電子數碼雷管在隧道工程中的應用研究

胡辰翔

（中鐵隧道局集團有限公司，廣東廣州 511466）

0 引言

目前，在隧道的建設中，鉆爆法是最主要的施工方法。鉆爆法的選擇需要根據不同的地質條件進行現場動態分析，針對不同的圍巖等級選擇設置合理的爆破參數，選用適合的爆破器材，完善爆破工藝參數，進而提高隧道施工爆破效果。爆破開挖時，由于鉆孔設備、火工產品、施工技術的限制，光爆理論及爆破設計方案不合理等因素的疊加影響，可能導致爆破后的成型效果差，出現超欠挖現象。超欠挖會顯著增加隧道建設的成本，并嚴重影響施工安全，因此，對超欠挖控制措施進行研究十分必要。

1 各類型雷管概述

傳統的導爆管雷管依靠燃燒化學藥劑實現爆破，其結構原理導致其延期時間不能任意設定。由于化學藥劑燃燒的不可靠性決定了傳統導爆管雷管對爆破控制的偏差較大，延期時間可能與爆破要求不相同，會嚴重影響隧道爆破成型效果。毫秒延期電雷管一般也是出廠設定好延期時間，無法實現延時的自由設定。各類型雷管構造如圖1 所示。

圖1 各類型雷管構造示意圖

電子數碼雷管是在原有電子雷管的基礎上將雷管與電子芯片控制器相結合的產物，其延期裝置不是采用傳統的延期體，而是采用具有電子延時功能的專用集成電路芯片控制延時，實現毫秒級精確延時，且可以任意設置延期時間。在爆破減振方面，從被動的錯峰減振變為主動的干擾減振，可有效控制雷管對炸藥的作用過程及爆破能量的釋放，具有操作便捷、抗外界干擾能力強、爆破效果良好、減震降噪、組網能力強、延期精度高、網路延期時間可精確設置、高安全性、起爆網路可靠性高等優點。

2 隧道超欠挖研究現狀

目前隧道施工的主要方法有鉆爆法、盾構法和TBM 法，鉆爆法在當前隧道施工中占據約90% 的比例。鉆爆法是通過鉆孔、裝填炸藥進行爆破開挖的方法。如圖2 所示，通常將爆破開挖后實際輪廓線位于隧道設計輪廓線之外的部分稱為超挖，實際輪廓線位于隧道設計輪廓線之內的部分稱為欠挖[1]。衡量爆破好壞的標準主要有：爆破后輪廓成型程度、爆破裂縫是否明顯、超欠挖量是否滿足標準等。爆破技術的核心在于選擇合理的延期時間和利用延期時間精準地起爆。隧道超欠挖會增加隧道掘進的開挖方量，相應的初期噴射混凝土支護和二次襯砌混凝土回填的工程量也會增加，同時增加出渣運輸和后續支護的施工工序、時間，欠挖的處理也比較煩瑣，需要重新鉆孔、安裝爆破器材、二次起爆，嚴重影響施工效率。

圖2 隧道超欠挖示意圖

在改進超欠挖方面，孫浩等[2]針對施工過程中的爆振速度問題，提出優化爆破參數控制超欠挖的重要措施。楊波等[3]系統地分析了造成超欠挖的原因，建議采用光面爆破，按工藝流程施工可控制超挖。于濤等[4]通過對爆速進行控制，得到良好的整體爆破效果。郝廣偉等針對較大循環進尺造成的超挖問題進行研究，得出進尺越小超挖越小成型越好的結論。張旭認為引起隧道超欠挖的原因是復雜的，光面爆破理論及爆破設計方案不合理等因素會影響爆破成型效果。田興朝等[5]對爆破參數數據進行采集，分析了布孔參數對超挖的影響規律。郭建等[6]分析造成超欠挖的關鍵因素，得出精準爆破技術和綜合管控措施可降低線性超欠挖的結論。尹文綱等[7]提出“長、短眼”布置方案，使得Ⅳ級圍巖段超欠挖可控。張繼春等[8]認為光面爆破可有效地控制圍巖超欠挖及爆破損傷。王雁冰等在井下巖巷掘進中引入數碼電子雷管，增加單循環進尺，減少單循環時間，使爆破過程可控。崔立明等[9]利用電子數碼雷管延時精準可調的特性，將炮孔劃分成多個單元，擴大了預裂爆破的應用范圍。

目前鉆爆法施工引起隧道工程超欠挖的問題可以總結歸納為以下三點：一是人的因素，即測量放樣誤差和培訓、交底不夠細致。二是機械因素，隧道內空間受限，鑿巖臺車機械臂打眼角度不到位，沒有按爆破設計周邊眼外插角進行精確開孔。三是爆破參數不合理，現場施工作業時沒有及時調整相應的爆破參數。

3 電子數碼雷管的應用特點

電子數碼雷管自2008 年7 月在杭州市錢塘江引水入城隧道掘進爆破工程中首次試用以來，受到相關施工企業的關注，目前已在淺埋隧道爆破中得到廣泛應用，不僅使炮孔利用率達到98%，而且使爆破振動降低了50%～60%，既降低了震速，又改善了爆破效果[10]。電子數碼雷管的起爆原理是起爆器向每發雷管下發延期指令并向每發雷管充電，雷管接收到起爆指令后自動延期倒計時，到達延期時間后起爆，實現毫秒級延時微差爆破。電子數碼雷管具有以下特點：一是利用延時微差疊加各相鄰炮孔爆破應力波和爆炸氣體膨脹的相互作用，增加對圍巖剪切和拉伸的破壞效果。二是利用先爆破的掏槽孔為相鄰的后延時爆破輔助孔制造自由面，一方面增加相鄰炮孔爆破反向拉伸波的作用，另一方面控制周邊眼同時起爆設定，引導爆渣運動方向和軌跡，減少飛石對隧道開挖后方已完成支護段落的破壞。三是可以降低炸藥單耗，微差爆破與齊發爆破相比一般可減少炸藥單耗，有利于洞渣的裝運。四是微差爆破利用掏槽眼、輔助眼、周邊眼分散于各段的特點精確延時起爆，爆震強度大為降低，可有效減輕爆震對周邊環境的危害。五是可同時控制多組雷管，實現全斷面或大跨度斷面的微差爆破作業，提高現場施工效率。

4 應用效果與不足

以往周邊眼爆破采用雷管代替導爆索的方法會產生以下幾個問題：一是造成現場周邊眼沒有做到間隔裝藥；二是周邊眼經常采用的13 段、15 段雷管達到±60ms 的誤差，造成周邊眼無法做到同時起爆?，F場通過采用電子數碼雷管可實現周邊眼同時起爆。近兩年來，對七個單位幾十個項目中近百個采用鉆爆法施工的掌子面進行統計，各圍巖平均線性超挖情況如表1 所示。

表1 鉆爆法施工隧道平均線性超挖統計表 單位：cm

經統計，Ⅲ級圍巖平均線性超挖值為13.08cm；Ⅳ級圍巖平均線性超挖值為14.22cm；Ⅴ級圍巖平均線性超挖值為15.69cm。2022 年度現場超欠挖控制數據較2021 年有所下降，除Ⅴ級圍巖線性超挖值略高于行業規范控制要求，其他級別類型圍巖隧道超挖控制值均在可控范圍內，較傳統雷管引爆方式有明顯提升。

當前電子數碼雷管在隧道施工現場應用中還存在不足，需要進一步完善：一是電子數碼雷管近年來才全面推廣使用，單發成本較傳統雷管高3～7 倍，雖然超欠挖處理成本顯著降低，但每循環爆破器材使用成本明顯上升。二是隧道施工地質復雜多變，鉆孔后常常伴有裂隙水流出，炮孔內部環境潮濕多水。電子數碼雷管防水性能不足，抗潮濕環境能力不夠，在軟弱富水段落適用性不強。三是現場布線完成后組網檢測時經常發現個別信號丟失，需要反復連接確認。四是爆破后存在部分盲炮和殘藥，影響開挖效果，造成循環時間延長。

5 結語

綜上所述，目前采用鉆爆法施工的隧道不可避免會出現超欠挖的現象，通過新材料和新技術推廣應用、優化爆破技術和爆破器材、加強人員培訓和現場施工管理能夠有效地將超欠挖控制在允許范圍內。電子數碼雷管的應用能更好地保障隧道施工爆破環節的安全，為后續通風、出渣及支護工序施工創造進一步提升效率的可能性，并能在一定程度上降低由于起爆、裝藥及爆破時差不匹配導致的隧道超欠挖問題的出現概率，能夠減少隧道工程施工成本上非必要的投入，確保隧道工程實體質量滿足設計要求。