， ＼ 高精度电子蚕管。在
特大断面隧道爆破中的应用
刘德功 ．杨凤云ｚ （１．重庆交通大学，重庆４０００７４；２．上海大学，上海２０００７２） 摘要：兰渝铁路关子岭隧道爆破方案，采用高精度电子雷管作为引爆系统取得了较好的爆破效果。对高精度电子雷管减 震的主要原理及效果进行研究分析，并归纳总结应用中的特点，可以预见，高精度电子雷管在各种控制爆破工程中将有越来 越广泛的应用空间 关键词：电子雷管；特大断面隧道；爆破 中图分类号：Ｕ４５５ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００２—４７８６（２０１ １）０１—０１２３—０５ ＤＯＩ：１０．３８６９￣．ｉｓｓｎ．１００２—４７８６．２０１１．０１．０２６ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ０ｆ Ｈｉｇｈ—ｐｒｅｃｉｓｉ０ｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｄｅｔｏｎａｔｏｒｓ ｉｎ Ｌａｒｇｅ Ｓｅｃｔｉｏｎ ０ｆ Ｔｕｎｎｅｌ Ｂｌａｓｔｉｎｇ
ＬＩＵ Ｄｅ－ｇｏｎｇ ，ＹＡＮＧ Ｆｅｎｇ－ｙｕｎ （１．Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ４０００７４，Ｃｈｉｎａ；２．Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００７２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｇｕａｎｚｉｌｉｎｇ Ｔｕｎｎｅｌ ｂｌａｓｔｉｎｇ ｐｒｏｇｒａｍ ｏｆ Ｌａｎ—Ｙｕ Ｒａｉｌ ｕｓｅｄ ｈｉｇｈ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｄｅｔ— ｏｎａｔｏｒｓ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｈａｓ ａｃｈｉｅｖｅｄ ｇｏｏｄ ｂｌａｓｔｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ．Ｔｈｅ ｍａｉｎ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ａｎｄ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｅａｒｔｈｑｕａｋｅｓ ｏｆ ｈｉｇｈ－ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｄｅｔｏｎａｔｏｒｓ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ，ａｎｄ ｉｔ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｓ ｔｈｅ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ．Ｉｔ ｃａｎ ｂｅ ｐｒｅ— ｄｉｃｔｅｄ ｔｈａｔ ｈｉｇｈ——ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｄｅｔｏｎａｔｏｒｓ ｉｎ ｂｌａｓｔｉｎｇ ｗｉｌｌ ｈａｖｅ ｍｏｒｅ ｅｘｔｅｎｓｉｖｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｐａｃｅ・ Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｄｅｔｏｎａｔｏｒ；ｓｐｅｃｉａｌ ｌａｒｇｅ ｓｅｃｔｉｏｎ ｔｕｎｎｅｌ；ｂｌａｓｔｉｎｇ Ｏ 引言 近几年来，随着我国对铁路、公路及水利基础 设施工程建设的投入的不断加大，公路隧道和铁路 隧道建设也不断增多，而且隧道断面也不断增大， 给隧道爆破施工带来了新的机遇和挑战．而爆破中 使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。而近年来出现的高精度电子雷管 以其优越的技术．良好的爆破效果和经济社会效
最终实现可持续发展的目标。 ５ 结语 人们在桥梁的使用过程中发现．桥梁的实际使 用性能、耐久性、使用寿命往往达不到最初的设计 和规划预期，有的甚至完全不能满足正常运营的需 要，导致了巨大的运营期养护、维修费用的支出。 究其原因，主要是由于传统的桥梁设计方法和建管 体制造成的。通过采用基于全寿命的桥梁设计，可 以有效地规避一些不利因素，增强桥梁的使用年 限，减少对周围的生态环境影响，坚持可持续发展 的思路：同时这种设计方法减少了后期的养护维修 成本，最终实现了桥梁良好的生命周期质量。 参考文献 ｆ１１马海军．基于全寿命的桥梁设计过程及其在混 凝土连续梁桥中的应用『Ｄ１．上海：同济大学，２００８．
收稿日期：２０１０—１ｌ～１６ 躐 蛳
囤 益，将会在隧道爆破中起到越来越重要的作用。 １ 爆破起爆器材 起爆器材即雷管，可用来引爆炸药，是一种提 供爆炸能、用来直接起爆炸药或导爆索的管状起爆 材料。各种雷管的区别仅在于引火装置和延期引爆 元件的不同。传统的雷管可以分为火雷管、电雷 管、非电雷管等。自２０世纪８０年代初起，电子雷管 开始进入起爆器材市场，目前电子雷管及其起爆 系统正逐步趋于成熟．并达到爆破＿ｒ 程实用化阶 段。 １．】 传统雷管 对于隧道爆破，其爆破方法主要是毫秒微差延 时爆破，其常规爆破器材为毫秒延时电雷管和毫秒 延时非电雷管 然而传统电雷管延时精度不高，易发生跳段现 象，且常伴随拒爆现象，在爆破中减震效果不佳， 严重影响爆破效果。另外，传统电雷管容易受到散 杂电流、静电、雷电、射频辐射的作用而发生意外 早爆。对其操作和检查也相当复杂，装起爆药包之 前须切断一定范围内的电源等。对于非电雷管．由 于其结构特点．容易造成早爆、拒爆现象，而且其 起爆网络无法用仪表进行检查．只能凭外观检查网 络，不能在具有瓦斯与煤尘等危险的爆炸环境中使 用。 正是由于传统雷管不能满足现代隧道施工技术 对安全、经济、快速、环保等方面的要求，高精度 的电子雷管应运而生 １．２ 电子雷管 电子雷管．是一种可随意设定并准确实现延期 发火时间的新型电雷管，具有雷管发火时刻控制精 度高，延期时间可灵活设定两大技术特点。电子雷 管的延期发火时间，由其内部的一只微型电子芯片 控制，延时控制误差达到微秒级。雷管的延期时间 在爆破现场由爆破员设定，并在现场对整个爆破系 统实施编程，电子爆破系统延期时间以毫秒计，可 在０～８０００ｍｓ范围内为每发雷管任意设定延期时间。 电子雷管由五部分组成，即集成电路块、塑性外 壳、装药部分、电缆和连接器。该系统是以传统的 引火药的雷管系统为基础设计的，具有两个延期定 时开关。当要进行爆破时，在最后时刻输出电流并 发出起爆信号，这样以确保＿Ｔ作面在电子系统发出 起爆信号后才准确起爆，起爆时先释放出电容中的 电流，点热引火头桥丝，然后就引爆雷管。 电子雷管利用可以精确定时的电子元件取代了 电雷管中的延期药，并在此基础上添加了一些提高 使用方便灵活性的现场编程功能、提高雷管可靠性 的在线检测功能和防静电、防射频等安全保护措 施。电子雷管的延期发火时间，由其内部的微型电 子芯片控制，目前，延时控制误差已经达到０．１ｍｓ 数量级，并随着微电子技术水平的提高，有望进一 步提高其控制精度ｌｌｌ １．２．１ 电子雷管的基本原理 电子雷管的起爆能力与传统延期药雷管相同， 可以把它看作由传统瞬发雷管、外挂电子控制电路 构成。图１是电子雷管的基本控制原理图，为保持 同传统电子雷管接线方式的一致性。电子雷管通常 采用供电线和通信线复用的方式；为提高电子雷管 的使用可靠性，保证在爆破过程中供电线路由于某 种原因出现故障的情况下，仍能按设定的延期时间 完成爆破操作，采用储能电容Ｃ１和ｑ分别储存控制 芯片工作、点火头点火所需的能量：为提高电子雷 管的抗干扰（静电、射频、杂散电流等）能力和安全 性，采用电子开关来控制对起爆储存电能的充电， 使其只有在起爆准备（连接、检测、延期时间设定 等）完成后，才处于待起爆状态，而在紧急情况下， 需要终止爆破操作时．由电子开关把ｑ所储存的能 量快速释放；在延期时间到达后，电子开关Ｋ１控 制把ｑ的储能释放到电点火头上，从而完成电子雷 管的起爆Ｔ作。延期控制电路进行电子雷管起爆所 需各项工作的协调管理，是电子雷管的核心控制部 分、 通话 ＫＩ Ｋ３ 供电线 卜＿厂—一、 厂——＿ ｊ 期控制Ｌ—Ｊ ｝ Ｉ 『 Ｉ 一 ＾Ｋ： 一ｒ～ 电荆险管 ； 头、 ｊ 潞潞测理 ｌ ｛
１ 电子雷管的基本原理图 １．２．２ 电子雷管的起爆网络 对电子雷管起爆网络和电爆网路进行比较：在 环境中有外电存在的情况下。因为电子雷管的抗交 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，由于电子雷管不受段位 影响．在大规模爆破工程中，不存在重段现象，能 实现微差逐孔起爆从而有效降低单响起爆药量，且 网路设计简单易行。此外，由于所有的雷管是以并 联的方式连接的，电子雷管施工不存在支路电阻不 匹配问题 电子雷管的优势主要体现在爆破网路及雷管的 可检查性。当起爆网路连接好之后，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，既安全又高效＿３＿５ｌ。 １．２．３ 电子雷管微差干扰降震的主要原理 微差爆破是在相邻炮孔或排孑Ｌ问以及深孑Ｌ内以 毫秒级的时间间隔顺序起爆的一种爆破方法。单孔 爆破地震波波形如图２所示。通过合理选择两次爆 破的微差间隔 ，使后爆炸药产生的地震波的波峰 能够和先爆炸药产生的地震波的波谷于同一时间产 生．如图３所示。根据波的叠加理论，叠加部分地 震波的振幅应明显减小，爆炸产生的破坏效应会得 到最大限度的降低，这便是微差降震的主要机理。
，。 ／波峰
、 ＼波谷 Ｎ２ 单孔爆破地震波波形图 图３ 微差爆破地震波波形叠加 示意图 微差爆破的优点主要表现在以下几个方面： ａ）微差爆破能够产生辅助自由面，先起爆炸药 为后起爆炸药提供了有利的爆破条件； ｂ）微差爆破能增强爆炸应力波在被爆岩体中的 作用力，从而改善破碎效果，降低炸药用量； ｃ）微差爆破能有效消弱震动波的强度，减小爆 点周围建筑物的破坏。 电子雷管在该隧道工程应用时，每次起爆所用 微差时间都依据上次震动监测数据及围岩的情况进 行调整，降低了爆破震动的持续时间及振速，提高 了爆破震动的主震频率，从而降低了爆破震动的破 坏作用 １．２．４ 电子雷管的特点 １．２．４．１ 电子雷管的电子延时集成芯片取代了传 统延期药。其发火延时精度高（０～ｌＯＯｍｓ，偏差小 于ｌｍｓ：ｌＯｌｍｓ～１６０００ｍｓ，偏差小于ｌ％），准确可 靠，主要表现在以下方面：ａ）通过微差爆破可以实 现真正意义的干扰降震：ｂ）良好的同步性保证了光 爆和预裂效果：ｅ）通过逐孔起爆的方法可增加单次 起爆药量，提高单次起爆规模；ｄ）通过在线设置微 差时间．充分利用岩石爆炸产生的应力，有利于控 制爆破效应．改善破碎效果（见图４）。这些都是传 统雷管所无法比拟的。
图４ 电子雷管破岩效果图 １．２．４．２ 电子雷管前所未有地提高了储存和使用 的安全性。电子雷管本身的安全性，主要决定于它 的发火延时电路。传统延期雷管靠简单的电阻丝通 电点燃引火头．而电子雷管的引火头点燃，通常除 靠电阻、电容、晶体管等传统元件外，关键是还有 一块控制这些元件工作的可编程电子点火芯片。电 子点火芯片的点火安全度为传统电阻丝点火安全度 的１０５倍。 与传统雷管相比，电子雷管受一个微型控制器 的控制．该微型控制器只接受起爆器发送的数字信 号。电子雷管及其起爆系统的发火体系是可检测 的，且发火动作由程序完成。其编码器还具备测试 与分析功能．可以对雷管和起爆回路的性能进行连 续检测．会自动识别线路中的短路情况和对安全发 火构成威胁的漏电（断路）情况，自动监测正常雷管 和缺陷雷管的ＩＤ码，并在显示屏上将每个错误告知 使用者。 １．２＿４＿３ 电子雷管的经济效益。使用电子雷管可 以加快施工进度，降低管理成本。隧道施工受爆破 震动的影响，单次起爆药量／单循环进尺总是被限
剥啦 匡 定在一定的范围之内．这样便极大地影响了施工进 度。通过单孔单响逐孔微差起爆方式，电子雷管在 降震方面具有极大的潜力，在保证震动控制的前提 下，可极大提高单循环进尺，加快施工进度。 电子雷管可减少钻孔延米数和炸药用量。根据 国外文献．合理的微差设置可使炸药爆炸利用率得 以提高，爆破施工中的炸药单耗可降低１５％ ２０％， 从而相应减少了钻孑Ｌ延米数。 电子雷管可减少隧道后期维护费用。钻爆施Ｔ 会对隧道周边围岩产生扰动，围岩扰动的程度和范 围可直接影响到隧道的使用年限和后期维护。统计 数据显示．数码电子雷管较传统的导爆管雷管可降 震５０％～７０％．从而极大地降低了隧道后期维护费 用。 １．２．４．４ 电子雷管的应用有利于实现雷管的国际 标准化生产［９１。 ２ 电子雷管在兰渝线关子岭隧道爆破中的应用 ２．１ 工程概况 关子岭隧道位于甘肃省陇南市武都区境内，进 １５位于枫相院乡坪石板村东南￣￥２０６边，与洛塘河 车站特大桥相连，出口位于渭河沟右岸，与渭河沟 大桥相连。兰州端洞口里程为ＤＫ４３１＋０５ｌ，重庆端 洞口里程为ＤＫ４３３＋７８２．隧道全长２ ７３ｌｍ。其中兰 州端为大断面车站隧道，桩号：ＤＫ４３１＋０５１～ ＤＫ４３１＋１８０，长度为１２３ｍ。隧道进口在￥２０６附近， 出口位于渭河沟公路附近，交通便利。 关子岭隧道地属西秦岭中山区，总体地势呈北 高南低，山体陡峻，沟谷深切多呈“Ｖ”字形。地面 高程基本在９５０ｍ～１３２０ｍ范围内，相对高差约 ４００ｍ，隧道最大埋深在ＤＫ４３１＋５５６，约３３５ｍ。隧 道进、出口均位于山体坡面上，基岩裸露；表层局 部为０．５ｍ～１．５ｍ的坡积碎石类土所覆盖，隧道洞身 位于基岩中。 本区地属秦岭褶皱系之南的秦岭地槽褶皱带。 关子岭隧道通过区地质构造相对简单，无褶皱、断 层等地质构造。基岩稳定，产状单一，岩石较为完 整。 ２．２ Ｖ级围岩爆破方案 隧道的进口段处于Ｖ级围岩中．围岩比较软 弱，从安全的角度考虑，该段选用了光面爆破技术 的双侧壁导坑法进行掘进施丁。 光面爆破是一种控制岩体开挖轮廓，通过一系 列措施对开挖工程周边部位实行正确的钻孔和爆 破，并使周边眼最后起爆的爆破技术，是软岩、中 硬岩隧道浅眼爆破施工中广泛应用的方法。同时使 用了先进的高精度的数码电子雷管，在爆破中能很 好地降低爆破产生的震动效应。 爆破参数确定原则为：实际施工时将根据爆破 试验、地质预报、开挖后的实际围岩状况及爆破效 果．动态调整每茬炮的爆破参数，以确保达到最佳 爆破效果。 ２．２．１ 掏槽位置及形式 爆破采用了楔形掏槽。楔形掏槽由数对（一般 为２～４对）对称的相向倾斜的炮眼组成，爆破后形 成楔形的槽子。楔形掏槽爆力比较集中，爆破效 果较好．掏出的槽子体积较大，可以适应各种不 同坚固程度的岩层，具体掏槽眼分布见图５。
５ Ｖ级围岩开挖炮跟布置不：意图 ２．２．２ 爆破参数 孔深：掏槽眼／＝２．２ｍ，周边及掘进眼１＝２．０ｍ。 孔径：ｄ＝４２ｍｍ 掏槽方式：楔形掏槽，直眼浅孔爆破。 周边眼间距：Ｅ＝４０ｅｒａ～５０ｅｒａ。 光爆孑Ｌ抵抗线： ＝５０ｅｒａ～５５ｃｍ，Ｅ／ＩＶ＝０．８～ １．０。 周边眼线装药密度：ｇ。＝２００ｇ／ｍ～２５０ ｍ。 装药结构：为了保证爆破效果及减震效果， 周边眼采用＋２５药卷不耦合、空气间隔装药或孔底 为空气热层的正向装药结构：掏槽眼及掘进眼采 用西３２药卷不耦合、不连续反向装药结构。 爆破时差：考虑到本次爆破为浅孔爆破，各 段爆破时差选为５０ｍｓ 炸药：根据药供应及围岩情况，使用２＃岩石 硝铵炸药，其药卷直径为３２ｍｍ，长度为２００ｍｍ， 每卷药卷为０．１５ｋｇ。 堵塞：采用炮泥堵塞，堵塞长度不小于２０ｃｍ。 １． 觅 ‘ ｉ ，．。
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