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数码电子雷管在城市控制爆破中的应用

2019-07-19 09:29:23 责任编辑:崔玮娜

邓志勇  刘世波

(深圳市和利爆破技术工程有限公司,深圳,518000)

摘  要  本文根据数码电子雷管在城市控制爆破中的应用的应用经验,经过大量测试,提出数码电子雷管起爆系统的爆破减振作用。

关键词   数码电子雷管 微差爆破 爆破振动

引言

随着城市的快速发展,城市人口数量和城市规模也随之快速扩张,城市建筑密集、地下管网复杂,因此在城市控制爆破中,施工环境条件越来越复杂,对爆破产生的有害效应控制要求不断提高。爆破振动是爆破产生的主要有害效应之一,容易对周边保护物的安全造成一定影响,施工中必须得以严格控制,特别是邻近既有地铁隧道、既有管线、建筑物、居民楼等爆破开挖项目中爆破振动控制标准尤为严格。

有效降低爆破振动途径:一是提高施工技术,采用新技术、新工艺、新材料,二是采取可靠有效的减振措施。近年来随着数码电子雷管的开发应用,为爆破起爆技术提供了新材料,也为探索新的减振爆破技术研究创造了条件。数码电子雷管延时精度可达到1ms,并且可以毫秒为单位任意分段,将群药包分成单药包任意时间起爆,设置合理起爆时差实现前一药包爆破振动波峰和后一药包爆破振动波谷叠加,从而产生干扰叠加达到降低爆破振动效果。数码电子雷管有效降低爆破振动的特性已得到广泛的认可,国内外众多应用实践表明,使用电子雷管可以降低振动30%~60%,但其减振的机理还处于探讨阶段。

2 数码电子雷管及起爆系统

目前国内数码电子雷管主要选用隆芯1号数码电子雷管,具有高安全﹑高精度﹑宽延期范围﹑在线可编程的特点。铱钵起爆系统是隆芯1号数码电子雷管的专用起爆系统,主要由隆芯1 号数码电子雷管﹑铱钵表和铱钵起爆器三部分组成,可实现隆芯1 号数码电子雷管上线注册﹑在线检测﹑延期编辑以及组网通信等功能。

数码电子雷管安全性高,抗交直流、抗射频、抗静电、抗杂散电流性能,不存在早爆、误爆的危险;其次精度高0~100 ms,偏差小于1 ms;101~16000 ms,偏差小于1%,在大规模爆破工程中,不存在重段现象,能实现微差逐孔起爆从而有效降低单响起爆药量,有效降低爆破振动;三网路设计简单易行,雷管以并联方式连接,不存在支路电阻不匹配问题;四是起爆网路及雷管的可检查性,通过专用设备可对爆破网路连接的可靠性进行“一键检测”,对连接不可靠的雷管进行准确定位。

3 露天爆破数码电子雷管爆破技术

由于数码电子雷管价格较高,目前往往都用于爆破环境特殊敏感的区域。深圳地铁某标段基坑爆破开挖项目,基坑两侧建筑物主要为厂房、办公楼、居民楼、市政管线(参见图1),其中有距离12m、埋深1.2m 的 DN500 次高压燃气管道,为宝安大道附近片区主要输气管道,施工期间必须保证其安全运营,其爆破振动控制值不能超过2cm/s。基坑开挖深度17m、工程量约80000m2,工程开挖方量大,工期紧,在施工中采用了数码电子雷管爆破技术,施工前期进行一些小规模的爆破试验,掌握相关的设计参数,优化爆破施工方案。

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分析图2 中波形,采用数码电子雷管起爆,爆破振动能量均匀分散在整个时间段,没有突起的波峰,达到了平峰降振的效果。

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文献资料认为中深孔爆破,孔间延时10~20ms,排间延时100~150ms 时,可以达到最佳的爆破效果和减振效果。首先进行单孔试验来确定试验秒量区间,然后再在此延时区间内做同药量情况下,不同延时的群孔爆破试验。图3 为典型的单孔爆破波形图。图中可以看到,单孔的主振波持续时间约50ms,最大波峰的持续时间为19ms,之后是最大的波谷,因此,理想后续炮孔延时19ms 起爆时,会出现波峰波谷叠加的现象。

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试验分别以15ms、l6ms、17ms、l8ms、19ms、20ms为延时间隔的几种群孔爆破试验,以寻求最佳的起爆模式和装药参数。试验时每次爆10个孔,钻孔直径76mm,孔间距2.5m,每孔药量为10kg,在距爆区30m、50m、80m的距离处布设了爆破振动监测点,试验以3个振动方向的矢量合速度为参考标准测,测试结果见表1。

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从表1可以看出:在距离爆区30m时,延时间隔在15~l6ms时,矢量合速度在1.24cm/s~2.12cms延时间隔在18~20ms时,矢量合速度振速在1.15cm/s~2.27cms,超出了1.5cms,而当间隔时差在17ms时,矢量合速度在1.07cms~1.48cms,小于1.5cm/s:在距爆区50m时,延时间隔在15~16ms时,矢量合速度在0.60cm/s~1.25cm/s,延时间隔在18~20ms时,矢量合速度振速在0.65cm/s~0.94cm/s,都在0.8cm/s以上,而当间隔时差在17ms时,矢量合速度在0.63cm/s~0.79cms,小于0.8cm/s;在距爆区80m时,同样有上述现象,除17ms外,矢量合速度都在0.5cm/s以上。因此间隔时差在17ms时,减振效果最好。

排间延时主要考虑破碎效果,要保证前排炮孔响后,为后排炮孔提供自由面,文献资料给出对于深孔台阶爆破,在药包起爆到岩石运动,脱离主岩体,需要100~130ms,因此做了孔间延时17ms,排间延时分别为100ms、110ms、120m和130ms的4组群孔多排试验,每组试验3排孔,每排5个孔,每孔10kg炸药,在距爆区50m处布设了爆破振动监测点。振动监测结果见表2。

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从测试结果看出,当排间延时为110~120ms时,最大振速值小于单孔爆破50m处的最小振速值0.80cm/s,而排间间隔时间为100和130ms时,振速值大于了0.80cm/s,因此选择排间延时100~120ms可以达到较好的振动控制要求。

因此,通过对比试验分析,本项目深孔控制爆破孔间延时17ms,排间延时100~120ms可以达到干扰降振的效果,满足微振控制爆破的要求。

图4为数码电子雷管起爆网路示意图。

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施工过程中,以试验段坑槽为自由面由东向西逐层进行爆破开挖,参照试验结果,对基坑进行分区,参见图1。其中,区域1采用深孔台阶控制爆破方案,孔深5m,堵塞长度不小于2.5m,孔间延时17ms;区域2采用深孔间隔装药台阶控制爆破方案,孔深5m,总堵塞长度不小于2.7m,孔内层间延时4ms,孔间延时17ms;区域3采用浅孔台阶控制爆破方案,孔深3m,堵塞长度不小于1.4m,孔间延时7ms。

在实施过程中对爆破振动进行实时监测,实现信息化爆破施工管理,并根据振动监测结果及时优化爆破参数,安全高效完成全部石方爆破任务。

4地铁隧道数码电子雷管爆破技术

深圳地铁某标段暗挖隧道位于微风化岩层,埋深10.133~6.895m,最小线间距为12.78~15.05m,隧道断面约36m2。隧道上方为市政主干道,道路两侧厂房住宅密集,距隧道27m为中压燃气管线、28m为次高压燃气管线。爆破振动控制指标居民楼为lcm/s、次高压燃气管线为2.0cm/s(见图5)。次高压管线保护是本项目的控制重点。

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为确保燃气管线及周边建构筑物的安全,施工前期进行了对比性爆破试验。图6为隧道典型非典导爆管雷管起爆振动波形,最大振速发生在掏槽孔爆破过程,因此施工中应重点降低掏槽孔爆破振动,考虑到单孔装药量的限制以及爆破过程中避免重段,进行了数码电子雷管起爆掏槽孔的爆破试验,精确延时单孔单响。在隧道进口端进行爆破试验,孔径为40mm,先进行3组单孔试验,然后做5组全断面群孔试验。单孔试验,药量为1kg,群孔试验采取进尺1m~1.5m全断面开挖,孔间延时分别为3ms、4ms、5ms、6ms、7ms,根据试验效果分析减振效果,选取合理延时时间。

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从监测结果来看,不论采用何种延时时差,燃气管线上方的振动值均未超出设计值,因此延时间隔在3~7ms,爆破均不会对燃气管线产生影响。以拱顶正上方测点测试结果来分析干扰减振效果,图7为该测点单孔振动波形图,单孔爆破往往只有一对主波峰波谷,其余为小幅的余震,振动最大值一般都出现在第一个波峰处。单爆孔爆破主振频率大致在65~82Hz范围内,主振波周期在10.2~12.4ms范围内,最大振速值出现在3.1~3.9ms处,群孔试验结果,当延时时间间隔在4ms以下或6ms以上时,爆破振速均大于1.2cm/s,但当延时时间间隔控制在4~6ms之间时测点振速均在1.2cm/s以内,因此在实际施工中以4~6ms作为延时间隔进行爆破作业。

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根据爆破振动监测结果,并考虑数码电子雷管的高成本,方案中隧道爆破采用上下台阶开挖法,上台阶选用数码电子雷管与非电导爆管雷管混合起爆网路,即掏槽孔采用数码电子雷管起爆,孔间延时为4ms,其余孔采用非电导爆管起爆;下台阶采用非电导爆管雷管起爆网路。上台阶炮眼布置图(如图8)和爆破设计参数表(见表3)。施工中控制爆破振动效果见图9。

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5典型露天数码电子雷管爆破技术应用

5.1邻近既有隧道基坑爆破开挖项目

某基坑开挖项目邻近深圳既有运营地铁,见图10。基坑开挖深度6.6~13.2m,坡脚距隧道边线最小水平距离为9.35m,坡脚距隧道最小距离为12.89m,该区段地铁隧道拱顶埋深11.5~15.7m;周建建构筑还有居民小区、发电厂等,环境十分复杂。根据《深圳地铁运营安全保护区和建设规划控制区工程管理办法》规定,地下车站及隧道结构外边线外侧30米范围内原则上不允许爆破施工作业,30m~50m范围需要进行爆破施工时,应制定针对地铁的专项安全防护方案,地铁隧道结构爆破振动安全控制标准为2cm/s。本工程工程量约13万m3,工期紧、任务重。

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本项目实施过程中与地铁公司等单位联合进行《运营地铁安全保护区控制爆破技术研究》,探究地铁安全保护区的爆破施工技术。项目采用了数码电子雷管爆破技术。

施工前,试验段选择在距地铁线路最远的基坑南侧(见图10),进行了多组数码电子雷管起爆网路试验和一组电-非电混合起爆网路试验,孔深5m、单孔药量10.5kg。数码电子雷管起爆网路孔间延时分别为15、16、17、18、19ms,逐孔起爆,见图12;电-非电混合起爆网路孔内非电雷管10段、孔外用非电雷管5段串接,见图13。

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试验结果显示,数码电子雷管起爆网络振动波形分布比较连续均匀,距爆区13m位置最大振速速值0.76cm/s,见图14;电-非电混合起爆网路振动波形能明显分辨出是一段一段起爆的最大振速值1.13cm/s,最见图15。经对比,同样的单响药量,采用电子雷管的振速比导爆管雷管的振速小30%,说明采用电子雷管后,振动波形发生了明显的“叠加削峰”效应。

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根据试验结果,对基坑进行分区,参见图9。基坑开挖以试验段坑槽为自由面由南向北逐层进行爆破开挖,距地铁线路大于30m区域采用深孔台阶控制爆破方案,孔深5~8m,堵塞长度不小于2.5m,孔间延时间隔17ms;距地铁线路小于30m区域采用深孔间隔装药台阶控制爆破方案,孔深5m,总堵塞长度不小于2.7m,孔内层间延时间隔4ms,孔间延时间隔17ms。在实施过程中对重点建构筑物进行实时爆破振动监测,同时在距爆区13m位置布设一个测振点,为邻近地铁区域施工提供技术储备。

另外施工过程中,采取了多种控制和降低爆破振动的措施,取得较好效果。主要有:(1)地铁隧道与基坑间施工红线位置布置减振孔。(2)30m范围内施工孔底加气垫层,减振率可以达到15%左右,另外加气垫层间隔装药对爆破区域同一水平方向的减振作用不大。(3)施工中自由面垂直于地铁轨道方向,且起爆顺序设置为由外向内逐孔起爆的方式。(4)对爆破振动进行实时监测,实现信息化爆破施工管理,并根据振动监测结果及时优化爆破参数。

经整理,整个施工期间爆破振动速度最大值为1.7cm/s,90%的爆破振动值控制在1.2cm/s以内。另外通过试验和模拟计算提出运营地铁隧道合理抗振指标:主振频率>50Hz时振动控制值为6.0cm/s,主振频率≤50Hz时振动控制值为4.5cm/s。该项目研究成果获得中爆协科技进步一等奖。

5.2邻近居民楼基坑爆破开挖项目

某基坑爆破开挖项目南侧26m为仙桐御景公寓高层住宅楼、西南侧30m为雍翠豪园高层住宅区,见图16。由于特殊原因,该基坑爆破采用数码电子雷管爆破技术,最大限度减少对周边居民的影响。

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基坑最大开挖深度21m,70000m3。参照数码电子雷管爆破技术施工经验,方案设计为:基坑南侧坡脚处开挖土方至设计高程,确定由南向北的开挖顺序,自由面方向朝南。基坑岩面坡度较大,台阶整理工作量较大,共分三层台阶开挖,第一、二层台阶至居民楼房最近距离65m,台阶高度5~9m;当台阶高度5~7m时采用深孔台阶控制爆破方案,堵塞长度不小于2.5m,孔间延时17ms;当台阶高度7~9m时采用深孔台阶间隔装药爆破方案,总堵塞长度不小于3.3m,孔间延时17ms,层间延时4ms;第三层台阶距居民楼房最近距离52m,台阶高度不大于5m,采用深孔台阶控制爆破方案,堵塞长度不小于2.7m,孔间延时17ms。

6结语

(1)数码电子雷管爆破技术在多项目的成功实施,降振效果明显,可为环境条件特殊敏感的爆破工程提供参考。

(2)由于爆破振动受多种因素的影响,实施过程中应通过分析爆破振动波形找出最佳延时时间,真正实现数码电子雷管爆破干扰错峰的减振效果。

(3)数码电子雷管延时的精确性和可控性更有利于周边自振频率较低的建构筑物的保护。

(4)选择合理可行的减振措施,可以优化数码电子雷管爆破技术参数。

摘自《广东省力学学会工程爆破专业委员会 2016 年学术与技术交流论文集》