CN208313147U - 综合运用雷管短时差和空孔减振技术的隧道掘进爆破系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种综合运用雷管短时差和空孔减振技术的隧道掘进爆破系统，包括布置在爆破隧道掌子面上的炮孔单元、减振孔线阵和数码雷管起爆单元；爆破隧道以掌子面的中心线为界，将爆破区域分成左右两个对称区域，数码雷管起爆单元包括若干只数码雷管、与数码雷管相对应的编程器和起爆器，所述的起爆器控制编程器使得数码雷管按照逐孔对称延迟的起爆方式起爆；本实用新型采用电子雷管逐孔顺序起爆，同时在地面上设置了优化设计的减振孔，根据验证试验的结果，该减振孔的布设可有效降低50％的爆破振动，上述组合措施既能保证施工光面的爆破效果，又能避免传统光面爆破振动大的缺点，最终减小了对地面建筑物的影响。

Description

综合运用雷管短时差和空孔减振技术的隧道掘进爆破系统

技术领域

本实用新型属于爆破技术领域，具体涉及一种可减小地面爆破振动的隧道爆破系统，尤其是一种基于数码电子雷管短间隔对称起爆的爆破系统。

背景技术

在城市在隧道等地下作业施工中，由于地质状况的复杂多变，不可避免的将遇到各式各样的岩石状况。如果在隧道开挖中遇到完整坚硬的岩石状况时，由于机械开挖效率低、成本高，常常采用施工效率高、施工进度快等优点突出的钻爆法施工。然而，在隧道内爆破施工的过程中，会随之伴生有噪声、飞石、毒气、灰尘和地震波等危害，其中地震波将以球体型的波震面快速向各方向扩散，爆炸从初始的冲击波演变成压应力波沿着岩土介质传播到附近建筑物的衬砌处，压应力波在建筑物的衬砌处会发生复杂的衍射、透射和反射的现象，此时如果是对震动敏感的建筑物会因受到压应力、剪应力和拉应力的作用而遭受破坏的可能，所以因爆破震动产生的地震波必然会对周边建筑物或设施造成不利影响，如何尽可能的克服地下爆破对地面建筑物的影响成为技术难题。

申请号为201410710171.3中国专利“隧道光面爆破方法”公开了一种隧道光面爆破方法，包括掏槽、爆破等，在满足半眼率和进尺的情况下，减少底板孔，减少了成本，提高效率，但是该爆破方法未涉及对外界振动的减小措施，难以应用至地面设有固定建筑物的地下爆破施工中。

申请号为201220490858.7的中国专利“深孔微差控制爆破系统”公开了一种微差爆破技术，能够有效减弱爆破飞石、震动、噪声和冲击波，从而降低了对周边环境的不利影响，节约了工程造价，减小了工期成本，但是并没有给出最优化的炮孔排布方式、炮孔深度、孔距、起爆时序等参数，难以在实际应用中发挥重要作用。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供基于雷管短间隔起爆和减振孔布设的地下隧道爆破系统，尽可能减小地面爆破振动的幅度，同时可对爆破后的碎石块度进行控制，减小挖掘作业施工量。

本实用新型的技术方案如下：

综合运用雷管短时差和空孔减振技术的隧道掘进爆破系统，包括布置在爆破隧道掌子面上的炮孔单元、减振孔线阵和数码雷管起爆单元；爆破隧道以掌子面的中心线为界，将爆破区域分成左右两个对称区域，炮孔单元包括若干只以中心线为对称的掏槽孔、辅助孔和周边孔，掏槽孔设置在掌子面中心区域，周边孔设置在掌子面的外周，辅助孔设置在掏槽孔和周边孔之间，掏槽孔、辅助孔和周边孔内的炸药量比为3:2:1；

减振孔线阵垂直设置在在爆破区域和建筑物之间的地面上，所述的减振孔线阵为3排，孔距为20cm，排距为15cm，孔径为90mm，孔深为4m，每排减振孔为20-30只，减振孔线阵中心距离隧道横截面的中心为5m；

数码雷管起爆单元包括若干只数码雷管、与数码雷管相对应的编程器和起爆器，所述的起爆器控制编程器使得数码雷管按照逐孔对称延迟的起爆方式起爆；每只数码雷管布设在对应的炮孔中，处于对称位置炮孔中的数码雷管并联设置在同一只编程器上，并采用特定色标且长度相同的线缆联接。

进一步的，掏槽孔为若干排，孔深2.0m、孔间距0.25m、排距0.3m。

进一步的，辅助孔为若干排，孔深1.8m、孔距0.8m、排距0.8m。

进一步的，周边孔为一排，孔深1.8m、孔距0.45m。

进一步的，所述隧道的洞身为微风化花岗岩、中风化花岗岩或强风化花岗岩。

本实用新型具有的有益技术效果如下：

1、本实用新型根据爆破区域在隧道的掌子面设置了掏槽孔、辅助孔和周边孔，不同类型的孔采用不同的深度及装药量，并采用电子雷管逐孔顺序起爆，针对不同类型的炮孔通过设置电子雷管的最佳延迟时间，使得传递到地面的振动波相互干扰并部分抵消；同时在地面上设置了优化设计的减振孔，根据验证试验的结果，该减振孔的布设可有效降低50％的爆破振动，上述组合措施既能保证施工光面的爆破效果，又能避免传统光面爆破振动大的缺点，最终减小了对地面建筑物的影响。

2、本实用新型根据掌子面的形状，以掌子面的中心线为对称布置炮孔，且在同类型相同的每排炮孔中采用逐孔延迟对称起爆的方式，在总体上起爆间隔时间仍在最优化的参数范围内，对外部远端的建筑物可起到振动波相互干扰抵消作用；而对于内部的起爆方式采用对称延迟爆破时，使得相邻炮孔的间隔时间相应适当延长，爆破效果更佳，加上对称爆炸过程中受到对称挤压力的作用，破碎效果更好，碎石的块度大幅减小且爆堆集中，提高了后续铲装效率。

3、传统导爆管雷管最小延迟时间为25ms，而本实用新型采用单孔单响的数码电子雷管延期起爆方案，由于数码电子雷管具有最小等于1ms的延迟时间，且可根据理论模拟的结果设置最佳的延迟时间，从而确保了延时爆破的效果。

附图说明

图1为本实用新型延期爆炸降低振幅的原理示意图；

图2为本实用新型某特定情况下的地下爆破对地面振动影响的模拟结果；

图3为本实用新型采用雷管及减振孔技术的掘进爆破原理示意图；

图4为本实用新型爆炸装置组成示意图；

图5为本实用新型减振孔阵列布局示意图；

图6为本实用新型炮孔分布及逐孔顺序延时起爆的原理示意图；

图7为本实用新型地面振动测量系统组成原理图

图8为本实用新型优化设计的炮孔分布及逐孔对称延时起爆的原理示意图；

图9为本实用新型逐孔顺序延时爆破的效果照片；

图10为本实用新型逐孔对称延时爆破的效果照片。

附图标记为：101—掏槽孔；102—辅助孔；103—周边孔；104—中心线；105—掌子面；106—建筑物；107—地面；108—隧道；109—雷管；110—减振孔；111—减振孔线阵；201—爆心；202—三矢量传感器；203—爆破测振仪；204—采集处理终端；301—起爆器；302—编程器；304—炮孔；305—线缆。

具体实施方式

利用延期爆破技术进行减振在地下工程中被广泛应用，采用延期起爆方式，可以大大减少单次起爆总药量，从而减少爆破振动。同时，由于时间的间隔作用，使岩土中的地震波形成相位差，避免了地震波峰值叠加，当控制得当在相位相反时，地震波波峰与波谷叠加，质点振动速度会大大降低。

如图1所示，在地震波简化示意图中，图中虚线是单个爆源爆炸时所产生的作用时间过程，实线是两个爆源叠加后产生的作用时间过程。如(a)所示：当同时起爆时，峰值等于单个爆源振动峰值的两倍，总作用时间即等于单个爆源产生振动的时间。如果两爆源以一定的时间差顺序起爆，如(b)所示：叠加只发生在局部时段范围内，但峰值荷载小于单个爆源振动峰值的两倍值，振动强度降低，而外力总作用时间增长一个微差间隔△t。这充分说明，微差爆破可以有效地控制地面的振动强度。

现有施工中采用化学延期的毫秒延期电雷管，由于化学延期药延期时间随机性大、受环境影响大，而且雷管随段位越高延期误差越大，因而存在误差大，精度低，不容易控制且易发生早爆或拒爆现象等缺点，无法实现小范围延期间隔，无法确定其振动波形规律，要实现真正意义上的振动波峰与波谷叠加难以操作。近年来，数码电子雷管发展迅速，电子雷管使用电子芯片进行延期实现分段起爆，延期时间精度可以达到1ms左右，使用电子雷管起爆装药可以对其振动波形进行预测，即使前一炮源的波峰或波谷与后一炮源的波谷或波峰相叠加，从而达到干扰错峰减振。同时根据其所产生的振动波形进行延期间隔时间的调整与优化，使爆破时孔间及排间延期达到最佳，产生的振动最小。

为了获得最佳的延期时间及炮孔的布设方式，本实用新型按照施工现场岩石结构、隧道参数和爆炸物特性，进行了理论模拟。分别计算了掏槽孔、辅助孔和周边孔在不同孔深、孔间距、排距和装药量的情况下进行延时爆破时对外界远端测点的振动影响。

采用ANSYS/LS-DYNA软件，建立合适的有限元模型，进行数值模拟，设置炮孔参数及爆源间合理的延期间隔时间，利用电子雷管爆破时产生的高频特性，使爆破产生均匀分布的高频低峰值波形，计算得到数码雷管不同的延期时间对爆破质点振动速度、干扰降频、振动频率的影响，最终获得了数码电子雷管在降低爆破振动速度中的最佳延期时间及最佳的炮孔参数及排布方式。其中有限元模拟采用流-固耦合算法进行计算，其中炸药、空气均采用Euler网格与ALE算法；岩石采用Lagrange算法，所有计算网格均采用六面实体单元。整个建模过程采用cm-g-us单位制，单元类型选择3D-SOLID164。

图2为某次设定爆炸条件下的电子数码雷管延期时间间隔对测点振幅的影响模拟结果。其中电子雷管段间隔延期时间间隔分为1ms、3ms、5ms、7ms、10ms、15ms和30ms共7种工况。图2中横坐标表示测点到装药距离，纵坐标为质点振动的峰值速度。模拟结果表明，不同延时情况下质点振动速度差距很大，根据模拟结果及地面建筑物与掌子面的距离，最终获得了如下的最佳参数。

图3中，隧道108的掌子面上布设有炮孔，炮孔内部安装有雷管109，采用炮孔单孔单响，通过电子雷管进行延期逐孔起爆。在爆破区域和建筑物之间的地面上设置有若干只排布成线阵的减振孔110，减振孔110垂直与地面。图4中，隧道爆破系统包括布置在爆破隧道掌子面上的若干只炮孔304、减振孔线阵111和数码雷管起爆单元；爆破隧道以掌子面105的中心线104为界，将爆破区域分成左右两个对称区域，炮孔304以中心线104为中心左右对称布置在掌子面105上。数码雷管起爆单元包括若干只数码雷管303、与数码雷管303相对应的编程器302和一只起爆器301，每只数码雷管303独立布设在对应的炮孔304中，起爆器301控制编程器302使得数码雷管303按照设定的方式起爆。编程器301主要是对数码雷管303进行充电、测试、编程操作，数码雷管303是爆破系统的爆破单元，执行起爆器301、编程器302的指令，并对起爆口令进行验证，在起爆器301与编程器302的控制下实现爆破；其中起爆器301、编程器302和数码雷管303之间采用线缆305连接，通常起爆器301可驱动十多只编程器302工作，而每只编程器302则可以完成数十只数码雷管303的参数设置、充放电及起爆指令的下达。

图5为减振孔排布示意图，图中包含若干排减振孔线阵111。根据减振孔110测试试验结果：当设置一排减振孔时，减振率在8.78％～30.08％，其平均值为19.92％；两排减振孔的减振率为16.71％～51.97％,平均减振率为38.28％；而三排减振孔的减振效果最好，减振率可以达到41.32％～69.23％,平均减振率为56.83％，即三排减振孔可以减振一半以上，即大孔径减振孔随着排数增加，减振效果更明显，一般设置三排以上能减少50％以上，另外，随着减振孔距爆源距离靠近，减振效果会得到一定提升。因此，在设计减振孔时位置与被保护目标相比设置于靠近爆源侧。根据验证试验结果，结合地下爆炸施工的实际情况，在地下爆破隧道与地面之间的掌子面上按照如下参数布置减振孔：减振孔线阵为3排，孔距为20cm，排距为15cm，孔径为90mm，孔深为4m，每排包含的减振孔为20-30只，其中中间一排的减振孔线阵距离隧道横截面的中心为5m。

图6给出了一种电子雷管逐孔顺序延时起爆的原理示意图；图中掌子面105以中心线104为界分为左右对称区域，中心为两排掏槽孔101，外周为一排周边孔103，掏槽孔101和周边孔103之间的区域根据空间密度设置若干排辅助孔102，图3中为两排辅助孔，其中a为掏槽孔101的排距，b为掏槽孔101的孔距，c为辅助孔102的排距，d为辅助孔102的孔距。根据理论模拟的结果，最佳的炮孔的排布及孔深参数为：掏槽孔为若干排，孔深2.0m、孔间距0.25m、排距0.3m；辅助孔为若干排(圈)，孔深1.8m，孔距0.8m，排(圈)距0.8m；周边孔为外围一圈，孔深1.8m，孔距0.45m，其中相邻掏槽孔的最佳起爆时间间隔为3ms-10ms，相邻辅助孔的最佳起爆时间间隔为3ms-10ms，相邻周边孔的最佳起爆时间间隔为1-2ms，在此炮孔即雷管延时条件下，可最大限度的降低对地面107上方建筑物106的振动影响。

图6中炮孔的爆破时序采用常规的逐孔顺序延迟爆破顺序，按照图中炮孔下方的数字顺序依次进行，首先是掏槽孔101的内排孔1#、2#和掏槽孔101外排孔3#-6#，接着是辅助孔102的内排孔7#-16#和辅助孔102的外排孔17#-32#，最后是周边孔103的一周炮孔33#-49#。其中每种类型的每排炮孔按照中心线104为起点逆时针方向顺序进行。

对模拟得到的最佳起爆间隔进行了现场爆炸试验，试验中炮孔参数采用模拟如前所述的结果，采用电子雷管设置每只炮孔的间隔时长，其中相邻掏槽孔的起爆时间间隔为5s，相邻辅助孔的最佳起爆时间间隔为5ms，相邻周边孔的最佳起爆时间间隔为1ms。并采用图7所示的装置进行了振动测量，其中在远离爆心201处的地面建筑物附近设置了多只三矢量传感器202，并联接至同一台爆破测振仪203上，最后由采集处理终端204进行振动参数采集和处理，实施中根据国家标准《爆破安全规程》(GB6722—2014)规定的各类建筑物爆破振动安全允许标准进行了监测。

首先将传感器固定在待监测位置，具体固定方式为：用生石膏将传感器稳固于测点的地表上(必要时也考虑在传感器上用沙袋压住，以减小石膏未凝结或粘结不牢而造成的误差)；然后把将传感器与记录仪连接；在爆破开始前将仪器电源打开、设置采集参数，做好开始采集数据准备。在监测现场布置多个测点，每个测点上布置三矢量传感器，监测质点振动速度的三个方向分量。监测结果表明，测点测得的振幅如下表所示，表明最大的瞬时振速为1.436cm/s，此外通过减振孔的布设，又减小了50％的振速，完全符合建筑物爆破振动安全允许标准。

图8给出了本实用新型的另一种特殊实施方式，该方式与图6相比，在每排炮孔的延迟顺序中采用了逐孔对称延迟爆破的方式代替图6的逆时针顺序爆破。逐孔对称起爆时，对于属于相同一排的炮孔，从掌子面的最上端的炮孔开始起爆至最下端炮孔结束，并按照先左后右，即中心线左右处于对称位置的炮孔延迟最小的设定时间间隔后进行起爆。图8中可看出，只要属于相同一排，无论是掏槽孔101、周边孔103还是辅助孔103，均采用对称延迟爆破的方式，如8#和9#炮孔以中心线为左右对称，则9#紧邻8#爆破；同样25#和26#、38#和39#也均以中心线为左右对称，实施中也是26#紧邻25#，39#紧邻38#。在具体工程实施中，处于对称位置炮孔304中的数码雷管303采用同一只编程器302驱动，并采用特定色标的线缆305联接，其最大的优点是现场便于对联接线缆305进行检查核对，尽可能减小人工布设错误；同时由同一只编程器302输出的联接线缆305长度基本相同，也确保了起爆信号在线缆305传输时不会对延时设置的精确性带来影响。

这种逐孔对称延迟爆破的方式在爆破实施中，主要有以下作用：电子雷管间隔时间采用短间隔，根据实验结果掏槽孔、辅助孔间隔时间以3ms-10ms、周边孔以1-2ms，在总体上起爆间隔时间仍在最优化的参数范围内，对外部远端的建筑物可起到振动波相互干扰抵消作用；而对于内部的起爆方式采用对称延迟爆破时，使得相邻炮孔的间隔时间相应适当延长，爆破效果更佳，加上对称爆炸过程中受到对称挤压力的作用，破碎效果更好，碎石的块度大幅减小且爆堆集中，提高了后续铲装效率。

图9和图10分别给出了采用图6的逐孔顺序延迟爆破和图8的逐孔对称延迟爆破后的现场照片，图中可以看出，在其他爆破参数条件下不变的情况下，采用逐孔对称延迟爆破后的碎石块度较小，且爆堆集中，便于后期的装载运输。后期采用图像处理技术对岩石破碎的块度分布进行了测量，测量结果也证明了逐孔对称延迟爆破后块度分布和集中度更利于铲装效率的提高。更多的试验表明，采用这种方式既可以保证光面爆破效果，又能在兼顾振动波相互干扰抵消的前提下，确保后期的碎石块度和爆堆集中度，值得大范围推广，特别在城区隧道施工过程中，当距离周边建筑物较近，对振动要求高时，采用该方法可以有效降低爆破振动的危害，并可以提高爆破效果，提高了后续铲装效率。

Claims (5)

1.一种综合运用雷管短时差和空孔减振技术的隧道掘进爆破系统，其特征在于：包括布置在爆破隧道掌子面上的炮孔单元、减振孔线阵和数码雷管起爆单元；爆破隧道以掌子面的中心线为界，将爆破区域分成左右两个对称区域，炮孔单元包括若干只以中心线为对称的掏槽孔、辅助孔和周边孔，掏槽孔设置在掌子面中心区域，周边孔设置在掌子面的外周，辅助孔设置在掏槽孔和周边孔之间，掏槽孔、辅助孔和周边孔内的炸药量比为3:2:1；

减振孔线阵垂直设置在爆破区域和建筑物之间的地面上，所述的减振孔线阵为3排，孔距为20cm，排距为15cm，孔径为90mm，孔深为4m，每排减振孔为20-30只，减振孔线阵中心距离隧道横截面的中心为5m；

数码雷管起爆单元包括若干只数码雷管、与数码雷管相对应的编程器和起爆器，所述的起爆器控制编程器使得数码雷管按照逐孔对称延迟的起爆方式起爆；每只数码雷管布设在对应的炮孔中，处于对称位置炮孔中的数码雷管并联设置在同一只编程器上，并采用特定色标且长度相同的线缆联接。

2.根据权利要求1所述的综合运用雷管短时差和空孔减振技术的隧道掘进爆破系统，其特征在于：掏槽孔为若干排，孔深2.0m、孔间距0.25m、排距0.3m。

3.根据权利要求1所述的综合运用雷管短时差和空孔减振技术的隧道掘进爆破系统，其特征在于：辅助孔为若干排，孔深1.8m、孔距0.8m、排距0.8m。

4.根据权利要求1所述的综合运用雷管短时差和空孔减振技术的隧道掘进爆破系统，其特征在于：周边孔为一排，孔深1.8m、孔距0.45m。

5.根据权利要求1所述的综合运用雷管短时差和空孔减振技术的隧道掘进爆破系统，其特征在于：所述隧道的洞身为微风化花岗岩、中风化花岗岩或强风化花岗岩。