CN107843157B - 基于第二临空面形成时间的楔形掏槽起爆段别设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于第二临空面形成时间的楔形掏槽起爆段别设计方法，适用于城市浅埋隧道的低振动精确控制爆破。具体为：爆前实测各段雷管起爆延时范围；对比多孔微差理论合成振动曲线（不考虑第二临空面影响）与现场实测爆破振动曲线，结合现场爆破高速摄影数据分析，确定第二临空面形成的准确时间。设计此时刻前逐孔逐段起爆，此时刻后两孔同段或多孔同段起爆；由现场实验确定同段起爆孔数、同段与逐孔逐段间的最小微差间隔。基于隧道爆破现场高速摄影和振动测试，量化爆破临空面扩展、振动变化与起爆时间的关系。本发明在满足振速要求前提下，减少了掏槽孔雷管段别的使用，首次提出并实现了基于第二临空面形成时间的掏槽孔起爆段别精确设计。

Description

基于第二临空面形成时间的楔形掏槽起爆段别设计方法

技术领域

本发明涉及一种隧道爆破施工斜眼掏槽方式，具体为一种基于第二临空面形成时间的掏槽孔起爆段别设计的方法，尤其适用于城市复杂环境下振速控制要求精准的浅埋隧道爆破施工。

背景技术

爆破振动峰值一般源自掏槽爆破，降低掏槽爆破振动是控制振速的根本措施。作为应用最多的隧道斜眼掏槽，常规方法是所有掏槽均由同段雷管同时起爆，少数采用每对或多对掏槽眼同段爆破，在国内这很难满足减少分段药量降振要求。由于非电雷管段别较少且准确性较差，目前还没有在实际隧道工程中用非电雷管斜眼逐孔爆破的先例。即使在现场使用电子雷管实现了掏槽逐孔起爆，但掏槽相邻孔雷管段间起爆间隔一般凭经验选取为1~6ms，没有任何理论依据。

在隧道爆破中，除了降低分段药量外，第二临空面的形成对于降振具有重要作用，但目前没有第二临空面形成时间的研究报道，无法确定第二临空面的准确形成时间。因此国内外都采用定性判断第二临空面形成时间和较为保守设计起爆网络，即认为在掏槽时全部处于临空面没有形成阶段，设计时不增加同段药量，从扩槽阶段或辅助孔开始才增加同段药量。还从未有根据第二临空面形成精确时间进行掏槽爆破网络的设计的报道，而这对城市隧道爆破低振速精准控制具有重要的工程应用意义和理论价值。如掏槽采用降低逐孔掏槽降低分段药量，普通雷管段数不足以完成全断面爆破。

本发明所依托的工程为重庆市渝中区两江大桥渝中连接隧道工程，隧道施工位于渝中区主要商业中心解放碑，地面地下建构筑物密集分布。全程振速要求控制在1.0cm/s以下，对于重点文物——罗汉寺，振速要求控制在0.5cm/s以下。对于这种全程振速控制在1.0cm/s以下的高标准在国内是较为罕见的。本发明依据上述方法成功实现了斜眼掏槽孔在第二临空面形成前逐孔起爆，在第二临空面形成后两孔一段起爆，这样基于第二临空面的形成时间来设计掏槽起爆雷管段别在满足振速要求的同时减少了雷管段别的使用。以普通爆破器材实现了与电子雷管相近的低振速精确控制，且施工成本远低于后者。

发明内容

本发明针对上述技术难题，在爆前实测各段雷管延时范围；利用现场掏槽实验结合多种测试手段，确定第二临空面形成后爆破振速显著下降时刻和对应爆破空洞的大小；采用第二临空面形成前掏槽孔逐孔起爆，第二临空面形成后掏槽孔两孔一段起爆；并在现场进行爆破实验确定同段起爆孔数、同段与逐孔逐段间最小微差起爆间隔。通过现场振动效果测试的比较分析减少了掏槽后期的起爆段别和爆破次数、提高爆破进尺。在严苛振速要求下首次采用非电雷管实现了基于第二临空面实际形成时间的掏槽孔起爆雷管段别设计。

本发明基于第二临空面实际形成时间，精确设计掏槽孔起爆雷管段别，能够更好地在控制隧道爆破振动效应，同时减少雷管段别的使用，降低隧道爆破成本，提高隧道掘进效率。该方法包括：

1）25段定制普通非电雷管准确起爆时间的确定

以开发的2s内25段不串段的定制普通雷管为基础，每批次现场雷管使用前均在每段雷管中选择10个样本进行起爆时刻测试，确定各段雷管的准确起爆时间范围(最大、最小延时时刻)；

2）确定第二临空面形成时间

结合振速显著下降时刻的确定和爆破形成空洞的发展，确定第二临空面形成时间。本发明定义振速显著下降标准为：炮孔的爆破振动峰值较全时程振速最大值下降50%以上。

①比较计算合成振动曲线（不考虑第二临空面对振速的影响）与实测振动曲线差异的方法

振速显著下降起始时间的确定方法如下：

A.进行逐孔逐段楔形掏槽现场爆破，在地面被保护物处测试其振动曲线1，用EMD法结合爆前测得的各段延时范围，进行实际爆破时掏槽各段起爆时刻识别；

B.进行同位置单孔单自由面爆破实验，装药量与A实验相同，在地面被保护物处测得爆破振动曲线2作为计算合成振动曲线计算振源，并按A识别的各段起爆时间进行多孔振动叠加得到相应的多孔微差合成振动曲线；

C.将计算合成振动曲线与实测合成振动曲线比较，经研究发现两曲线初始阶段较为相似，以其曲线同时刻曲线显著差异（振速差异大于50%）的起始点作为第二临空面形成时刻。

②依据爆破形成空洞裂隙尺寸确定第二临空面形成时间

根据高速摄影所得爆破空洞面积的大小和实测爆破振动曲线，分析爆破空洞面积、起爆时间、爆破振动三者之间变化关系，根据起爆时间、空洞面积及振速的对应关系及不同时间的空洞面积和振速对比，量化确定第二临空面形成的时间及其它爆破参数。

3）基于第二临空面形成时间的掏槽孔段别设计

①掏槽孔段位微差时间及起爆顺序应满足以下要求：

首爆孔及相对的次爆孔起爆后，再爆上方的掏槽孔，总体上呈从左到右，从下往上起爆顺序；

②基于第二临空面形成时间的掏槽孔段位设计优化及同段起爆孔数、同段与逐孔逐段间最小起爆微差间隔的现场实验确定

第二临空面形成后，爆破振速较最大峰值显著下降，此后没有必要仍用逐孔起爆。据此按照第二临空面形成前掏槽孔逐孔起爆，第二临空面形成后同段起爆药量可增至逐孔起爆药量的2倍，按两孔一段进行掏槽起爆设计；

③两孔同段间、逐孔起爆与两孔同段间起爆最优时差的确定：可通过隧道现场实验，逐步增加同段起爆孔数、减小同段与逐孔逐段间的最小微差时间，实测相应的振动曲线，判别不同掏槽雷管段别设计下的振速峰值是否超标，确定最佳同段起爆孔数、同段与逐孔逐段间最小起爆微差时间。如在渝中隧道两孔同段与逐孔逐段间最小微差起爆间隔为28ms，两孔同段间的最小微差起爆间隔20ms；

④辅助掏槽孔起爆时，第二临空面已经形成多时，设计辅助掏槽两孔或三孔一段。辅助掏槽首爆孔应尽量位于掏槽首爆孔附近，同样若掏槽最后起爆孔与辅助掏槽首爆孔段间最小微差间隔小于10ms则用下段雷管以形成充足的破岩时间和降低振动。

本发明方法以定制普通雷管实现了基于第二临空面形成时间的掏槽孔起爆雷管段别的精确设计，对以往爆破设计中未考虑第二临空面的影响是一种创新。在现场爆破中，既可保证爆破振动速度的要求，同时减少了实际爆破施工过程中雷管段别的使用，实现了城市密集建筑群下隧道掏槽爆破的精确设计。

附图说明

图1为定制高段位雷管起爆时间范围图。

图2为实验1（现场第一次八孔逐孔掏槽）爆破实测振动曲线图。

图3为单孔单自由面实测振动曲线图。

图4为计算合成振动曲线与实测爆破振动曲线比较图。

图5为实验3（第二次现场八孔逐孔掏槽）爆破设计图。

图6为炮孔起爆后空洞发展照片标识图。

图7为根据高速摄影图片处理的爆破空洞定量化扩展数据图。

图8为实验3掏槽区时间-振速实测曲线。

图9为实验3爆破空洞扩展、起爆时间与振动变化关系图。

图10为实验4（逐孔起爆与两孔同段间起爆时差确定实验）所用雷管批次各段延时范围图。

图11为实验4之I：逐孔逐段爆破网络与实测振动曲线。

图12为实验4之II：最后两孔同段爆破网络与实测振动曲线。

图13为实验4之III：逐孔与两孔同段间跳段、两孔同段间跳段爆破网络与实测振动曲线。

图14为实验4之IV：逐孔与两孔同段间跳段、两孔同段间不跳段爆破网络与实测振动曲线。

图15为实验4之V：逐孔与两孔同段、两孔同段间均不跳段爆破网络与实测振动曲线。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例并配合附图对本发明进一步详细说明。

本发明为一种以非电雷管精确实现基于第二临空面形成时间的楔形掏槽起爆雷管段别设计的方法，现根据重庆市渝中连接隧道工程对该发明方法作详细的说明，但本发明并不局限于具体的实施案例。

重庆市渝中隧道下穿城市繁华地带，地面建筑物密集，全程地面控制振速在1.0cm/s以下，局部重点文物保护设施控制振速在0.5cm/s以下，按照传统的掏槽爆破施工方法，单孔药量低，进而导致爆破循环进尺低，严重影响隧道掘进速度。为此通过反复研究，在楔形掏槽爆基础上，形成了具有独创意义的隧道掘进掏槽爆破方式：一种基于第二临空面形成时间的掏槽孔起爆网络法。主要实施步骤如下：

1）实测各段雷管样本起爆延时范围

以开发的2s内25段不串段定制雷管为基础，每批次雷管出厂前在每段选择10个样本进行起爆时刻测试，得到各段的最大起爆时间和最小起爆时间，如图1为实验1、2测试的雷管起爆范围（为简洁没有列出实验3测试结果）。若N段样本中的最大起爆时间大于N+1段的最小起爆时间，则视为这两段雷管存在“串段”可能。在遇到可能出现“串段”的段别时“跳段”使用。同时，为避免相邻两段爆后振速叠加，相邻两段雷管最小起爆微差应存在下限，最小起爆微差小于10ms的易导致叠加后振速超标，设计时定为10ms。根据相邻各段最小微差时间，所有雷管均无串段。

2）确定第二临空面形成时间

如前所述，本发明中所指第二临空形成时间具有特定含义，即指炮孔较同等条件下爆破振速下降50%的起始时刻；

本发明用以下两种方法确定第二临空面形成时间：

①比较计算合成振动曲线（不考虑第二临空面对振速的影响）与实测振动曲线差异的方法：

A.现场进行单孔药量为1.0Kg的八孔逐孔逐段楔形掏槽爆破（实验1），在被保护物正上方进行爆破振动测试得到振动曲线，如图2所示；用EMD法进行爆后掏槽各段孔起爆时刻识别：

EMD识别法通过对爆破振速信号“去噪、重构、选择、放大”过程，识别各段雷管的起爆时间，辨识效果好。应用EMD法为对实测振动曲线进行EMD分解，再由多个IMF分量构成的信号中选取最能体现爆破信号的主分量，去除部分干扰信号，进行Hilbert变换，提取幅值包络图，获得清晰的雷管实际延迟突变信号，识别得到掏槽孔各段雷管的起爆时刻，如图2所示。

B.在隧道现场进行同位置的单孔单自由面爆破实验（实验2），装药量与A实验相同，为1.0Kg，在地面被保护物处测得爆破振动曲线如图3所示，以此作为计算合成振动曲线计算振源，并按A识别的各段雷管起爆时间进行多孔振动叠加计算相应多孔微差合成振动曲线；

C.将计算合成振动曲线与实测合成振动曲线对比，以其同时刻振速下降50%的最小时间点作为振速显著下降的起始点；

对比根据前8段雷管起爆时间的叠加计算合成振动曲线与实测合成振动曲线，如图4所示。根据得到每一段起爆后形成的首个振动峰值，比较实测振动曲线与理论计算曲线的差异，可知在1段、2段起爆后振动差别很小，排除实验误差可认为近似相同。但从3段开始形成的峰值振速差异很大：3段（0.21cm/s，0.63cm/s），4段（0.37cm/s，0.68cm/s），5段（-0.12cm/s，0.61cm/s），6段（-0.10cm/s，1.09cm/s），7段（0.17cm/s，0.60cm/s），8段（-0.02cm/s，-0.39cm/s），振速下降均在50%以上，再从图4中找出两曲线振速差异显著的最初时间点A、A′（相应振速分别为（-0.093cm/s、-0.55cm/s）为60ms，故确定起爆后60ms形成第二临空面。

②根据爆破空腔发展与振动变化关系确定第二临空面形成时间的方法。

再次进行八孔逐孔掏槽爆破实验（实验3），图5是掏槽爆破设计图，实验时进行高速摄影与振动测试数据采集，在隧道现场高速摄影采集到爆破图像如图6所示。图7是根据图6的高速摄影图片处理的爆破空洞扩展定量化数据，图中提取几个关键时段：第2段起爆后爆破振动峰值时刻（42ms）、起爆54ms、60ms和第3段起爆（78ms）时的爆破空洞（即第二临空面）平面尺寸。图8是实验3现场隧道正上方地面实测爆破振动曲线，图9是起爆时间与空洞裂隙两个长度扩展过程、以及与振动变化的关系图。此图依据实验3的现场高速摄影图像结合振动数据分析而得。

当2段孔爆破引起振动峰值时（起爆后42ms），从图7可知此时对侧已爆的1段孔爆破空洞水平长度最大52.3cm，同对掏槽孔的孔口距3.8m，因此2段起爆后引起的振动不可能因第二临空面存在降低（同对掏槽的孔口距一般都大于2m以上），1、2段起爆时差达39ms，爆破空洞远不可能39ms时到2段起爆位置，爆破空洞对2段爆破振动影响小，2段爆破最大合成振速与单孔爆破峰值相近，如图8所示。

在3段孔爆破前、2段孔爆破后即起爆后39~75ms之间，主要是1段孔爆破的空洞扩展对1-2段合成振动传播产生影响：根据前述研究结论起爆60ms后振速显著下降，这与图8实测曲线相吻合。进一步研究发现起爆54ms时振速已明显下降，此时图7空洞（第二临空面）爆破空洞纵向扩展到长125.02cm、宽55.45cm。分析发现当起爆42ms时爆破振动值较大，此时爆破空洞纵向长86.29cm、横向长52.3cm，与振速显著变化的起爆54ms相比，空洞宽度仅增加6%，而纵向长度增加45%，因此空洞纵向长度是振速下降的关键，它有效阻止了2段孔起爆后振动波传播。本研究明确了使振速显著下降的空洞纵向长度（125.02cm），表明并不是只要形成爆破空洞即可使振速下降。随着3段孔爆破（75ms）时空洞竖向长度进一步增加，振速也降低了50%以上。

综合第二临空面的两种确定方法，为增加振速控制保险系数和可靠性，爆破设计时仍按第二临空面形成时间60ms（临空面临界纵向长度126.51cm）进行设计。

3）基于第二临空面形成时间的掏槽孔段别设计

根据实测雷管延时微差特性，8～9段微差间隔6ms，为避免叠加振速超标，初步设计为8孔斜眼掏槽。为保证低振速控制要求，掏槽孔首爆数孔设计为逐孔起爆，逐孔起爆个数由逐孔起爆延时时间与第二临空面形成时间共同确定。

①首爆孔及相对的次爆孔起爆后，再爆上方的掏槽孔，总体上呈从左到右，从下往上起爆顺序（如图5）。设计1-2段位于第三排，3-4段第二排，再爆第四排，最后爆第一排；

②基于第二临空面形成的掏槽孔段位设计及同段起爆孔数、同孔同段间、同段与逐孔逐段间最小起爆微差间隔的现场实验确定

第二临空面形成后，爆破振速较最大峰值显著下降，此后没有必要仍用逐孔起爆。据此按照第二临空面形成前掏槽孔逐孔起爆，第二临空面形成后同段起爆药量可增至逐孔起爆药量的2倍，按两孔一段进行掏槽起爆设计；

③两孔同段间、逐孔起爆与两孔同段间起爆时差的确定方法：本发明在渝中隧道爆破时，按两孔同段与逐孔逐段间最小微差间隔28ms、两孔同段间最小微差间隔20ms设计可满足1.0cm/s控制振速要求，确定方法阐述如下：

由于第二临空面形成后爆破起爆间隔大小对爆破的降振影响尚不能理论确定。需进行隧道现场实验4，逐步增加同段起爆孔数、减小同段与逐孔逐段间的最小微差时间，实测相应的振动曲线，判别不同掏槽雷管段别设计下的振速峰值是否超标，确定最佳同段起爆孔数、同段与逐孔逐段间最小起爆微差时间。

现场实验（实验4）过程如下：

先进行现场已有雷管各段样本延时范围检测，各段取10个样本测得延时范围如图10所示。

楔形掏槽炮孔都是成对出现如图11，即1~2孔、3~4孔、…；第二临空面形成时间为起爆60ms以后，而3段延时范围为61~83ms，3、4段同时起爆将有可能使合成振速超标。因此只在最先起爆的前4孔进行单孔单段起爆，在渝中连接隧道进行5次现场隧道爆破进行验证，确定逐孔起爆之间、逐孔与两孔同段间、两孔同段间微差间隔时间。

.基准实验（7月17日）：试验为掏槽孔全部单孔单段起爆，掏槽炮孔布置、参数与相应振动曲线（测点为爆源正上方地面，下同）如图11所示，图中标出了各段位起爆后引起的振动峰值点。从图中可看出当第2段起爆后形成最大振动峰值0.54cm/s，全程没有超过1.0cm/s的振速。

.最后两孔同段爆破试验（逐孔最后孔与同段首爆间跳段，7月20日）：掏槽前6孔单孔单段起爆（1~6段），最后起爆两孔同段（8段），炮孔布置和振动曲线如图12所示。根据图12逐孔最后孔与同段首爆间最小间隔40ms，利用EMD法识别第8段双孔同时起爆时间及形成的峰值振速为0.33cm/s，较单孔单段起爆对应时间振速0.18cm/s增加83%，但仍远低于1.0cm/s的控制振速。本次实验证明：当起爆198ms（8段）采用两孔同段爆破，且逐孔与同段间时差40ms时振速不超1.0cm/s控制振速。

.4孔逐孔、2个两孔同段试验（所有微差间隔跳段，7月21日）：掏槽前4孔1~4逐段起爆，4段孔到首个双孔起爆、2个双孔起爆间采用了跳段起爆，炮孔布置和测得的振动曲线见图13。图表明4段起爆与6段起爆间隔76ms，引起振动峰值0.41cm/s，但仍在安全控制指标1.0cm/s之内；同段的6段与同段8段间有38ms的时差间隔，振速降至0.20cm/s。本次实验证明：当起爆167ms时采用两个两孔同段起爆，且同段间起爆间隔为38ms时可满足控制振速要求。

.4孔逐孔、2个两孔同段试验（逐孔与两孔同段间跳段、两孔同段间不跳段，8月24日）：在试验基础上将两个同段起爆间隔从6-8段缩小为6-7段，炮孔布置和测得的振动曲线见图14。同段两孔间间隔时差缩小为20ms，首爆的6段引起振动最大0.22cm/s，比图13首爆6段引起的振动减小；后爆的7段与6段段间间隔20ms，引起的振动峰值0.14cm/s且所有振速均不超标。本次实验表明：当同段起爆间隔缩小到20ms时可满足控制振速要求。

.4孔逐孔、2个两孔同段试验（所有微差间隔均不跳段，8月26日）：设计掏槽爆破后4段为两孔一段；其与逐孔起爆段间间隔、两孔一段间隔之间不跳段，即后4孔采用5、6段，两孔一段同时起爆，现场炮孔布置与爆破振动曲线如图15所示。将首个同段起爆从6段改为5段后，其与4段段间隔28ms，5~6段最小间隔38ms，两个两孔一段起爆的形成的振动峰值最大不超过0.33cm/s，完全满足控制振速的要求。

实验4总结论：在本项5次实验中，起爆60ms后第二临空面已经形成，设计8孔楔形掏槽，确定逐孔起爆孔数4个、两孔同段与逐孔逐段间最小微差间隔为28ms（实验），两孔同段间的最小微差间隔为20ms（实验），可满足控制振速要求。逐孔逐段与两孔同段间、两孔同段之间不需跳段使用雷管。具体而言，1-4孔设计1-4段逐孔起爆，5-6孔设计为两孔同段（5段），7-8孔两孔同段（6段），此掏槽雷管设计方案完全能满足安全振速要求，并节约了雷管段别的使用，为掏槽孔雷管段别设计的最优方案。

Claims (3)

1.一种基于第二临空面形成时间的楔形掏槽起爆段别设计方法，其特征在于，该方法包括：

1）实测各段雷管样本起爆延时范围：

取同一批次所有段雷管各10个样本进行起爆延时测试，确定各段雷管的准确起爆时间范围；计算相邻各段的最小间隔时间，即后段雷管的最小起爆时刻减去前段雷管最大起爆时刻；

2）确定第二临空面形成时间：

采用比较计算合成振动曲线与实测振动曲线差异的方法，具体如下：

A.进行逐孔逐段楔形掏槽现场爆破，在地面被保护物处测试其振动曲线1，振动曲线1为实测振动曲线，并用EMD法进行爆后掏槽各孔起爆时刻识别；

B.进行同位置单孔单自由面爆破实验，装药量与步骤A相同，在地面被保护物处测得爆破振动曲线2作为计算合成振动曲线的计算振源，并按步骤A识别的各段起爆时间进行多孔振动叠加计算，得到相应的计算合成振动曲线；

C.将计算合成振动曲线与实测振动曲线对比，以其曲线同时刻曲线显著差异，即振速差异大于50%的起始点作为第二临空面形成时刻；

3）基于第二临空面形成时间的掏槽孔段别设计

3.1掏槽孔段位微差时间及起爆顺序应满足以下要求：

A.首爆孔及相对的次爆孔起爆后，再爆上方的掏槽孔，总体上呈从左到右，从下往上起爆顺序；

B.辅助掏槽孔起爆时，第二临空面已经形成，设计辅助掏槽两孔一段，辅助掏槽首爆孔应尽量位于掏槽首爆孔附近，同样若掏槽最后起爆孔与辅助掏槽首爆孔段间最小微差间隔小于10ms则用下段雷管以形成充足的破岩时间；

3.2基于第二临空面形成时间的掏槽孔段位设计优化及确定最佳同段起爆孔数、同段与逐孔逐段间最小起爆微差时间；

第二临空面形成后，爆破振速较最大峰值显著下降，因此第二临空面形成前采用掏槽孔逐孔起爆，形成后同段起爆药量可增至逐孔起爆药量的2倍，按两孔一段进行掏槽起爆设计；

对于逐孔起爆最后孔与最先起爆同段孔之间微差间隔、两孔同段起爆孔之间微差间隔时间的确定，逐步增加同段起爆孔数、减小同段与逐孔逐段间的最小微差时间，实测相应的振动曲线，判别不同掏槽雷管段别设计下的振速峰值是否超标，确定最佳同段起爆孔数、同段与逐孔逐段间最小起爆微差时间。

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述确定第二临空面形成时间还同时采用以下方法，具体步骤如下：

首先，依据现场爆破的高速摄影图像资料，得到第二临空面对应时刻的爆破空洞大小定量化数据，形成以爆破裂隙尺寸大小作为第二临空面形成时的判据；

其次：根据高速摄影所得爆破空洞长度大小和实测爆破振动曲线，分析爆破空洞长度大小、起爆时间、爆破振速三者之间变化关系，根据起爆时间与空洞长度大小及振速的关系曲线，结合不同起爆时间下空洞长度大小及振速的对比，综合振速显著下降时刻和空洞长度大小曲线变化趋势拐点时刻，量化确定第二临空面的形成时间；同时得到第二临空面形成时的爆破振速及爆破空洞长度大小爆破参数。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法适用于城市复杂环境下振速控制要求精准的浅埋隧道爆破施工。