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电子雷管在隧道光面爆破中的应用
乔 攀
中铁十六局集团准池铁路工程指挥部

摘 要 以贵广高速铁路棋盘山隧道光面爆破施工为例，通过介绍隆芯1号电子雷管及铱钵起爆系统在隧道光面爆破中的应用，与使用导爆雷管时的爆破效果进行对比，对于同样的爆破方量，电子雷管能有效减少炸药的用量，使工程的综合成本得到显著降低，具有较大的经济应用价值。
关键词 电子雷管 光面爆破 应用
0 引言
近几年来，随着我国对铁路、公路以及水利基础设施工程建设的不断加大，公路隧道和铁路隧道建设不断增多，而且隧道断面也越来越大，给隧道爆破施工带来了新的机遇和挑战。而爆破中采用的传统雷管也越来越不能满足安全、经济、快速、环保的要求，而近年来以隆芯等为代表的电子雷管以其优越的技术、良好的爆破效果和经济社会效益，将会在爆破中起到越来越重要的作用。
1工程概况
新建贵阳至广州铁路棋盘山隧道位于广西省贺州市境内，隧道全长2346米，为单洞双线I级铁路隧道，设计行车速度：300公里/小时。隧道进、出口里程分别为：DK568+921、DK571+267，其中Ⅲ级围岩1750米；Ⅳ级围岩475米；Ⅴ级围岩121米。主要基岩为泥盆上统莲花山组（D3l）灰岩，中厚～厚层状，弱风化、岩层较破碎，围岩以Ⅲ～Ⅳ级为主。隧道右线最大埋深为335m，最小埋深为34m，左线最大埋深约270m，最小埋深为12m。
1.1隆芯1号电子雷管简介
隆芯1号电子雷管具有两线双向无极性组网通信、孔内在线编程和全功能检测能力,可对爆破网路的完整性进行在线检查,可实现宽范围(0～16000ms)、小间隔(1ms)延期时间的孔内设定和在线校准,可对起爆能量进行有效管理,起爆精确性好、起爆可靠性高、使用安全性好,同时具有防水、耐压、抗冲击、环保等特点。雷管内置产品序列号和起爆密码,内嵌抗干扰隔离电路,使用安全,网络设计简单,操作使用方便。在实际的工程爆破中使用隆芯1号电子雷管,可以方便控制爆破的主振频率,可以利用干扰减振技术降低爆破的振动、飞石、噪声等危害,破碎度均匀、边坡残留明显减少,可以实现逐孔爆破,提高炸药能量利用效率,提高工程爆破的综合效益。国际上将数码电子雷管称为工程爆破行业的一项技术革命。
1.2 铱钵起爆系统简介
铱钵起爆系统是一套在工程爆破中采用数字密码形式给出起爆密钥指令的高安全性密码雷管起爆系统，是国内第一个可实现孔内编程延期数据、网络化在线检测的工程爆破系统。它具有高精度毫秒延期同步起爆的能力，能够实现和满足高精度微差减展爆破的工程要求。它由隆芯1号数码电子雷管和铱钵表、铱钵起爆器等设备组成，具有两线制无极性并联网路组网双向通信的功能，可在线检测雷管状态，回读并验证已设定的雷管延期时间，精确把握雷管工作状况。铱钵表是实现隆芯1号数码电子雷管在线检测、在线编程、组网通信和精确起爆控制的专用电子设备。一个铱钵表可并联连接200发隆芯1号数码雷管形成一个爆破网路支线，并实现雷管上线、检查、网路检测等功能。铱钵表在铱钵起爆器的控制下，实现数码电子雷管的精确起爆控制。铱钵起爆器是唯一能够起爆隆芯1号数码雷管的控制设备，在铱钵起爆器的控制下，通过铱钵表可实现隆芯系列数码电子雷管的精确起爆控制。与铱钵表配套使用可实现隆芯数码雷管在线检查、在线编程、组网通信和网络化密码密钥形式的起爆控制。一个铱钵起爆器可组网连接多台铱钵表，形成具有多条爆破网路支线的数码电子雷管起爆系统。
铱钵起爆系统的结构和网路形式如图2所示。系统采用双线并联结构，一个铱钵表可以两线制并联带载多个雷管，一个铱钵起爆器可以两线制并联带载多个铱钵表。
表1 隆芯1号电子雷管主要技术参数
序 号
名 称
指 标
1
延期精度
0～100ms，偏差小于1ms，101～16000ms，偏差小于1%
2
延期范围
0～16000ms范围内，最小时间间隔1ms
3
编程方式
在线可编程
4
检测方式
在线检测
5
起爆方式
双密码起爆：起爆器登录密码、起爆授权密码
6
通信方式
两线制双向无极性组网通信
7
抗外性能
220VAC、50VDC、15KV静电、射频及杂散电流
8
防水性能
]30m
9
高温耐油
-35#柴油，80℃,72h
10
使用温度
-20℃～+70℃

图1 隆芯1号电子雷管
2施工工艺
2.1光面爆破设计
光面爆破是通过正确确定爆破参数和施工方法，在设计断面内的岩体爆破崩落后才爆周边孔，使爆破后的围岩断面轮廓整齐，最大限度的减轻爆破对围岩的扰动和破坏，尽可能的保持原岩的完成性和稳定性的爆破技术。
2.1.1 光面爆破方案的确定
棋盘山隧道根据施工现场的实际条件及围岩情况，采用全断面一次性开挖法。

图2 依钵起爆系统
2.1.2 爆破参数的选择
棋盘山隧道主要以Ⅲ级围岩为主，隧道衬砌轨面以上净空面积为92㎡，Ⅲ级开挖轮廓尺寸具体见（棋盘山隧道炮眼布置图），炸药采用规格为Φ32×200,2号岩石铵梯炸药和乳化炸药，雷管采用非电毫秒微差雷管。影响光面爆破的因素十分复杂，除地质条件、炸药的尺寸与性能、打眼的准确性和爆破技术操作外，决定光面爆破的重要因素有：光爆层厚度、周边眼间距、装药量和装药结构以及起爆技术等方面，爆破参数确定如下：
(1)光爆层厚度(W)
所谓光爆层是周边眼与最外层辅助眼之间的一圈岩石层。其厚度就是周边眼最小抵抗线，它与开挖的隧道断面大小有关。在断面跨度大，光爆眼所受的夹制作用力小，岩石比较容易崩落，可以大些。在断面跨度小，光爆眼所受的夹制作用力大，光爆层厚度可小些。光爆层厚度与岩石的性质和地质构造有关，坚硬岩石光爆层可大些，松软破碎的岩石光爆层要小一些。
(2)周边眼密集系数(K)
周边眼密集系数是周边眼间距(a)与光爆层厚度(W)的比值，是影响爆破效果的重要因素。a=(12～16)d K=a/W。式中：a为炮眼周边眼间距(cm)，d为炮眼直径(mm)。
(3)周边眼深度(L)
隧道光面爆破，周边眼的深度，取决于钻眼精度。因受工程施工规范、验收标准和设计要求的超欠挖控制，在使用YT一28气腿式凿岩机作业时，因受顶板和岩壁影响得不从轮廓线向上或向外偏斜一个角度σ(通常σ=（3°～5°），必须采取措施，减小夹角，减少超挖量。
(4)装药量计算
光面爆破装药量的计算，主要是确定周边眼光爆层炮眼装药集中度，即以g／m表示，一般采用实验的方法求得或从同类型工程选取。
Q=qaW （1）
式中：Q为装药集中度(g／m)；q为单位体积耗药量(g／m3)；a，W单位均为m。
(5)棋盘山隧道根据实际的地质情况，结合现场试验和施工经验数据，用计算法进行校核，确定以上的爆破参数如下表2、表3：
(6)装药结构和起爆方法。
光面爆破光爆眼采用不耦合装药，本隧道选取不耦合系数为1.7。

表2 棋盘山隧道光面爆破参数选择情况
名称
炮眼直径
（mm）
炮眼间距(mm)
光爆层厚度(cm)
密集
系数
装药集中度kg/m
不耦合系数
棋盘山隧道
42
50
65
0.7
0.15
1.7
在实际施工中还要结合掌子面的围岩具体变化情况，如溶洞，夹泥裂隙的不良地质的出现，要对爆破参数进行动态调整。
表3 光面爆破一般参考数值
岩石种类
炮眼间距(mm)
光爆层厚度(cm)
密集系数
装药集中度kg/m
硬岩
55～70
60～80
0.7～1.0
0.3～0.35
中硬岩
45～65
60～80
0.7～1.0
0.2～0.3
软岩
35～50
40～60
0.5～0.8
0.07～0.12
施工中周边眼采用装药结构如（图3）
图3 周边眼装药结构
2.2 在未使用电子雷管之前，棋盘山隧道光面爆破参数表及爆破设计图如下：
表4 棋盘山隧道爆破参数统计（围岩类别：Ⅲ级，日期：2009-10-23）
炮眼类型
炮眼数量
眼深(m)
单眼药量（kg)
段位
每段药量(kg)
掏槽眼
18
5
(14～15)×0.20
1
52.2
扩槽眼
12
5
13×0.20
3
31.2
扩槽眼
12
5
12×0.20
5
28.8
辅助眼
12
4
11×0.20
7
26.4
12
4
10×0.20
9
24
12
4
10×0.20
11
24
辅助眼(上3排)
8
4
8×0.20
13
12.8
7
4
8×0.20
11
11.2
6
4
8×0.20
9
9.6
周边眼
19～21
4
(1.5～2)×0.20
15
7.2
周边眼
18
4
(4～5)×0.20
13
12.6
底板眼
12
4
(11～12)×0.2
9(2)
4.4
11(4)
8.8
13(4)
8.8
15(2)
4.4
合计

266.4

图4 炮眼布置图
2.3电子雷管在光面爆破中的应用
2009年10月21日，开始引进电子雷管，整个施工中采用的逐孔微差爆破技术，每次起爆的所用延期时间都依据上次振动监控数据及围岩的情况进行调整，（图4-4-2）为2009年11月2号测得的振动曲线图，和2009-10-23，非电导爆管雷管相比，（图4-4-1）从实测得振动波形可以看出，使用隆芯1号爆破振动能量分布均匀，主振频率从87.31Hz提高到263.457Hz,最大振速有2.967cm/s降低到0.955cm/s，振动持续时间有1s缩短到158ms，降振效果显著。根据振动波形，优化孔网参数。
表5 优化后棋盘山隧道爆破参数统计（围岩类别：Ⅲ级，日期：2009-11-2）
炮眼类型
炮眼数量
眼深(m)
单眼药量（kg)
段位
每段药量(kg)
掏槽眼
12
5
13×0.20
1
31.2
扩槽眼
8
5
12×0.20
3
19.2
扩槽眼
8
5
12×0.20
5
19.2
辅助眼
8
4
11×0.20
7
17.6
8
4
10×0.20
9
16
8
4
10×0.20
11
16
辅助眼(上3排)
8
4
8×0.20
13
12.8
7
4
8×0.20
11
11.2
4
4
8×0.20
9
6.4
周边眼
19
4
2.5×0.20
15
9.5
周边眼
18
4
4×0.20
13
14.4
辅助眼
10
4
10×0.20
9
20
二台眼
11
4
11×0.20
11
24.2
底板眼
12
4
12×0.20
13
28.8
合计

246.5

说明：本图尺寸以厘米计。此爆破设计适用于全断面开挖。
图5 优化后炮眼布置图
2.4 光面爆破效果对比与经济效益比较
2.4.1 光面爆破效果对比
棋盘山隧道开挖全部实行光面爆破，除开始的试验段外，现已开挖地段光爆效果良好。
(1)爆破后炮眼痕迹率可达91％以上，两茬炮衔接台阶最大尺寸为12cm，超欠挖量仅为4％～6％左右。
(2)岩碴块度较小亦均匀，碴堆集中，利于装碴，节省装运时间。
(3)岩面平整，振速小，应力集中小，减少安全隐患。
2.4.2 经济效益对比
经现场施工测算，按上述施工实践对比，每一开挖循环约3.85米：
(1)节省时间：节省时间约150min。光面爆破施工钻眼及装药缩短约45min，清理危石缩短约20min，装渣及出渣缩短约85min。
(2)节省材料：使用电子雷管光面爆破比非光面爆破节省了火工品，每一排炮可节约炸药约20kg。
按上述计算结果，棋盘山隧道共计2346m，单光面爆破开挖一项，预计节省开挖时间150×2346／3.85×60×24=63天，缩短工期63d。节约的炸药数量为20×2346／3.85=12187 kg。

图6 非电导爆雷管爆破振动曲线

图7隆芯1号数码电子雷管爆破振动曲线

图8 使用数码电子雷管爆破后效果图
3结 语
工程中发现，与使用导爆雷管时相比，对于同样爆破方量，使用电子雷管可有效减少炸药的用量，使工程的综合成本降低。首先，通过微差爆破可以实现真正意义的干扰降振；其次，通过在线设置微差时间，充分利用岩石爆破产生的应力，改善爆破效果。第三，电子雷管不受段位影响，在大规模爆破工程中，不存在重段现象，能实现微差逐孔爆破从而有效降低单次起爆药量。第四，和非电雷管网络相比，电子雷管的优势还体现在爆破网络的可检查性，当起爆网络连接好后，所有的施工人员撤离到安全距离以外，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，即安全又可靠。

参考文献
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[5] 刘星，徐栋.几种典型电子雷管简介.火工品，2004，（8）：35-38.
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