微差控制爆破在隧道掘进施工中的应用

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微差控制爆破在隧道掘进施工中的应用

摘要：随着电子雷管的生产成本降低和普及度越来越广，微差控制爆破被广泛地应用到隧道爆破施工现场，以确保周围建筑的安全，并减小爆破振动的危害。目前爆破工程界对微差控制爆破的研究较少，爆破设计多是依靠工程经验进行，往往会导致在隧道掘进工程中出现爆破效果不理想的情况。因此，开展微差控制爆破的研究具有重要的理论意义和工程应用价值。本文首先概述了微差控制爆破的作用机理和优点，然后对电子雷管的爆破减振方式进行了分析，最后，结合微差爆破作用机理和实践经验，可建立了合理微差延期时间的计算模型，有助于微差控制爆破在隧道掘进施工中的应用。

关键词：隧道掘进；微差控制爆破；电子雷管；微差延期时间； 1引言

近年来，随着电子雷管的研发，爆破炮孔的延期时间能够实现更精确的控制，使得微差爆破技术被广泛地运用到各项爆破工程。一方面是由于微差控制爆破可以提高岩石破碎质量，加快施工效率。另一方面通过微差爆破可以减小爆破产生的振动，降低爆破的危害。本研究着眼于隧道掘进工程中微差爆破技术的应用，对微差控制爆破的作用机理和优点、爆破减振方式和合理微差间隔时间的计算进行了详细介绍与分析。

2微差控制爆破的作用机理和优点

相比于齐发爆破，微差爆破是将一次爆破的总药量分成多次爆破，这样做不仅能提高爆破效果，而且降低了爆破振动危害。微差爆破的机理和优点可以归纳为以下几个方面：

（1）相邻应力波的有效叠加。齐发爆破时，由于应为波的叠加作用，在围岩的某些区域会形成应力的高度集中，而另一些区域则会形成应力减弱区甚至无应力区。从而容易产生洞渣及导致局部欠挖。微差爆破时，先起爆的炮孔在围岩内形成应力场后，在其产生的应力作用尚未完全消失之前，后起爆的炮孔立即起爆，起到了应力波叠加作用，同时又避免了无应力区的出现，有利于岩体的破碎。另一方面，微差爆破在时间上使炸药能量分散，引起的应力波存在一定的相位差，有效避免了峰值振动的叠加，从而有效的降低了爆破产生的振动。

（2）爆破自由面的数量增加。在岩石爆破过程中自由面越多越大，则爆破效果越好、爆破振动效应越低[1，2]。齐发爆破时，所有炮孔仅有一个自由面，因此岩体的破碎效果差，且爆破振动大。微差爆破时，先起爆的炮孔在围岩内形成了破碎区，为后起爆的炮孔增加了自由面，使爆破效果大幅改进。同时，爆破振动强度也随之减小。 3.微差爆破减振控制

微差爆破的减振效果的实现主要是得益于电子雷管在起爆中的应用，通过专用起爆器可以对单次爆破的所有电子雷管的延期进行设置，从而达到爆破减振目的。隧道掘进施工中常见的电子雷管主要有两类，一类是在出厂前已预先设置延期时间，延期时间无法更改；另一类是可以根据现场情况设置延期时间。由于施工现场条件各异，目前隧道爆破中最常使用的电子雷管类型为第二类。理论上，可以采用两种方法进行爆破减振：半周期减振和周期减振。 3.1半周期减振

半周期减振即设置相邻炮孔的延期时间为 （ 为波形主振相的周期）。理论上认为相邻炮孔产生的应力波的主振相的相近，为使得应力波的波峰和波谷相遇，


从而降低爆破对被保护工程和建筑的危害，应当设置相邻炮孔的延期时间为应力波主振相的周期的一半。但是由于不同类型炮孔（如掏槽孔、辅助孔和周边孔等）的爆破参数不相同，因此应力波主振相的周期也会不同，所以对于不同类型的炮孔要分别设置延期时间。另一方面，由于应力波的传播还受到工程现场环境、隧道埋深等多种因素影响，采用半周期减振并不能达到理想效果。 3.2周期减振

周期减振即设置相邻炮孔的延期时间为 （ 为波形主振相的周期）。目的是将相邻炮孔的延期时间增大，从而错开相邻应力波的主振相，有效的避免应力波发生主振相叠加。但若设置的延期时间过长，各炮孔即为独立起爆，不能实现应力波的有效叠加作用，失去微差爆破意义，导致岩石破碎效果较差。因此在实际施工中，为兼顾爆破振动控制和破岩效果，要确定一个适合工程现场的合理延期时间。

4.合理微差延期时间的确定

合理延期时间的确定决定了微差爆破效果的好坏[3]。根据上述的微差爆破作用机理，可知微差爆破的合理延期时间是体现岩体破碎效果和减振效果最好的微差爆破间隔时间。合理延期时间的选取原则和计算方法与微差爆破作用机理密切相关。

4.1合理微差延期时间的选取原则

（1）应力波叠加原则。在微差爆破中，当后起爆的炮孔较先起爆的炮孔延迟起爆时，先爆药包在岩体中产生的振动效果没有完全消失，后续药包是在相邻先爆药包的预应力作用状态中起爆的，从而强化了后续药包对周围岩石的爆破作用，使爆破破碎效果得到改善。

（2）形成新自由面原则。对于波阻抗大的岩石类介质，反射拉伸波是使其发生破坏的主要因素，先起爆的药包形成的新自由面，有利于后起爆的药包在爆破过程中产生反射拉伸应力波，从而提高了岩石破碎效果。

（3）减少爆破振动原则。为了达到爆破保护效果，最佳的延期时间应该避开先爆和后爆炮孔产生的应力波的峰值叠加。 4.2合理微差延期时间的计算模型

根据隧道爆破时不同类型炮孔的特点可知，第一圈掏槽孔起爆时只有一个自由面，其他类型的炮孔都有两个或以上的自由面，因此隧道掘进爆破的关键技术是掏槽孔爆破[4]。主要通过研究岩石爆破的物理过程来优化掏槽孔与辅助孔之间的延期时间。

为充分利用应力波叠加效果，以及充分利用掏槽时所产生的新自由面和补偿空间，同时能避开应力波的峰值叠加。因此，合理的微差时间应保证可利用辅助孔的爆炸应力波破碎槽中岩石，并且形成新自由面时槽中岩石能刚好抛出原岩一定距离。为了满足要求，合理微差延期时间应包括掏槽孔爆破的岩石破碎时间和碎块的抛掷时间。碎块的抛掷时间该距离的确定可以根据实际情况确定一个取值范围因此，掏槽孔与辅助孔之间的合理延期时间的计算模型为：

式中， 、 、 分别为掏槽孔爆轰阶段的时间、掏槽孔岩石破碎阶段的时间、掏槽孔内破碎岩石被抛掷的距离的时间； 、 分别为辅助孔爆轰阶段的时间、辅助孔应力波到达新自由面的时间。

将具体工程实际中不同爆破方案所确定的数据参数代入上述的计算模型即可得到合理的延期时间。 5 结束语


随着我国城市建设和基础工程的发展，隧道掘进技术也需要不断提升。微差控制爆破技术以其优良的爆破效果被广泛地接受和应用，但是目前对微差控制爆破的机理和理论研究尚有待完善。因此，要满足我国基层建设快速发展的技术需求，就必须加大对微差爆破技术研究的投入，克服施工技术困难，加强对微差爆破关键环节与重点要素的重视程度。 参考文献：

[1] 陈星明．自由面对爆破地震强度影响的试验研究．爆破2009，26（4）：38-41．

[2] 张建平．自由面数量对爆破振动规律影响实验研究．现代矿业，2009（483）：46-48

[3] 宗埼．合理延迟时间的理论分析和试验研究. 中国矿业大学学报，1998，27（1）：86-89

[4] 高全臣，张金泉. 煤矿爆破实用手册. 北京：煤炭工业出版社，2008：291–292.

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