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文档简介
隧道爆破施工技术《隧道工程》第20讲·钻爆法施工核心技术解析Contents课程目录隧道工程·第20讲隧道爆破施工技术01爆破施工基础02爆破设计原则与参数03隧道施工爆破流程04关键爆破技术05爆破安全控制06工程案例与新技术CHAPTER01爆破施工基础从爆炸能量释放机理到爆破材料选型,构建爆破技术的理论根基BlastingPrinciple爆破原理:爆炸能量释放与破岩机理隧道爆破的核心是利用炸药爆炸产生的高温高压气体和应力波实现岩体破碎。爆轰波在炸药中传播后转化为岩体中的应力波,其中拉伸波造成的拉应力超过岩石抗拉强度时即导致岩石断裂破碎,这是所有爆破参数设计的物理基础。01炸药爆炸是微秒级化学反应,固态炸药迅速转化为高温高压气体,体积膨胀可达数千倍,释放巨大能量02爆轰波以2000-7000m/s速度在炸药中传播,到达孔壁后转化为岩体中的压缩应力波和拉伸应力波03岩石抗压强度通常为抗拉强度的10-30倍,拉伸波产生的径向拉应力是岩石破碎的主导机制04爆炸气体在炮孔内持续膨胀形成"准静态压力",沿已有裂隙楔入扩展,进一步破碎和抛掷岩体隧道掌子面爆破后岩壁实拍BLASTINGZONEANALYSIS爆破作用分区与岩石破坏特征炸药在岩体中爆炸后,以炮孔为中心依次形成粉碎区、裂隙区、振动区和弹性区四个同心区域。各区域的范围和破坏特征取决于炸药爆轰压力、装药量和岩石力学性质,爆破参数设计的核心是优化裂隙区发育范围、控制粉碎区能耗。NEARZONE近区破坏(粉碎区+裂隙区)粉碎区:半径通常为炮孔半径的2-3倍,该区域压力远超岩石抗压强度,岩体被完全粉碎裂隙区:半径可达炮孔半径的10-30倍,径向裂隙与环向裂隙交叉发育,是有效破碎的主要区域FARZONE远区效应(振动区+弹性区)振动区:应力波衰减为弹性波,虽不破坏岩体但引起质点振动,是爆破振动危害的主要来源弹性区:仅有微弱弹性变形,对工程无直接影响,但地震波可能影响远距离建构筑物安全岩石爆破后的破碎断面实拍,可见分区破坏特征TUNNELBLASTING爆破材料:炸药类型与选型依据隧道爆破常用炸药包括乳化炸药和铵油炸药两大类,选型需综合岩石硬度、地下水条件和断面尺寸。工程爆破用乳化炸药产品实物01乳化炸药由氧化剂水溶液与油相乳化而成,抗水性强、爆速4000-5500m/s,是含水隧道的首选炸药02铵油炸药由硝酸铵和柴油混合,成本约为乳化炸药的60%,但不抗水,仅适用于干燥围岩03坚硬岩石(f>8)需选用高爆速炸药确保破碎效果,软岩(f<4)宜用低爆速炸药减少围岩扰动04装药直径与炮孔直径的比值称为不耦合系数,光面爆破中通常取1.5-2.5以降低孔壁压力DETONATOR&FIRINGSYSTEM雷管与起爆系统设计雷管按延时特性分为瞬发雷管和延期雷管,毫秒延期雷管是实现微差爆破的核心器件。电子雷管延时精度达±1ms,远优于传统化学延期雷管±25ms。起爆网路设计需确保每个炮孔按设计时序准确起爆,重要工程采用复式网路提升可靠性。毫秒延期雷管分20段(段间隔25-310ms),通过控制相邻炮孔的起爆时差实现微差爆破减震25–310ms电子雷管延时精度±1ms,可逐孔设定任意延时间隔,实现精细化爆破控制,正逐步替代传统雷管±1ms起爆网路常用串并联结构,串联保证电流一致性,并联降低总电阻,复式网路用于重要工程复式网路导爆管起爆系统为非电系统,抗杂散电流和雷电干扰能力强,适用于电磁环境复杂的隧道施工非电系统工程爆破用电子雷管产品实物BLASTINGSAFETY·GB6722-2014爆破作业分级与安全规范依据《爆破安全规程》GB6722-2014,爆破作业按规模和风险分为A/B/C三级,A级需专项设计审批。安全管理涵盖警戒设置、信号制度、安全距离计算和爆后检查全流程,严格执行"三次信号"制度和不少于15分钟的爆后等待时间是保障人员安全的关键制度。A级爆破:城市密集区或重要设施附近,甲级资质设计,省级专家组审批安全距离:分别计算飞石、冲击波、地震波半径,取三者最大值三次信号:预警清场→起爆确认安全→解除信号确认爆后安全爆后等待:地面≥15分钟、地下≥30分钟,确认无盲炮方可进入隧道施工现场安全警戒设施与标志隧道爆破施工安全爆破后通风与除尘技术隧道爆破后产生大量CO、NOx等有害气体和高浓度粉尘,必须在人员进入前充分通风排尘。通风方式包括压入式、抽出式和混合式,选型取决于隧道长度和瓦斯条件。规范要求CO浓度降至30ppm以下、NOx降至5ppm以下方可允许人员进入作业面。隧道施工中的通风管道与风机设备压入式通风将新鲜空气通过风管压入工作面,排烟速度快,适用于长度1km以内的隧道施工混合式通风采用压入+抽出双系统配合,适用于长距离隧道,排烟效率比单一方式提高40%以上湿式除尘通过在爆堆和装渣点喷雾降尘,可使粉尘浓度降低70%-85%,是隧道施工的标准配置便携式四合一气体检测仪实时监测CO、NOx、O₂和可燃气体浓度,超标时自动报警并联动通风系统CHAPTER02爆破设计原则与参数从炮孔布置到起爆时序,系统掌握隧道爆破设计的核心方法论PRINCIPLESOFBLASTINGDESIGN爆破设计基本原则隧道爆破设计遵循安全优先、经济合理、围岩保护和环境友好四大原则。设计过程需综合考虑地质条件、断面尺寸、支护方式和周边环境,通过'方案制定→参数计算→现场试验→反馈优化'的迭代流程,实现破碎效果、施工效率和安全控制的最优平衡。01安全优先原则:所有参数设计必须满足GB6722-2014安全规程,振动速度、飞石距离和有害气体浓度均需在限值内GB6722-201402围岩保护原则:采用光面爆破或预裂爆破控制轮廓成型,减少超挖量和围岩扰动深度,保护围岩自承能力光面/预裂爆破03经济合理原则:优化炸药单耗(一般0.8–2.5kg/m³),在保证破碎效果的前提下降低材料成本和钻孔工程量0.8–2.5kg/m³04动态优化原则:结合现场试爆数据和地质变化,持续调整爆破参数,实现设计与施工条件的精准匹配试爆反馈优化工程师在隧道施工现场进行爆破参数设计与校核BlastingDesign炮孔类型与布置原则隧道断面炮孔按功能分为掏槽眼、辅助眼和周边眼三类。掏槽眼在断面中央首先起爆创造自由面,辅助眼大量崩落岩石,周边眼沿设计轮廓线控制成型。三类炮孔按"掏槽→辅助→周边"顺序通过毫秒延期雷管实现时序控制,形成由内向外的逐层破碎。隧道掌子面炮孔布置与钻孔施工01掏槽眼:布置在断面中下部,装药集中度最高(0.5–0.8kg/m),首先起爆创造辅助自由面02辅助眼(崩落眼):间距0.6–1.2m,承担主要岩石崩落任务,炸药消耗量占总量50%–70%03周边眼:沿设计轮廓线布置,间距0.3–0.6m,采用不耦合装药实现光面爆破,控制超欠挖04外插角控制:周边眼外插角一般3°–5°,孔底落在设计轮廓线上或略向外,确保开挖断面不欠挖BlastingParameters关键爆破参数计算方法爆破参数设计以炸药单耗q为核心,综合考虑孔距a、排距b、炮孔深度L和单孔装药量Q。炸药单耗受岩石硬度(f值)、断面尺寸和炸药性能影响,中硬岩石一般为1.2-1.8kg/m³。各参数之间存在耦合关系,需通过现场试爆逐步优化至最佳值。01炸药单耗q通过修正普氏公式q=k·(f/S)0.5估算,其中f为岩石坚固性系数,S为断面面积,k为修正系数02辅助眼孔距a取最小抵抗线W的0.8-1.2倍,排距b取孔距的0.8-1.0倍,密集系数m=a/b控制在1.0-1.303炮孔深度L一般取断面宽度的0.5-0.7倍,深孔爆破时L>3.5m,需配套高效钻孔设备04单孔装药量Q=q·a·b·L(辅助眼),掏槽眼装药集中度比辅助眼高20%-40%以克服单一临空面限制不同岩石硬度下的炸药单耗参考值岩石硬度越大,炸药单耗越高,呈近似线性增长关系CHARGESTRUCTUREDESIGN装药结构设计与选型装药结构决定爆炸能量在岩体中的传递效率和分布特征。连续耦合装药能量传递效率最高但孔壁压力大,连续不耦合装药通过空气间隙降低峰值压力适用于光面爆破,间隔装药使能量分布更均匀减少大块率,底部加强装药克服深孔底部夹制作用。隧道爆破装药作业现场SECTION01常用装药结构类型连续耦合装药:炸药直径等于炮孔直径,爆压直接作用于孔壁,适用于掏槽眼和坚硬岩石爆破连续不耦合装药:不耦合系数1.5–2.5,空气间隙缓冲爆压,是光面爆破周边眼的标准结构间隔装药:炸药分段间隔布置,能量沿孔长均匀分布,可减少大块率15%–25%SECTION02装药结构选型依据掏槽眼采用连续耦合装药或底部加强装药,最大化装药集中度以创造自由面周边眼采用不耦合装药或空气柱间隔装药,降低孔壁压力保护围岩轮廓完整性深孔爆破(L>3.5m)时宜采用间隔装药或底部加强装药,克服底部岩石夹制作用TunnelBlasting·Lecture20起爆网路与时序设计微差爆破通过毫秒级延时实现炮孔按序起爆,使各段地震波在时间上错开避免峰值叠加,振动速度可降低40%-70%。01起爆顺序遵循"由内向外、逐层扩展"原则:掏槽眼→扩槽眼→辅助眼→二圈眼→周边眼依次起爆02相邻段延时间隔50-100ms,过短(<25ms)前段未形成自由面,过长(>200ms)则失去微差减震效果03微差爆破可使振动峰值速度降低40%-70%,是城市近接隧道施工的核心减震技术04电子雷管支持逐孔编程延时,精确到1ms的个性化时序控制,显著优于传统段位雷管工程爆破用电子起爆器与起爆系统设备实拍PREDICTION&OPTIMIZATION爆破效果预测与参数优化爆破效果预测采用数值模拟、经验公式和现场试验三种手段相互验证。萨道夫斯基公式V=K(Q^(1/3)/R)^α是振动速度预测的经典方法,数值模拟可预测破碎范围和应力分布。现场试爆是最可靠的验证手段,需在施工前和地质条件变化时实施。爆破振动监测仪器现场实测场景01萨道夫斯基公式:V=K(Q^(1/3)/R)^α预测振动速度,K值取50–350、α取1.5–2.0,需通过实测回归确定02数值模拟:LS-DYNA等软件可模拟爆轰波传播和岩石破碎过程,优化炮孔布置和装药结构方案03现场试爆:在正式施工前实施,实测振动速度、破碎块度和超欠挖量,据此修正设计参数04地质变化响应:断层破碎带、岩性突变等条件变化时必须重新试爆,避免套用原有参数导致安全事故CHAPTER03隧道施工爆破流程从地质勘探到爆后处理,完整拆解隧道钻爆法施工六大工序PreparationPhase施工前准备:地质勘探与方案设计爆破施工前的准备工作包括超前地质预报、爆破方案编制和设备材料检验三大核心任务。超前地质预报(TSP、地质雷达等)探明掌子面前方30-100m范围内的地质条件,为爆破设计提供岩性、断层和涌水等关键输入,是确保施工安全和爆破效果的前提。隧道内超前地质预报TSP探测设备工作场景施工前准备分为地质勘探与方案设计两大板块,共四项关键任务。01TSP地震波法:可探测掌子面前方100–150m范围内的断层破碎带和岩性分界面,预报精度较高02地质雷达:适用于短距离(30m以内)精细探测,对含水构造和溶洞的识别能力优于地震波法03爆破说明书:须包含炮孔布置图、装药参数表、起爆网路图和安全措施,经技术负责人审批后执行04钻孔设备:凿岩台车精度±5cm,手持风钻适用于小型断面或台车无法到达区域,两者常配合使用DrillingOperation钻孔作业技术与质量控制钻孔占循环时间40%-50%,精度可达±5cm,位置、角度和深度偏差是三大关键指标。01测量放样使用全站仪或激光指向仪在掌子面标定每个炮孔位置和方向,是钻孔精度的第一道保障。02凿岩台车效率为手持风钻的3-5倍,设备成本高,适用于断面>15m²的中大型隧道。03掏槽眼平行度偏差控制在±1°以内,孔底偏差不超过10cm,否则掏槽效果将显著降低。04钻孔完成后用高压风(0.5-0.7MPa)清孔,清除岩粉和积水,确保后续装药顺利。隧道内凿岩台车钻孔作业施工现场OPERATIONSTANDARD装药与堵塞作业规范装药与堵塞是爆破施工中危险性最高且对效果影响最大的工序,堵塞质量差可导致能量利用率降低30%-50%。隧道爆破装药与炮泥堵塞施工现场01装药前核对每个炮孔的深度和装药量,用木质炮棍推送药卷,严禁使用金属器具撞击或挤压炸药02雷管放置在距孔口最近的药卷中,聚能穴朝向孔底,确保爆轰波向岩石方向传播以最大化破碎效果03炮泥堵塞长度不小于最小抵抗线W,一般为孔深的20%-30%,采用黏土与砂按1:3比例混合04不耦合装药时确保药卷居中固定,可用竹片或塑料定位支架保持空气间隙均匀DetonationProtocol起爆作业流程与安全程序起爆作业须严格执行"清场→警戒→网路检测→起爆→等待→检查"六步安全程序。起爆前网路总电阻实测值与设计值偏差不得超过5%,起爆后地下工程等待不少于30分钟,由专业人员确认无盲炮和冒顶危险后方可解除警戒进入作业面。起爆前安全程序01清场与警戒设置清场确认所有人员设备撤离至安全距离外,各通道设置警戒哨并悬挂红色警戒标志安全距离起爆前安全程序02网路电阻检测网路检测测量总电阻值,实测值与设计值偏差>5%时须排查原因,排除故障后方可起爆偏差≤5%起爆后处理程序03通风与有害气体管控起爆后立即启动通风系统,地下工程等待不少于30分钟,确保有害气体浓度降至安全限值以下30分钟起爆后处理程序04双人进场安全排查爆破员和安全员双人进入检查,重点排查盲炮、危石和围岩变形,确认安全后解除警戒盲炮排查BLASTINGVENTILATION&SAFETY爆后通风排烟与安全进入爆后通风排烟是人员安全进入的必要条件,通风约需20–40分钟,CO≤30ppm、O₂≥19.5%方可进入。隧道爆破后炮烟弥漫,通风排烟是进入作业面的前置条件01T=0.36·Q·L/(S·V),Q炸药量、L通风距离、S断面面积、V风量20–40min02爆堆喷雾洒水降尘并湿润残留炸药,防止装渣二次爆炸降尘≥70%03持续佩戴便携式气体检测仪,CO>30ppm或O₂<19.5%时立即撤离O₂≥19.5%04长距离独头掘进采用接力或风仓式通风,确保工作面风速达标v≥0.15m/sBLASTINGSAFETY爆后检查与出渣作业爆后检查涵盖盲炮排查、围岩稳定评估和超欠挖测量三项核心内容。出渣效率与岩石破碎块度密切相关,理想块度为20-50cm。盲炮处理:严禁打残眼,须在距盲炮孔30cm处打平行孔装药诱爆,或由专业人员用水冲洗取出炸药围岩检查:重点观察拱顶和帮壁有无松动岩块,必要时先找顶处理再允许人员和设备进入超欠挖量:通过激光断面仪或全站仪扫描测量,超挖>15cm需分析原因调整下一循环爆破参数出渣作业:侧卸式装载机配合自卸车,理想块度20-50cm,大块率>15%需增加辅助眼装药量隧道内装载机配合自卸车进行出渣作业CHAPTER04关键爆破技术掏槽爆破、光面爆破、预裂爆破与微差爆破的核心技术解析TunnelBlasting掏槽爆破技术掏槽爆破是隧道爆破的核心技术,其目的是在单一临空面条件下首先创造辅助自由面。掏槽效果直接决定循环进尺。隧道掌子面·楔形掏槽炮孔布置实景斜眼掏槽·楔形掏槽两排对称倾斜炮孔夹角60°-75°,适用于f<8的中硬岩石,孔深受断面宽度限制斜眼掏槽·锥形掏槽3-5个炮孔向中心聚拢成锥形,适用于坚硬岩石,掏槽深度可达2-3m直眼掏槽·桶形掏槽多个平行炮孔围绕空孔布置,空孔提供补偿空间,适用于大断面深孔爆破直眼掏槽·螺旋掏槽炮孔呈螺旋形排列围绕中心空孔,逐圈向外扩展,掏槽效率高于桶形15%-20%SMOOTHBLASTING光面爆破技术光面爆破通过在设计轮廓线上布置密间距周边眼、采用不耦合装药同时起爆,使相邻炮孔间形成贯通裂隙面,实现沿设计轮廓整齐切断岩石。核心参数为孔距E、抵抗线W和不耦合系数K,效果以半孔率评价。01周边眼间距E取孔径的10–15倍(30–60cm),密集系数m=E/W控制在0.8–1.0,确保孔间裂隙贯通E=30–60cm02不耦合系数K=1.5–2.5时孔壁峰值压力降至抗压强度以下、抗拉强度以上,实现拉伸断裂而非粉碎K=1.5–2.503周边眼采用导爆索或同段雷管同时起爆,确保各孔爆轰波同步到达孔间区域形成叠加拉伸应力SimultaneousDetonation04半孔率是光面爆破质量核心指标:硬岩≥80%、中硬岩≥60%、软岩≥50%,超挖控制在10cm以内硬岩半孔率≥80%隧道光面爆破后壁面炮孔痕迹(半孔)实拍TUNNELBLASTING·03预裂爆破技术预裂爆破在主爆区起爆前先行起爆轮廓线上的密间距预裂孔,预先形成贯通裂缝作为"隔震带",反射和衰减后续主爆区的应力波以保护围岩。01预裂孔最先起爆,在设计轮廓面上预先形成0.5–2cm宽的贯通裂缝02预裂孔间距取孔径的8–12倍(20–40cm),比光面爆破更密,确保裂缝面平整连续03线装药密度0.1–0.3kg/m,采用专用小直径药卷(φ15–25mm)和导爆索串联实现均匀装药04预裂缝可使主爆区应力波衰减50%–70%,有效保护围岩完整性,适用于近接既有隧道施工隧道预裂爆破后形成的预裂裂缝面实拍效果SECTION02·DELAYBLASTING微差爆破技术微差爆破通过毫秒级延时间隔实现炮孔分批起爆,使各段地震波峰值在时间上错开避免叠加,振动速度降低40%-70%。减震机理与效果波形错峰:各段地震波峰值在时间上错开不叠加,实测振动速度比齐发爆破降低40%-70%,显著减少对周边建构筑物的影响自由面效应:先爆炮孔创造附加自由面,后爆炮孔最小抵抗线方向改变,岩石破碎更充分、块度更均匀,提高爆破效率延时间隔设计最优间隔:50-100ms,与岩石性质和最小抵抗线有关,软岩取下限、硬岩取上限,需通过现场试验确定孔间vs排间:孔间微差(同排相邻孔间设延时)比排间微差减震效果更好,但网路设计更复杂,需权衡施工效率特殊工况应对特殊地质条件下的爆破策略断层破碎带采用'短进尺、弱爆破'策略(进尺0.5-1.5m、单耗降低30%-50%),必要时改机械开挖。富水区必须使用抗水乳化炸药并做好排水。浅埋段和近接建筑物施工以振动控制为首要目标,最大段装药量通过萨道夫斯基公式反算确定。01断层破碎带围岩自稳能力差,采用短进尺(0.5-1.5m)弱爆破,炸药单耗较正常段降低30%-50%02富水区必须使用乳化炸药等抗水产品,钻孔后及时装药起爆,防止涌水导致炮孔坍塌或炸药失效03浅埋段(覆盖层<2倍洞径)爆破振动易传至地表,最大段装药量由V=K(Q1/3/R)α反算控制04近接既有隧道或建筑物时,振动速度限值通常为5-10cm/s,需采用电子雷管逐孔精确延时控制隧道断层破碎带围岩支护施工实拍CHAPTER05爆破安全控制振动控制、飞石防护、有害气体防治与安全管理体系VIBRATIONCONTROL爆破振动控制技术爆破振动以质点振动速度V衡量,国家标准对一般民房限值为2-3cm/s、钢筋混凝土结构为5-10cm/s。控制振动的核心措施包括控制最大段装药量、增加起爆段数、采用微差爆破和设置预裂隔震带。01振动预测与限值萨道夫斯基公式V=K(Q^(1/3)/R)^α中,K取50-350、α取1.5-2.0,需通过不少于5次实测回归确定GB6722-2014规定:一般砖混民房V≤2-3cm/s,钢筋混凝土结构V≤5-10cm/s,古建筑V≤0.1-0.5cm/s02振动控制措施控制最大段装药量Q是最直接有效的减震手段,由V限值反算Q最大值,严格限制单段起爆药量预裂爆破形成的隔震缝可使透射振动衰减50%-70%,是近接施工最有效的被动减震措施爆破振动监测传感器安装实景·建筑物保护监测SAFETYPROTOCOL飞石与冲击波防护飞石产生主要源于堵塞不足、裂隙发育和装药过量三大因素。控制飞石的核心措施是确保堵塞长度≥最小抵抗线、裂隙区减量和设置防护屏障。地下隧道飞石安全距离≥200m,空气冲击波在堵塞质量良好时通常在安全距离外已衰减至无害水平。01飞石三大原因:堵塞长度不足导致"放空炮"、地质裂隙使气体沿弱面逸出、装药过量超出设计抛掷距离3大成因02堵塞长度不小于最小抵抗线W且不小于孔深的20%,是防止飞石的最基本要求≥20%孔深03地质裂隙发育区域须减少装药量15%-30%并加强堵塞,防止气体沿裂隙面抛射大块岩石15–30%减量04地下隧道飞石安全距离≥200m,露天爆破≥300m,复杂环境须设置沙袋墙或橡胶防护帘≥200m爆破施工现场安全防护设施·沙袋墙与防护屏障PREVENTION&CONTROL有害气体与粉尘防治爆破产生的CO和NOx来源于炸药不完全反应,CO与血红蛋白亲和力是O₂的200倍,极易中毒。粉尘中的游离SiO₂长期吸入导致矽肺病。防治核心措施包括选用氧平衡好的炸药、充分通风排尘、湿式作业降尘和个人防护装备配备。隧道施工现场·粉尘防护作业有害气体浓度限值:CO允许浓度≤30ppm(24mg/m³),NOx≤5ppm(10mg/m³),超标时须延长通风时间炸药选用策略:选用氧平衡好的乳化炸药可减少有害气体生成量30%-50%,避免使用过期或受潮变质炸药湿式凿岩作业:湿式凿岩可降低粉尘浓度80%-90%,是隧道钻孔作业的强制性要求,严禁干式凿岩喷雾降尘系统:装渣点和运输通道设置喷雾降尘系统,配合通风使粉尘浓度控制在2mg/m³以下SAFETYMANAGEMENT爆破安全管理制度爆破作业实行特种作业许可制度,涉爆人员须持证上岗,器材执行双人双锁管理,每次爆破须建立完整档案并制定应急预案。隧道施工安全培训现场实拍01人员持证上岗:爆破员、安全员、保管员须持《爆破作业人员许可证》上岗,证件有效期3年,到期须重新培训考核02器材分管分运:爆破器材执行'双人双锁'管理,炸药与雷管分开储存(间距≥25m)、分开运输,严禁混装混运03作业记录存档:每次爆破填写《爆破作业记录表》,记录装药量、起爆参数、振动监测数据和爆后检查结果存档备查04应急预案演练:覆盖盲炮处理、塌方、涌水突泥和人员伤亡等事故类型,每季度至少组织一次实战演练CHAPTER06工程案例与新技术典型工程案例复盘与智能化爆破技术前沿展望CASESTUDY典型工程案例分析城市地铁近接爆破案例通过电子雷管逐孔延时+40段分段+最大段装药量≤3kg的精细化方案,实测振动仅0.8cm/s,远低于1.
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