王国安,邱贤阳,史秀志,李必红

(1.中国中铁隧道股份有限公司， 河南 郑州 450001；2.中南大学 资源与安全工程学院，湖南 长沙 410083；3.国防科技大学， 湖南 长沙 410073)

0 前 言

天井掘进是矿山和地下建筑工程中的一项关键技术。与其他传统的天井掘进方法相比，深孔爆破成井技术具有掘进效率高、劳动强度低、成本低廉等优点，因而得到广泛的推广应用[1-3]。然而，深孔爆破成井目前仅适用于断面不大的短天井，极少应用于大断面的高天井。究其缘由，主要在于深孔爆破成井自由面缺乏且夹制性大导致效率不高[4]。深孔爆破成井有直眼空孔掏槽爆破成井和多孔球状药包爆破成井两种模式，在选择深孔爆破成井模式时，应综合考虑岩石性质、炮孔施工精度、断面大小、天井高度等因素[5-6]。直眼空孔掏槽爆破成井模式中空孔需为掏槽孔爆破提供自由面和补偿空间，故空孔与掏槽孔之间的距离必须准确控制，因此该成井模式不适用于高天井掘进。因此高天井掘进只能采用多孔球状药包爆破成井模式，即数个炮孔以下向空间为自由面同时起爆，共同形成爆破漏斗[7]。为提高爆破成井效率和爆破成井分层高度，应尽量增加同时起爆的掏槽孔数量。然而，数量较大的掏槽孔同时起爆将导致单段爆破药量增大，进而产生较大的爆破振动危害效应，对周边岩体造成的破坏将无法估量[8]。

为解决常规多孔球状药包爆破成井模式的单段爆破药量大的问题，考虑到高精度电子雷管可以实现短至数毫秒的精确短延时爆破，本文提出精确短延时类球状药包爆破成井新模式，采用高精度电子雷管实现同层药包的短间隔延时爆破，以取代常规深孔爆破成井的同层药包同段爆破。基于多孔球状药包爆破理论，本文分析了短延时爆破漏斗形成机理，推导了同层药包间短间隔延期时间的理论计算公式，并将研究成果应用于东北引松供水工程超大断面调压竖井掘进。

1 多孔球状药包爆破理论

对于爆破破岩机理，目前普遍接受的观点是应力波与爆轰气体压力共同作用学说，即爆破过程中岩石破坏是应力波与爆轰气体压力共同作用的结果[9]。多孔球状药包爆破漏斗的形成得益于相邻药包爆破之间的应力波及爆生气体压力的相互作用。以两孔药包爆破为例，其爆破漏斗形成过程可分为4个阶段（见图1）：第一阶段为两孔单独作用阶段，即两个炮孔爆破后爆炸应力波向外传播，各自形成粉碎区和初始径向裂纹；第二阶段为应力波叠加阶段，相邻两孔药包的应力波在两孔中部产生叠加，增强了应力波对岩体的作用，并促进了初始裂纹的进一步扩展；第三阶段为爆生气体压力作用下两孔裂纹贯穿阶段，即在两孔爆炸产生的爆生气体压力作用下，初始裂纹进一步扩展，并在两孔中部贯穿，两孔爆破产生的爆生气体通过贯穿裂纹汇合；第四阶段为爆生气体压力驱动形成爆破漏斗阶段，即在贯通的爆生气体压力作用下，破碎岩块往自由面方向抛掷，最终形成共同爆破漏斗。

2 多孔短延时爆破漏斗形成机理

由爆破破岩机理可知，药包起爆后在爆炸应力波和爆生气体压力的共同作用下形成新自由面，之后破碎岩石抛掷形成爆破漏斗[10]。如果相邻药包延时间隔超过自由面形成时间，则后爆药包起爆时其自由面因先爆药包形成的新自由面而发生了改变，此时已不可能形成共同的爆破漏斗（见图2）。因此，短延时爆破的延时间隔应小于自由面形成时间。此外，相关的观测实验表明，爆生气体压力的作用时间远大于爆炸应力波的作用时间。如对于抵抗线为2 m的常规深孔爆破，爆生气体作用时间和新自由面形成时间通常超过15 ms。由此可见，实现短延时爆破成井破碎效果的同层药包延时间隔具有较大的选择空间，这使得通过错开短延时爆破先后起爆药包的振动波波峰而大幅降低振动幅值成为可能。

图1 两孔同时起爆爆破漏斗

图2 两孔长延时爆破漏斗

根据多孔球状药包爆破漏斗机理，短延时类球状药包爆破漏斗的形成过程为可描述为：先爆药包起爆后在岩石中形成了复杂应力场，并在周围岩石介质中形成裂隙圈；此后后爆药包起爆，一方面激发的新应力场与先爆药包爆破激发的已有应力场产生相互叠加作用，另一方面后爆药包的应力波在先爆药包形成的裂隙圈存在极其复杂的反射作用；之后后爆药包的裂纹扩展并与原有的裂纹贯通，使两孔的爆生气体贯穿在一起，并一起作用推动岩渣往自由面方向抛掷，最终形成了共同的爆破漏斗。

3 同层药包间短延期时间研究

根据哈努卡耶夫的爆破破岩理论，岩石爆破中单孔爆破新自由面的形成时间一般包括 3个阶段[9]：

第一阶段为爆炸应力波激发后往自由面方向传播，从自由面反射到药包位置；第二阶段为爆破裂纹形成并逐步扩展成长度为最小抵抗线的裂纹；第三阶段为该裂纹进一步扩展，并形成一定宽度（8～10 mm）的主裂缝，即形成临空面。根据本文第二部分的分析，精确短延时爆破成井中同层药包短间隔延期时间必须短于临空面的形成时间，若后爆药包起爆时处于先爆药包爆破的第三阶段，则不能保证两孔形成面向共同的抵抗线方向的共同的爆破漏斗。因此，同层药包短间隔延期时间的最大值可以定义为：

式中：t1为爆炸应力波传播至自由面并从自由面反射到药包位置所需时间（s）；t2为扩成长度为最小抵抗线的裂纹的时间（s）；W 为最小抵抗线长度（m）；Cp为岩石中P波的传播速度（m/s）；Vt为裂纹传播速度（m/s）。

4 精确短延时爆破成井技术应用

吉林省饮马河引松供水工程总干线施工四标段调压竖井断面直径为20 m，深度为50 m，井筒形式为简单圆筒式, 在调压井掘进前其下部已提前开挖隧道硐室，如图3所示。该调压井地段主要岩性为凝灰质砂岩，岩石力学参数如表1所示。

图3 调压井结构

表1 砂岩岩石力学参数

该调压井工程属于超大断面超深竖井掘进，常规的深孔爆破成井方案根本无法实施完成其高效率掘进。因此，采用“先导井爆破、次主体侧崩爆破、后破顶爆破”的竖井深孔爆破技术解决了深孔爆破成井自由面缺乏的技术难题，即在调压竖井中间先行用深孔爆破掘进直径为 6 m的导井，之后以导井为自由面实施侧崩爆破和破顶爆破。本文重点关注导井爆破的深孔爆破成井方案，为提高导井爆破成井效率，同时降低其爆破振动效应对周边岩体的破坏，导井爆破采用精确短延时爆破成井方案。如图4所示，该调压竖井共布置4圈炮孔，炮孔直径为 165 mm，炮孔间距 1.0～1.2 m，一共布置炮孔50个。将这50个炮孔以5个为一组，由内至外逐组起爆，每组间延时间隔为 9 ms，采用高精度延期雷管起爆。每次导井爆破共分5层装药，分层高度为3.6～4.5 m，单次爆破成井高度为18 m。

图4 导井短延时爆破方案

经过两次导井爆破、两次侧崩爆破和一次破顶爆破，顺利完成了直径20 m、高50 m 的超大断面超深竖井掘进。在导井爆破中实施了爆破振动监测，在100 m处监测的爆破振动波形如图5所示。可见爆破振动速度峰值被降低至1.6 cm/s，对周边边坡和岩体的损伤被降至最低。

图5 导井爆破振动波形监测

5 结 论

本文提出了适用于超大断面超深天井掘进的精确短延时爆破成井技术，通过采用高精度电子雷管实现同层药包的短间隔延时爆破，以取代常规深孔爆破成井的同层药包同段爆破。基于多孔球状药包爆破理论，揭示了短延时爆破漏斗的形成机制，在此基础上获得了同层药包间短间隔延期时间的理论计算公式，并将研究成果应用于东北引松供水工程超大断面调压竖井的导井爆破成井掘进中，不仅实现了大断面天井的高效率掘进，也大幅降低了其爆破振动危害。本文研究结果对大断面高天井掘进工程具有一定的参考价值。