爆结点拒爆概率为(1-P0)m，准爆率P1计算公式为：

P1=1-(1-P0)m。

(1)

若单串联网路中，1个结点由m个同段雷管捆联而成，传爆线路上共有n个结点，则该网路的准爆率，用Pn表示，因最后1个传爆结点被引爆可能性最低，故视为该结点的准爆率即为全网路的准爆率，则：

Pn=P1n=[1-(1-P0)m]n。

(2)

假设为P0=97.5%，经计算，捆串联网路准爆率见表1。计算结果证明捆联网路具有明显提高网路准爆率作用[7]。

表1 捆串联网路准爆率

3.2 跨越式捆串联网路

捆串联网路如果出现其中任意一传爆结点拒爆,则此传爆结点后的所有传爆结点随之拒爆，造成整片拒爆，这也是隧道爆破中容易出现的一个现象[8]。为了避免这种现象，将网路改为跨越式捆串联网路，即1发雷管跨越1个传爆结点与(上跨或下跨)传爆结点相连接。只有上两阶传爆结点雷管均拒爆时,下一阶的传爆结点雷管才会拒爆,最终使这种网路准爆率得到改善[7]。

用B1，B2，B3，…，Bn表示传爆结点，B11，B12，B21，B22，…，Bn1，Bn2表示雷管起爆。另假定起爆端的第1发雷管准爆率为1，其他后续传爆雷管的准爆率均为P0=97.5%，则跨越式双捆串联网路的准爆率为：

(3)

按式(3)计算，结果见表2，说明跨越式网路具有进一步明显提高网路准爆率的作用。

表2 跨越式网路与双捆串联网路准爆率对比

3.3 复式交叉起爆网路

设起爆网路第i阶传爆结点起爆的可靠度为Pi，第i+1阶为Pi+1，孔内使用单发雷管，令Pj·P0=Pd，则

Ps=Pn·(Pj·P0)=[2(Pn-1·Pd)-(Pn-1·Pd)2]·Pd，(n≥2)。

(5)

式中：Ps为起爆网路的准爆率，即设计可靠度；P0为导爆管雷管的准爆率；Pj为传爆结点的可靠度；n为起爆网路最后一阶传爆结点的阶数。

计算表明：从1阶将爆轰波传至第n阶结点，共有2n-1条传爆路径。只要有1条顺畅的传爆路径，将爆轰波传递至第n阶结点，即可确保该结点连接的孔内雷管被引爆。当Pj、P0为定值时，随传爆结点阶数的增加，起爆网路的安全传爆的可靠度保持不变,即Ps=常数，传爆性能非常稳定[3，9]。

3.4 双向传爆导爆索预裂爆破起爆网路

隧道周边孔为预裂爆破孔，为了加强导爆索网路的可靠性，同时提高轮廓面爆破效果，采用双向传爆导爆索网路，周边预裂孔比二圈眼提早起爆，孔内导爆索尾部为水滴形双向传爆环[8]，确保任何正反向传递来的爆轰波均能引爆孔内炸药，孔外导爆索每隔6～8孔的两孔之间弯成一个Ω索结，1发传爆雷管放在中间，正向绑扎，导爆管接到主网路中，同时，两侧地脚部位连接的起爆雷管导爆管拉至起爆端传爆雷管，其他部位的导爆索Ω索结上传爆雷管，可以直接捆联在附近的传爆结点上，确保任意一发雷管拒爆时均能确保整个导爆索起爆。

综上所述，隧道复式交叉跨越混联预裂爆破起爆网路结合了导爆管雷管捆联起爆网路、跨越式起爆网路、复式交叉网路[9]，以及双向传爆导爆索预裂爆破起爆网路综合优势，能有效保证隧道爆破安全准爆。

4 预裂爆破网路可靠度保证措施

实际上，由于行业使用火工品供应习惯，生产供应的导爆管毫秒延期雷管经常为奇数段。根据国内生产的第一系列导爆管毫秒延期雷管可以知道，8段以后，段与段之间的毫秒延期间隔变大，且毫秒延期的误差也越来越大，如果采用周边眼与二圈眼跳段使用的光面爆破，二圈眼起爆时，过长的毫秒间隔，势必导致二圈眼围岩鼓包破裂产生飞石，或拉断导爆管或者导爆索造成拒爆，这是拱顶周边眼使用导爆索出现拒爆的主要原因。即使不拒爆，轮廓面也会产生齿状撕裂现象，严重影响轮廓面控制爆破效果。

为了使得二圈眼爆破不破坏周边孔网路造成拒爆，同时实现预裂爆破的效果，在山岭隧道，运用周边孔与二圈眼同段，同时使用如图1所示的双向导爆索传爆网路，当周边孔与二圈眼使用同段时，假设出现同段雷管延期上、下限值的机率相等，二圈眼和周边眼都有一发雷管先响，二圈眼只有一个任意孔先响，其他剩余的孔均后响。但周边眼采用的是高爆速的导爆索(约6 000 m/s)[10]，28 m的轮廓线长度的导爆索，不到5 ms均已经完成引爆孔内导爆索，实现了二圈眼爆破的鼓包破裂产生飞石不会对周边孔的导爆索和导爆管造成拉断拒爆的影响，且因周边眼左右底角部位导爆索的两发传爆雷管直接1阶接入起爆端传爆结点，拱腰、拱顶起爆雷管接入就近的传爆结点，在总网路上连接上实现复式、双向、跨越和交叉，确保网路可靠起爆的同时，实现周边眼相对二圈眼为预裂爆破的效果，加上切缝聚能预裂爆破技术的运用，能很好地实现周边孔轮廓劈裂面的平整[10]。

5 效果分析

从整体网路分析，要让网路任意结点后的导爆管雷管拒爆，至少要前面连接的2～4个结点完全拒爆，该结点才会拒爆，复式交叉和跨越式结合，实现结点阶次错开，空间错开，不论哪个传爆结点哪根传爆雷管的导爆管被切断，均不会影响该结点安全准爆[11]。也就是说，排除人为网路连接质量和雷管质量的前提下，想让网路的雷管不爆的可能性接近为零。从多次爆破情况看，复式交叉跨越混联预裂爆破起爆网路技术及相关措施的应用，有效保证了网路安全准爆，极少补炮，对轮廓面的平整度爆破效果也有很大程度的改善。两孔之间是劈裂的平整面，大大减少了初支二衬砼的使用，同时隧道大块有所减少；爆堆松散度也有所改善；最重要的是，可以避免因不当网路可靠度低、延期精度低而导致的拒爆，减少拒爆事故发生，提高工效。

6 结论

1)复式交叉跨越混联预裂爆破起爆网路，结合了导爆管雷管捆联起爆网路、跨越式起爆网路、复式交叉网路，以及双向传爆导爆索预裂爆破起爆网路综合优势，能有效保证隧道爆破安全准爆。

2)金属雷管聚能穴金属射流及飞片拒爆控制措施，有效防止了射流和飞片击伤或切断附近未传爆的导爆管造成的拒爆。

3)双向导爆索传爆预裂爆破网路能可靠保证周边眼预裂爆破效果形成，减少拒爆。

综上所述，隧道复式交叉跨越混联预裂爆破网路技术方法科学、技术可靠、多重保证、网路安全准爆可靠度高、操作简单、易学易会，能减少补炮、提高工效、减少超欠挖及费用，对公路隧道类似隧道工程设计与施工，具有良好的借鉴意义。