CN107843158B - 以普通非电雷管实现隧道爆破低振速精确要求的施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种以普通非电雷管实现隧道爆破低振速精确控制的方法，适用于城市密集建筑群下的浅埋隧道爆破设计与施工。具体为：开发高段数、高精度定制非电雷管；测试各段雷管样本延时范围；综合雷管段数、每平米炮孔数、及同段炮孔数确定隧道断面爆破次数；确定最大掏槽单孔药量、循环进尺；掏槽参数设计：确定掏槽孔位置、数量，第二临空面形成时间，保证楔形掏槽同对炮孔协同作用的最大微差时间，保证相邻排后爆孔起爆安全的最大微差时间；识别各段雷管实际起爆时间及相应振速，优化辅助孔、周边孔段位设计。本发明可在城市隧道爆破施工中同时实现低振速精准控制、较高循环进尺要求，用普通雷管达到电子雷管的控制精度与效果。

Description

以普通非电雷管实现隧道爆破低振速精确要求的施工方法

技术领域

本发明涉及一种隧道爆破施工方法，主要针对复杂环境下的城市浅埋隧道爆破开挖工程，尤其适用于城市密集建筑群下隧道低振速精确控制爆破。

背景技术

随着近年来城市浅埋隧道爆破的增多，爆破施工对振速要求也越来越严格。传统的爆破方法在涉及到城市密集建筑物下严苛的爆破振速要求时，通常以增加爆破次数或缩短循环进尺等措施来保证爆破低振速的要求，极大地限制了施工效率。降低振速通常需要减小分段药量，同时增加雷管段别。但国产非电雷管无论是普通系列还是高精度系列均存在串段和段数不足的缺陷，且隧道爆破施工时为避免串段，普遍用跳段起爆，可用的雷管段数更少。而且常规爆破用按雷管段号进行起爆设计误差较大，难以满足日益严苛的城市隧道低振速控制要求，降振最有效的逐孔掏槽也很难实现。

为了在保证长进尺、少炮次的情况下精确控制城市密集建筑群下爆破振动速度，专利201110402677.4“隧道电子雷管与导爆管雷管联合起爆方法”与专利201110257661.9“一种应用数码雷管实现隧道掏槽爆破减震的方法”采用数码电子雷管与导爆管联合起爆方式基本能达到要求，但是电子雷管不仅成本较高限制其运用，而且参数确定仍然以定性方法和经验为主，一些局部量化计算不能完成整个爆破设计。

目前隧道爆破中掏槽单段最大药量仍大量采用萨氏公式反算，但萨氏公式计算误差大，且只考虑了药量振速间关系，没有考虑微差爆破时间变化对合成振速影响；基于实测单孔振动波形叠加计算掏槽药量的研究只限于两孔微差起爆叠加，多孔振动叠加因计算复杂而未实现。

同对槽眼的爆破协同作用要求短延时微差而降振要求长延时微差，确定同对掏槽眼的协同作用时段，获得成对掏槽协同作用与降振要求的临界延时参数，对于城市精确控制爆破非常重要，但目前国内外尚没有相关研究。

因此，采用普通爆破器材情况下，通过量化计算最大掏槽单孔药量及掏槽段间延时微差时间，精确控制隧道爆破振动，对于实现隧道爆破低振速要求下的精确控制有十分重要的意义。

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。参照《爆破安全规程》(GB6722-2003)以及类似施工经验，根据业主要求，全程振速控制在1.0cm/s以下，对于重点文物——罗汉寺，振速控制在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，在国内是没有先例的。以传统的隧道爆破开挖方式进行施工，一方面进尺极短，另一方面上台阶爆破次数至少也要在3-4次，这样，不仅施工进度缓慢，而且因爆破次数的增加，施工组织复杂，每次爆破后均要等待炮烟排除干净，这给后续的施工造成极大影响。

发明内容

本发明是针对城市密集建筑群下振速难以满足要求且爆破施工进度缓慢、效率低等特点而发明的一种地下空间爆破施工方法。该方法采用定制普通非电雷管，根据雷管各段实际段差而非名义段号进行设计，精确控制各施工段的最大单段药量，在满足城市建筑设施对爆破振速的要求下，采用较大进尺，上台阶仅采用两次爆破(常规方法需4次以上)，显著提高掘进效率，满足施工进度的要求，达到与采用数码电子雷管类似的振动控制精度和爆破效果。

本发明在保证施工效率的情况下，以低振速要求实现隧道爆破振速精确控制，主要采用以下技术方案：

(1)高段数定制非电雷管的开发与应用

开发25段不串段高精度非电雷管，最大延期时间控制在2000ms内以保证周边孔爆破协同作用。17段以前按25ms等间隔高精度非电雷管标准、17-20段为50ms间隔、20-25段为200ms微差间隔设计延期药配比。

相应延期药配方为：1-8段采用反应速度快的铅-硅系列药；9-20段为精度高、点火能力强的硼系药；21段以后用延期时间较长的钨系延期药。最后辅以切药长度调整个别延期时间。

(2)测定各段雷管起爆延时时间

每批次雷管出厂前均进行各段雷管样本的延期范围测试(各段选取10个雷管样本测试)，根据实测的雷管实际延期时间，去除可能串段的雷管段号，选取可保证各段之间不串段的雷管用于隧道爆破；现场根据各段雷管的精确起爆范围而不是名义段号进行爆破设计和施工。

(3)隧道断面爆破次数与掏槽孔数目、位置设计

本施工方法采用楔形掏槽方式。

①隧道断面爆破次数设计

根据现有雷管段数、每平米炮孔数、以及同段炮孔数共同确定隧道爆破次数。

②设计掏槽孔数目：结合步骤(2)测得的各段雷管相邻起爆延时范围特性，去掉相邻段差过小的雷管段别，以相邻段延时范围特点确定掏槽孔数目，掏槽孔数目应与减少全断面爆破所需雷管数、爆破次数综合平衡；

③设计掏槽孔位置：

A.在掏槽孔数目确定为N后，楔形掏槽共有N/2排。为减少爆破振动，将掏槽区尽量设在远离地面的隧道下方，设计最下层掏槽眼相邻的为底眼，间距65cm左右；

B.首爆段同样设在远离地面的下部，但考虑首爆掏槽孔设于掏槽区最下部时，振动降低的同时掏槽爆破所受夹制作用也较大，为充分发挥掏槽效果，首爆孔位于倒数第二排掏槽孔；

C.掏槽孔排间距为45-55cm，左右成对两孔孔底距不大于20cm；

(4)初始掏槽单孔最大药量的选择

为适应严控振速要求，掏槽孔初步设计为以最大单孔药量斜眼掏槽、逐孔起爆。药量确定方法如下，在隧道现场对不同装药量进行单孔、单自由面爆破实验，实测振动曲线；以此作为爆破计算振源，以N孔毫秒爆破为例计算各段延时范围内所有可能的毫秒延时合成振动曲线，确定安全振速下的最大单孔药量。

(5)孔深与循环进尺的设计

根据步骤(4)所确定的掏槽孔最大药量，按照掏槽为55～60％装药系数及单药卷长度计算掏槽孔深；按照重庆主城区地下砂岩掏槽不超过63°确定掏槽角、炮孔垂深和循环进尺；根据每对掏槽孔深和孔底距(一般不大于20cm)确定孔口距。这样按最大单孔药量设计孔深，保证了循环进尺的最大化。

(6)不同炮孔起爆段位设计

①掏槽孔起爆段别的设计

掏槽爆破段别设计总体原则是：根据城市隧道低振速控制要求，第二临空面形成前用逐孔起爆、形成后采用两孔或多孔同段起爆；同对槽眼微差时间隔兼顾爆破协同作用与降振两方面要求；并确定先爆孔对相邻排炮孔正常起爆不被破坏的最大时间。具体如下：

A.楔形掏槽同对槽眼保证爆破协同作用临界微差时间的确定

同对炮孔微差临界时间的目的：原则上逐孔掏槽时同对炮孔微差时间越大降振越好，但微差时间越大岩体爆破协同作用越差，故需确定同对炮孔保证协同作用的最大微差间隔时间(协同作用临界微差时间)。

本方法主要基于现场高速摄影实验数据分析得出，需先对炮孔协同作用定义才能研究其微差临界时间。分析时将协同作用定义为：无论同对槽眼微差爆破时间多少，两孔爆破后每对掏槽斜眼所影响的岩体一旦都产生相向移动，即认为产生爆破协同作用。

通过对多次高速摄影得到的同对炮孔爆破导致两边岩石的相向移动起始时间、终了时间的辨识，得到保持双孔协同作用的最大微差时间不能大于60ms，也即逐孔起爆同对炮孔微差时间不能大于60ms。

B.以第二临空面形成时间为依据优化掏槽孔段位设计的方法，方法简述如下：

根据计算多孔微差合成振动曲线(不考虑第二临空面影响)与现场逐孔逐段掏槽爆破振动曲线的差异比较、并结合现场逐孔掏槽爆破高速摄影数据分析，得到振速下降50％以上的第二临空面形成准确时间，此时间前设计逐孔逐段掏槽，此时间后设计两孔同段掏槽，两孔同段间最小微差间隔20ms。

C.确定楔形掏槽相邻排炮孔爆破不受影响的最大微差时间

根据隧道现场掏槽高速摄影图像分析，只要相邻排炮孔起爆微差时间不大于80ms。即可保证后爆孔的正常起爆。在爆破设计时，以此为依据设计相邻排间掏槽孔的雷管段别以保证掏槽效果。

②辅助掏槽眼、扩槽眼、周边眼起爆段别的确定

根据每批次实测各段雷管延时特性，辅助掏槽起爆采用两孔一段，辅助掏槽首爆孔位于掏槽首爆眼附近。扩槽眼爆破采用三孔一段，采用中线两侧扩槽眼交替起爆，装药系数取40％-50％；设计周边眼微差起爆，四孔一段能满足安全振速要求；

(7)爆破参数的现场调整优化

除了以爆前实测样本雷管起爆延期范围进行设计外，再根据EMD法对爆后实测振动曲线进行各段雷管起爆时间与振速的对应识别，进行第二临空面形成时间的确认，并进行周边眼雷管段位设计的优化调整。

与现有的隧道爆破施工方式相比，本发明的特点主要为：

1)一般隧道爆破用普通雷管难以适应高安全振速下的城市隧道爆破，降振主要途径是降低分段药量，这需要较多的雷管段数，普通雷管不仅段数有限，通常低段还要跳段使用以避免串段，因此无法满足要求。本发明定制高段位数、高精度普通非电雷管，实际使用雷管段数可达25段，为城市隧道低振速控制爆破奠定了器材基础；

2)以前隧道爆破均是按雷管标称段号设计，没有考虑各段的实际延时误差。本发明通过实测雷管段差进行设计而非简单按照标称段数考虑，并以现场实测振动波形为基础进行多孔振速叠加，精确确定初始掏槽孔单孔药量，实现爆破振动速度的精确控制，保证其不超标，从而确保隧道爆破施工下周边建筑设施的安全；

3)常规隧道爆破一般以牺牲进尺或者增加爆破次数来保证低振速，本发明在保证低振速的情况下，对比理论计算N孔叠加合成振速与实测振动波形，确定第二临空面形成时间；根据高速摄影试验，确定每对炮孔爆破协同作用时段，并以EMD法对爆后所测振动曲线进行各段雷管起爆时间与振速的对应识别，优化掏槽孔、辅助掏槽孔、扩槽孔及周边孔雷管段别设计，保证进尺要求，且爆破次数少，大大提高了爆破施工效率，保证了施工进度；

4)与采用数码电子雷管相比，采用普通雷管不仅同样可以做到低振速精确控制爆破，且施工成本远低于前者。每发电子雷管成本是非电雷管的6-10倍，对于一般工程很难接受，本发明采用普通非电雷管即可达到要求，经济效益好，应用前景广泛。

附图说明

图1为各段雷管微差时间标准差图；

图2为相邻各段雷管最小微差时间图；

图3为隧道上台阶断面图；

图4为隧道上台阶断面分区图；

图5为掏槽孔数量与位置示意图；

图6为1、2段内具有最大振动峰值的爆破振动曲线；

图7为掏槽区炮孔剖面图；

图8为掏槽左右两侧岩体移动随时间变化图；

图9为不同起爆时间下掏槽区各炮孔影响的岩体移动面积及所占掏槽区比例；

图10为炮孔起爆75ms后(3段起爆)爆破空洞标识图；

图11为掏槽区炮孔段位初步设计示意图；

图12为掏槽区炮孔段位优化设计示意图；

图13为周边眼优化后EMD识别及实测振速图；

图14为全断面炮孔布置图；

图15为施工方法流程图。

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。

本发明为一种城市密集建筑群下隧道爆破低振速精确控制的施工方法，现根据一个具体工程实例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。

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。隧道范围内除了建筑物密集分布以外，还涉及到人防洞室、地铁线路等设施，另外还包括宋代文物罗汉寺。隧道在轮廓线内的地面建筑物距离较轮廓线外的小，一般在19.51～26.16m之间变化，大部分在20m左右。

本发明通过采用常规非电雷管实现了城市密集建筑群下隧道爆破低振速精确控制施工，具体实施步骤为：

(1)高段数雷管的定制开发

降低振速的主要途径是增加雷管段数以降低同段药量。针对普通雷管段别不够和易在低段串段的特点，与顺安爆破器材公司合作开发25段保证精度的普通非电雷管，

开发方法如下：

为保证周边眼爆破平整所需的炮孔协同作用，确定最大延期时间控制在2000ms内，在此时间内尽可能多分段数，通过工艺改进、生产产品检测等手段确保制造延时范围准确、不串段的雷管。17段以前按25ms等间隔、17-20段按50ms等间隔、20-25段为200ms微差间隔设计延期药配比，开发25段较高精度非电雷管。延期药配方为：1-8段采用反应速度快的铅-硅系列药；9-20段为精度高、点火能力强的硼系药；21段以后用延期时间较长的钨系延期药。最后辅以切药长度调整个别延期时间。

需要指出的是，由于延期时间受延期药、制造工艺影响，每批次雷管各段延期时间均有不同，但由于每一批次出厂前均实测了各段样本的延期时间，对爆破设计施工影响是可控的。

(2)各段雷管起爆延时时间的测定

在各段雷管中选10个样本进行起爆时间实测，确定各段雷管的微差时间标准差，如图1。根据所测的前段10个样本起爆时间最大值与后段最小值之间的时间差确定相邻段之间最小微差时间，如图2。

测试结果显示：1-16段同段标准差均小于5ms，因此大多数雷管同段误差较小；18段以后尽管标准差较大，但爆破设计的高段位多为周边眼，其单孔药量小、设计同段起爆孔较多以及相邻段最小间隔很大，串段可能性小，因此一定范围内高段延时误差反而有利于爆破降振。所有雷管均无串段，9-10段、13-14段、15-16段的微差时间最小，小于7ms；重新对雷管进行编号。

(3)隧道爆破次数设计与掏槽孔数目、位置设计

①隧道断面爆破次数设计

根据现有雷管段数、每平米炮孔数、以及第二临空面形成前后同段炮孔数共同确定隧道爆破次数。

计算方法：隧道掘进采用上下台阶开挖法，先爆上台阶，隧道上台阶断面如图3所示，上台阶面积为52.1m²。从国内隧道爆破及重庆地区实践看，每平米炮孔数2.5～2.8个/m²，按小值计算上台阶需炮孔130个。计算方法为：分别计算掏槽孔、辅助掏槽孔、扩槽(辅助)孔、周边孔所需段数，得到总共需要段数，再与厂家所能提供的段数25段比较看是否足够。具体地，当已知总炮孔数时，可先确定掏槽、辅助掏槽个数与段数，再按周边眼距得到周边眼个数与段数，即可得辅助眼的个数与余下可用的段数。

Ⅰ.先计算上台阶一次爆破可能性：若按掏槽8孔需6个段、辅助掏槽6孔需3个段，周边孔40cm孔距，共需要44个周边孔，则扩槽孔数为130-8-6-44＝72个，若扩槽孔3孔一段，需要24个段；即使不计周边眼所需段位数，就需要24+6+3＝33个段，已超出了定制雷管的25个段位限制，不可能实现一次爆破。

Ⅱ.若采用上台阶二次爆破，分区如图4所示，其中上台阶(1)区面积为24m²，(2)区面积28.1m²，按炮孔数2.5个/m²计算，(1)区需炮孔60个，(2)区需炮孔70个。先采用斜眼掏槽爆破(1)区，再采用压炮爆破(2)区。(1)区若按掏槽需6个段、辅助掏槽需3个段，周边孔40cm孔距，共需要14个周边孔，则扩槽孔数为60-8-6-14＝32个，若扩槽孔3孔一段，需要11个段，不计周边眼所需段位数，需要11+6+3＝20个段，即仍有25-20＝5个段别可用。周边孔若按4孔一段，需要4个段即可，仍有1个段别剩余，可以满足各炮孔的段数需要；(2)区爆破时以1区创造的临空面进行台阶爆破，周边孔孔距40cm，共需要35个周边孔，则扩槽孔数为70-35＝35个，若扩槽孔3孔一段，需要12个段，仍有25-12＝13个段别可用，周边孔若按4孔一段，需要9个段即可，剩余4个段别，也完全可以满足各炮孔的段数需要。

综上，确定隧道上台阶的爆破次数为2次。

②设计掏槽孔数目：结合步骤(2)测得的各段雷管相邻起爆延时范围特性，8-9段雷管的最小微差时间为6ms，为避开主掏槽起爆应在8段内；同时考虑为了减少爆破所需雷管段别数，确定掏槽孔数目为8个。

③设计掏槽孔位置：

A.在掏槽孔数目确定为8个后，楔形掏槽共有4排，为减少爆破振动将掏槽区尽量设在远离地面的隧道下方，设计最下层掏槽眼相邻的为底眼，间距65cm左右(图5，注意图5的孔口距与图7一致)；

B.首爆段同样设在远离地面的下部，但考虑到首爆掏槽孔设于掏槽区最下部时，降低振动的同时掏槽爆破所受夹制作用也较大，为充分发挥掏槽效率，首爆孔位于倒数第二排掏槽孔；

C.掏槽孔排间距为45-55cm，左右成对两孔孔底距不大于20cm；

掏槽孔数量及掏槽孔位置示意图，如图5所示。

(4)确定隧道爆破最大药量(逐孔掏槽单孔药量)

为适应严控振速要求，掏槽设计为逐孔斜眼掏槽，由于掏槽初期只有单自由面，需要较多药量开创新自由面，因此逐孔掏槽药量即为隧道爆破最大药量，计算最大药量方法已在发明人同时申请的另一专利1中详细阐述，在此仅作简要说明。以2017.12.7在隧道左洞ZK14+164处爆破为例，①在隧道工作面进行单孔、单自由面爆破实验，根据不同药量单孔振动峰值初定药量范围；先取1.2Kg、1.0Kg、0.8Kg药量各进行5次试验并在隧道最危险建筑(正上方)测其振动数据，取最典型的爆破振动曲线作为标准。分析曲线图，0.8Kg药量的单孔爆破峰值振速小于安全振速的一半，药量可行，但未充分利用最大药量；1.0g、1.2Kg药量的单孔爆破峰值振速不超标，其2倍峰值振速大于安全振速，需进行波形叠加计算分析其合成振速是否超标，确定最佳药量。

②截断1.0Kg和1.2Kg的振动波形，采用MATLAB编程进行傅里叶函数分段拟合。③实测样本雷管各段毫秒延时范围；④确定导致振速显著下降的第二临空面形成时间，本处为60ms(见申请发明专利二)，并将其与步骤③测得的雷管各段延时范围比较，确定逐孔掏槽起爆需要的段数N，本例N＝2；⑤在逐孔掏槽段数即2段内，利用MATLAB程序设计算法，以单孔拟合振动曲线为振源、以1ms为微差间隔增量计算1、2段逐孔爆破延时范围内可能合成振动曲线；⑥找出峰值振速不超标的最大单孔药量作为第二临空面形成前的最优掏槽药量为1.0kg。如图6是1、2段内具有最大振动峰值的爆破振动曲线(起爆时差为48毫秒)。这样通过实测振速获得并通过准确叠加分析获得的药量，相比一般经验公式法更为精确地保证爆破振速控制在安全范围内。

(5)炮孔深度和循环进尺及掏槽角确定

依照掏槽孔装药系数结合选定的单孔药量1.0Kg，可进行孔深计算：重庆地区药卷长0.22m，重量0.2kg/卷，则1.0kg药量长度为1.1m，正常情况下掏槽孔装药系数为0.55～0.6，若取0.55，计算可得掏槽孔深可达1.1/0.55＝2m，以上。根据重庆城区地下砂岩的爆破特性，楔形掏槽角度应小于63°才能掏槽成功，按62°设计，掏槽垂深1.8m。故循环进尺可达1.8m以上，如图7所示。

(6)不同炮孔起爆段别设计

掏槽爆破段别设计总体原则是：根据城市隧道低振速控制要求，第二临空面形成前用逐孔起爆、形成后采用两孔或多孔同段起爆；同对槽眼微差时间兼顾爆破协同作用与降振两方面要求；并确定先爆孔对相邻排炮孔正常起爆不被破坏的最大时间。具体如下：

①掏槽孔起爆段别的设计

A.确定掏槽区炮孔爆破协同作用时段及保证相邻排掏槽孔正常起爆的微差时间本发明对斜眼掏槽爆破协同作用的定义为：无论同对槽眼微差爆破时间多少，两孔爆破后每对掏槽斜眼所影响的岩体一旦都产生相向移动，即认为产生爆破协同作用。即每对斜眼掏槽爆破协同作用的关键是岩体相互挤压，爆破协同作用时间的长短对于保证掏槽效果有着关键作用。两孔同时起爆的爆破协同作用最好，而微差间隔时间越长爆破协同作用越差。

I.确定岩石移动时间

2015年10月在渝中连接隧道现场进行隧道爆破高速摄影实验，其中1、2段为同对炮孔，微差间隔39ms，图8是掏槽区部分图片，图中红线为因左边1段孔起爆后岩石移动的外边界线，绿线为右侧2段孔起爆引起的右侧岩石移动边界线。当掏槽孔第1段炮孔(左侧)起爆18ms以前，掏槽区岩体未产生任何移动，起爆18ms时左侧岩体范围开始向右上方移动。即炸药起爆到岩石产生明显移动的最短时间需在起爆后18ms才产生，并且显示为大面积岩体移动；第2段炮孔起爆时间为39ms，右边岩块移动为起爆后54ms，也即2段孔起爆到附近岩石移动时间需要15ms时间，与一段孔起爆到移动时间18ms大体相当，由此可判断岩石移动时间为起爆后15-18ms。

II.确定同对掏槽孔微差爆破的协同作用时段

图9是同对孔微差起爆后起爆时间与左右两侧岩体移动面积、移动岩体占掏槽区面积百分率关系图，由图知起爆18ms前无移动，18ms时岩石移动面积即占整个掏槽区47％。在起爆54ms以前左侧1段孔影响的移动面积不断扩大；54ms-66ms之间随着右侧2段孔爆破影响，左侧移动岩体影响面积相对压缩，右侧移动岩体影响面积突增，二者合计占总面积88％，覆盖了区内主要被爆体；66ms以后两孔各自驱动的岩体移动面积变化很小，二者合计占总面积100％，岩石移动区间已达整个掏槽区。

综上所述，两孔微差间隔39ms条件下，起爆54ms时孔间岩体即产生爆破协同作用。当起爆87ms时左侧1段孔影响面积停止移动，而右侧2段孔影响面积有较缓慢移动，由此可判定两孔微差爆破的协同作用时段在起爆后54ms-87ms之间，时间段共计33ms，如图9所示。

进一步地在渝中隧道进行了同对炮孔1、2段起爆时差60ms、70ms的现场掏槽爆破，当起爆时差为60ms时爆破协同作用时间为12ms，掏槽基本满足要求；而当时差为70ms时基本无协同作用，爆破效果较差。故此确定两孔协同作用的微差间隔临界时间为60ms。

楔形掏槽实际需要爆破协同作用的只有第一对槽眼，第二对炮孔其起爆时间均大于第二临空面形成时间，因此爆破破坏主要是第二临空面影响而非爆破协同作用，故可不考虑第二对起爆炮孔的影响。

III.确定首爆孔上方相邻排掏槽孔的起爆延时

分析高速摄影图片发现3段孔75ms爆破时，1段孔形成的临空面已使3段孔下侧处于悬空状态，炮孔位置已受到一定破坏，如图10所示，但隧道现场爆破效果良好。若增大3段的起爆微差，则很有可能造成3段孔的拒爆。故3段孔起爆延时不宜超过80ms。

根据高速摄影实验分析，得出同对掏槽孔保持爆破协同作用的最大微差时间60ms，影响首爆孔上方相邻排掏槽孔正常爆破的最大微差时间为80ms。前8段雷管相邻微差时间均在60ms以内，3段的起爆延时也在80ms以内，依据同对掏槽眼爆破协同作用时段，掏槽孔雷管段别设计确保了同对掏槽眼的爆破协同作用，同时也保证了3段正常起爆。

因此，掏槽孔起爆段别初步设计如下：为适应严控振速要求，掏槽孔按照最大单孔药量采用八孔楔形掏槽逐孔起爆；1段、2段在掏槽区下半部分，但不宜放在掏槽区最下方，其他段别按照远离上一段别的原则。因此，1、2段放在第三排，3、4段放在第二排，依照远离的原则，依次布置5-8段。辅助掏槽眼设置6个孔，采用2孔同时起爆方案，首爆辅助眼位于首爆掏槽眼附近。掏槽孔段别的初步设计如图11所示。

B.以第二临空面形成时间为依据优化掏槽孔段位设计

第二临空面的形成对降振有关键的作用，当第二临空面形成后，即60ms后，可将同段雷管数增加2倍，即在单孔药量不变条件下单孔单段起爆优化为两孔一段起爆。

第二临空面形成时间为60ms，3段延时范围为61～83ms，若3～4段炮孔变为两个3段起爆，因为3段最小延时在临空面形成时间附近，有可能造成合成振速超标。因此掏槽孔调整为前四孔设计为单孔单段起爆，后四孔设计为两孔一段，即1-4孔设置为1-4段单孔单段起爆，5-6孔设置为5段两孔同时起爆，7-8孔设置为6段两孔同时起爆，如图12所示。

②辅助掏槽眼、扩槽眼、周边眼起爆段别和药量的确定

辅助掏槽眼：为加强掏槽效果，辅助掏槽单孔药量与掏槽孔相同取1.0kg；在掏槽孔已用6段情况下辅助掏槽首爆为7段，根据每批次实测各段雷管延时范围，7段起爆180ms左右，辅助掏槽起爆采用2孔一段，首爆7段孔位置位于掏槽首爆眼1段孔附近。

扩槽眼：扩槽眼装药系数取40％-50％，设计单孔药量0.5kg；首爆孔10段起爆时间250ms左右，此时第二临空面空洞已很大，故采用3孔一段、中线两侧扩槽眼交替起爆、同侧相邻排间隔段起爆，如图12所示，

周边眼：单孔药量0.3kg，设计周边眼总体微差爆破、4孔同段起爆；

(7)爆破参数的现场调整优化

按照设计好的布孔、装药进行爆破，实测爆破振动。对爆破振动数据进行EMD法实际起爆时刻识别，根据识别的周边眼起爆时间与振速，调整周边眼的段别。周边眼最早起爆时间在600ms以上，此时爆破振动已进入衰减阶段。且周边眼雷管微差时间离散较大，18段以上的雷管，其标准差均在10以上，24-28段的雷管标准差在20以上。4孔同段等同为单孔单段，且最大振速不超0.1cm/s，而采用7孔同时起爆的振动峰值也仅为0.175cm/s，如图13所示。因此，周边眼起爆时刻(600ms以上)爆破振动已经衰减，再者周边眼雷管微差时间离散性大，多孔起爆相当于逐孔起爆。结合现场振动数据，周边眼由4孔优化为7孔同时起爆，使得在2s时间内全部爆完。最终确定全断面的炮孔布置图，如图14所示。

(8)现场施工方法

严格按布孔设计、药量、段别设计施工。现场管理时技术人员重点检查单孔药量和雷管分段是否按设计施工。

①钻孔：每次钻孔前由技术人员将设计孔位用油漆在断面上标好，工人严格按孔位钻孔，掏槽眼8孔必须要严格按照设计角度施工，孔底距10～20cm，施工时应及时观察，掏槽眼穿孔可能情较大，在逐孔掏槽时穿孔振动将成倍增加。如有穿孔应一孔先装药后，在另一孔的穿孔点用黄泥堵塞20cm其它炮孔也应注意观察。

②注意分区间炮孔距不小于1m以保护后爆孔。

③装药：严格按设计装药，第1～14号掏槽孔单孔装药1.0kg，除周边眼外其它炮孔装药0.5kg。全部周边眼装药0.3kg。周边眼每卷药从中点处切为两部分，轴向不耦合装药，药卷间隔15cm，采用竹片连接导爆索，孔底起爆，导爆索长度150cm。

④其它：整个爆破网络采用簇联起爆，如果钻孔较设计炮孔增加，由于各区分段雷管有富余，可增加雷管段别起爆，但仍必须保证辅助眼三孔一响、周边眼6孔(或以下)一响、掏槽眼一孔一响或两孔同段。

(9)本发明在渝中连接隧道爆破工程的应用情况

本发明在城市密集建筑群下的渝中隧道爆破开挖中已经成功应用，在施工现场的100多次爆破中，下台阶最大振速均能够满足最低安全振速1.0cm/s以下的要求，上台阶在振动监测中基本保持在0.5cm/s以下。通过采用多段位非电雷管进行爆破设计，在保证较大进尺的情况下隧道开挖工作面仅需分两次爆破，大大缩短了工期，提高了隧道掘进效率，为密集建筑群高安全指标下的隧道爆破开辟了新的途径。

本发明涉及到城市密集建筑群下隧道爆破低振速精确控制施工方法的主要特征是：采用多段别雷管，且保证采用雷管不串段，精确计算最大单孔药量；隧道分上下台阶开挖，重点控制下台阶爆破；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，其他孔在形成自由面后，同段多孔总药量可以大于掏槽孔药量，同段孔数可根据实测振动波形图调整；通过采用多达25段别雷管，严格分段，将全开挖工作面仅分两次爆破。

以上是本发明的一种实施案例，根据以上列出的几个主要特征，满足这些特征的，均应视为本发明的同一类型。

以上所述仅是本发明优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应该视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种以普通非电雷管实现隧道爆破低振速精确要求的施工方法，其特征在于，该方法包括：

（1）定制开发高段数雷管

针对普通雷管段别不够和易在低段串段的特点，采用定制2s内25段保证精度的普通非电雷管的方法增加起爆段别，定制确定如下要求：最大毫秒微差时间不超2000ms；17段以前按25ms等间隔、17-20段按50ms等间隔、20-25段为200ms微差间隔设计延期时间，

为实现上述延期时间，相应的延期药配方为：1-8段采用铅-硅系列药；9-20段为硼系药； 21段以后用钨系延期药，经样本测试个别不满足要求的再用切药长度进行调整，

（2）测定各段雷管起爆延时时间

每批次雷管出厂前均进行各段雷管样本的延期范围测试，如发现串段即微调延期和切药长度重新生产，以保证相邻段起爆时间不发生重叠，并将其数据提供给施工单位，参数设计与爆破施工时将根据每段精确的起爆范围而不是名义段号进行；

（3）断面爆破次数与掏槽孔数目、位置设计

①爆破次数确定：根据现有雷管段数、正常爆破条件的每平米炮孔数、以及同段炮孔数共同确定隧道爆破次数，

②设计掏槽孔数目：结合步骤（2）测得的各段雷管相邻起爆延时范围特性，去掉相邻段差过小，即相邻段微差时间小于10ms的雷管段别，以相邻段延时范围特点确定掏槽孔数目；

设计掏槽孔位置：

A.在掏槽孔数目确定为N后，楔形掏槽共有N/2排，为减少爆破振动，将掏槽区尽量设在远离地面的隧道下部，设计最下层掏槽眼相邻的为底眼，确定间距；

B.首爆段同样设在远离地面的下部，为充分发挥掏槽效果，首爆孔位于倒数第二排掏槽孔；

C.掏槽孔排间距为45-55cm，左右成对两孔孔底距不大于20cm；

（4）掏槽单孔最大药量的选择

为适应城市隧道爆破严控振速要求，掏槽孔初步设计为以最大单孔药量斜眼掏槽、逐孔起爆，

即在隧道现场对不同装药量进行单孔、单自由面爆破实验，实测振动曲线；以此作为爆破计算振源，以N孔毫秒爆破为例计算各段延时范围内所有可能的毫秒延时合成振动曲线,确定安全振速下的最大单孔药量；

（5）孔深与循环进尺、掏槽角度的设计

根据（4）所确定的掏槽孔最大药量，按照掏槽为55～60%装药系数及单药卷长度计算掏槽孔深；根据所在地区的隧道现场爆破掏槽角经验范围确定掏槽角、炮孔垂深和循环进尺；根据每对掏槽孔深和孔底距，即一般不大于20cm确定孔口距；

（6）不同炮孔起爆段位设计

①掏槽起爆段别的设计

掏槽最先起爆数个孔采用逐孔逐段起爆，当第二临空面形成后采用两孔或多孔同段起爆；同对槽眼微差间隔要兼顾考虑爆破协同作用与降振要求；并确定先爆孔对相邻排炮孔正常起爆不被破坏的最大时间，具体步骤如下：

A.基于第二临空面形成时间的掏槽段位设计方法：

确定第二临空面形成时间，第二临空面形成时间前采取逐孔逐段掏槽，第二临空面形成时间后两孔同段掏槽；

B.确定楔形掏槽相邻排炮孔爆破不受影响的最大微差时间

根据隧道现场掏槽高速摄影图像分析相邻排的炮孔位置破坏情况，以及现场爆破相邻排炮孔是否拒爆与爆破效果，确定保证相邻排后爆孔正常起爆的微差时间，在爆破设计时，以此为依据设计相邻排间掏槽孔的雷管段别以保证掏槽效果；

②辅助掏槽眼、扩槽眼、周边眼起爆段别的确定：

根据每批次实测各段雷管延时特性，辅助掏槽起爆采用两孔一段，辅助掏槽首爆孔位于掏槽首爆眼附近，

扩槽眼爆破采用三孔一段，采用中线两侧扩槽眼交替起爆，装药系数取40%-50%；周边眼设计微差起爆，四孔一段能满足安全振速要求。

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，现场调整优化爆破参数，具体步骤如下：

除以爆前实测样本雷管起爆延期范围进行设计外，再对爆破振动数据进行EMD法实际起爆时刻识别，根据识别的周边眼起爆时间与振速，调整周边眼同段炮孔数，若段位调整后的爆破振动峰值未超标，增加周边眼同段炮孔数，优化周边眼段位设计。

3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，需要同时确定楔形掏槽同对槽眼爆破协同作用临界微差时间，作为掏槽段别设计参数之一，其方法如下：

分析现场高速摄影实验数据得到临界微差时间：通过对多次高速摄影实验，确定岩石移动时间，得到同对炮孔爆破导致两边岩石均相向移动起始时间、终了时间的辨识；分析同对孔微差起爆后起爆时间与左右两侧岩体移动面积的关系，得到保持双孔协同作用的最大微差时间，也即逐孔起爆同对炮孔微差时间。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定第二临空面形成时间方法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，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。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定第二临空面形成时间方法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，得到上述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、爆破振动三者之间变化关系， 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参数，所述爆破参数是爆破振速及爆破空洞长度大小。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定最大掏槽药量采用以下方法，具体为：

A.在隧道现场采用不同的药量进行单孔、单自由面爆破实验，记录实测振动数据及其最大质点峰值振速PPV，根据安全控制振速v _c ，对各药量进行取舍，

对于各药量对应振动曲线的峰值振速PPV，当：

PPV≥v _c ，其对应药量排除，不能作为设计药量；

PPV<0.5v _c ，药量可行，但不是最佳药量，没有充分利用最大药量；

0.5v _c <PPV<v _c ，需要对药量进一步计算分析，取其最合理药量，

B.将振速满足0.5v_c<PPV<v_c药量的实测时间-振速曲线离散化，进行合理时长截取；对截断波形用连续函数和按照傅里叶级数形式进行拟合，得到单孔波形的函数形式；

C.根据第二临空面形成时间t _s ；将其与雷管各段延时范围比较，取小于t _s 内雷管延时时间最大值所在段数作为逐孔起爆的最大段数，也即逐孔掏槽的炮孔数；

D.在逐孔掏槽段数内，以单孔拟合振动曲线为振源、以1ms为微差间隔增量计算N段逐孔爆破延时范围内可能合成振速，计算方法如下：

将单孔振动波形，按照各起爆时间范围内的、……循环嵌套叠加，计算相邻段所有延时范围内的起爆时刻；

N孔微差爆破合成波的函数形式为：

，

式中：为按延期时间组叠加得到的波形函数；为参与叠加的雷管总段数；为第段雷管的起爆时间；t为全程时间，为单孔波形的拟合函数；

按照式上式循环嵌套，各段雷管起爆时间取不同值，获取波形叠加后所有可能得到的时间-振速曲线，

即可计算得到2~N多孔毫秒延时爆破合成振动曲线；

E.在计算获得逐孔起爆各段延时范围内所有可能合成振动曲线基础上，找出全部曲线峰值振速不超安全振速的最大单孔药量作为逐孔掏槽爆破的设计安全药量，即最大单的最优掏槽药量。

7.根据权利要求1所述的一种以普通非电雷管实现隧道爆破低振速精确要求的施工方法，该方法适用于城市密集建筑群埋深20m以下浅埋隧道、全程振速控制1.0cm/s以下的精确控制爆破。