區(qū)間隧道下穿大型建筑物孔內(nèi)外微差減震弱爆破施工技術(shù)

楊昆鵬，張海波，楊 兵

(中國(guó)建筑土木建設(shè)有限公司軌道交通分公司，南京 210014)

0 引言

隨著城市建設(shè)的不斷發(fā)展，中心城區(qū)的建筑密度越來(lái)越大，在修建地鐵隧道時(shí)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)隧道近距離下穿大型建筑物的情況。在傳統(tǒng)的光面爆破網(wǎng)絡(luò)中，通常采用分層剝離的爆破方法，每一層的所有炮孔采用同一段位，相同段位的雷管同時(shí)起爆。這樣勢(shì)必造成爆破震動(dòng)的疊加效應(yīng)，對(duì)相鄰建筑物造成破壞性影響。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在爆破震動(dòng)對(duì)建筑物的影響以及如何降低爆破振速等方面做了大量的研究與試驗(yàn)工作。文獻(xiàn)［1－2］主要對(duì)爆破參數(shù)選擇、炸藥單耗、裝藥結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行了深入探討;文獻(xiàn)［3－6］從優(yōu)化開(kāi)挖步序、調(diào)整掏槽方式等方面入手，結(jié)合毫秒微差爆破技術(shù)，以達(dá)到降低爆破振速，保證相鄰建筑物安全的目的;文獻(xiàn)［7－8］對(duì)爆破振速監(jiān)測(cè)以及地震波的疊加效應(yīng)進(jìn)行了細(xì)致分析。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，對(duì)爆破網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了合理優(yōu)化，聯(lián)線方式采用分組串聯(lián)法，組內(nèi)3～5個(gè)不同段位的導(dǎo)爆管雷管并聯(lián)，各組之間采用MS－2段導(dǎo)爆管雷管孔外串聯(lián)，利用導(dǎo)爆管雷管的孔內(nèi)及孔外微差特性，將各孔起爆時(shí)間有效錯(cuò)開(kāi)，以期避免爆破振速的疊加，降低爆破振動(dòng)，保證建筑物的結(jié)構(gòu)安全。

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

大連地鐵一號(hào)線102標(biāo)段位于大連市的中心地段，勝利廣場(chǎng)站—友好街站區(qū)間隧道長(zhǎng)約550 m，下穿一處長(zhǎng)約370 m的勝利地下購(gòu)物長(zhǎng)廊。長(zhǎng)廊為地下一層，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，平板式樁筏基礎(chǔ)。區(qū)間隧道從其下方穿過(guò)，拱頂距離樁底僅4.5 m，距離筏板底僅約9.5 m，本區(qū)段的重大風(fēng)險(xiǎn)源如圖1所示。

圖1 勝友區(qū)間下穿勝利地下購(gòu)物長(zhǎng)廊立面關(guān)系圖(單位:mm)Fig.1 Relationship between Shengli Square station-Youhao Street station running tunnel and Shengli underground shopping corridor(mm)

1.2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)

本區(qū)段地貌為坡殘積臺(tái)地，表覆第四系全新統(tǒng)素填土層，其下為第四系全新統(tǒng)坡洪積粉質(zhì)黏土、碎石土，下伏震旦系五行山群長(zhǎng)嶺子組全－中等風(fēng)化板巖，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較破碎。中風(fēng)化板巖為Ⅳ級(jí)圍巖，巖石承載力約500 kPa;全－強(qiáng)風(fēng)化板巖為V級(jí)圍巖，巖石承載力約150 kPa。

地下水位埋深約8 m，隧道施工過(guò)程中主要為孔隙水及基巖裂隙水，略具承壓性。

2 控制爆破基本原則

爆破材料采用非電毫秒微差導(dǎo)爆管雷管、2#巖石乳化炸藥，雷管段位從MS－1至MS－16段全部配備。施工過(guò)程中遵循“短進(jìn)尺、多打眼、少裝藥、弱爆破”的設(shè)計(jì)原則，嚴(yán)格控制單段最大裝藥量。

本工程采用分組串聯(lián)法，將3～5個(gè)雷管作為一組，掌子面左側(cè)采用雙號(hào)段，從6段開(kāi)始，6，8，10…;右側(cè)采用單號(hào)段，從5段開(kāi)始，5，7，9…。然后在孔外將每組之間用2段雷管串聯(lián)起來(lái)，最后接引爆器起爆，在孔外及孔內(nèi)分別實(shí)現(xiàn)導(dǎo)爆管雷管的微差起爆。根據(jù)各雷管的起爆時(shí)間統(tǒng)計(jì)，基本可以實(shí)現(xiàn)一孔一響。

雖然按上述方法統(tǒng)計(jì)的單段雷管炸藥量超過(guò)了理論計(jì)算量，但由于同段雷管不在同一組內(nèi)，所以同段雷管不會(huì)同時(shí)起爆。第1組引爆后，通過(guò)2段雷管傳遞到下一組，間隔25 ms后第2組被引爆。由于2段雷管引爆時(shí)間為25 ms，5段雷管引爆時(shí)間為110 ms，6段雷管引爆時(shí)間為150 ms，在第1組起爆前，2段管已經(jīng)將爆能引入下一組，所以不會(huì)存在將相鄰導(dǎo)爆管炸斷造成啞炮的危險(xiǎn)。

3 爆破方案設(shè)計(jì)

3.1 掏槽方式

上臺(tái)階開(kāi)挖斷面尺寸為6.2 m×3.1 m(寬×高)，由于斷面尺寸較小，掏槽眼采用四孔楔形掏槽形式，孔口間距1.8 m，孔底距離0.5 m，掏槽眼傾角約 65°，掏槽眼采用1，2，3，4段連續(xù)使用，每孔單獨(dú)使用一個(gè)段位，掏槽眼裝藥600 g，如圖2所示。

圖2 掏槽眼示意圖(單位:mm)Fig.2 Sketch of cut hole(mm)

3.2 單段最大裝藥量理論值計(jì)算

式中:Q為最大單段允許裝藥量，kg;v為質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度，cm/s;R為自起爆原點(diǎn)中心到被保護(hù)物或觀測(cè)點(diǎn)的距離，m;K為與爆破技術(shù)、地震波傳播途徑介質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)的系數(shù);α為爆破振動(dòng)衰減指數(shù)。

根據(jù)大連地鐵102標(biāo)段的地質(zhì)情況和下穿建筑物的結(jié)構(gòu)形式，并結(jié)合周邊環(huán)境的特點(diǎn)，各參數(shù)取值如下:v取2.0 cm/s;R取9.5 m;K 值根據(jù)表1，取250;α 取 2.0。將各值代入 Q=R3(v/K)3/α=9.53×(2.0/250)3/2.0=0.61 kg。

根據(jù)上式計(jì)算的結(jié)果顯然無(wú)法應(yīng)用于實(shí)際施工，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)摸索與試驗(yàn)，對(duì)雷管連接方式進(jìn)行了創(chuàng)新，相同段位的雷管布置在不同的組內(nèi)，控制其在不同時(shí)間段引爆，從而降低了單段雷管的一次起爆藥量，有效降低了爆破振速。

3.3 裝藥及連線

周邊眼采用空氣間隔不耦合裝藥，將藥包固定在竹片上，通過(guò)導(dǎo)爆索連接;輔助眼及掏槽眼采用孔底裝藥，反向起爆。裝藥結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 裝藥結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of explosive charging

起爆順序?yàn)?先爆掏槽眼，然后輔助眼，最后為周邊眼。使用電工膠布按爆破網(wǎng)絡(luò)圖將同組導(dǎo)爆管連接在一起，并與下一組的2段導(dǎo)爆管串聯(lián)在一起，從而將爆轟波傳遞下去。

3.4 爆破參數(shù)選擇

見(jiàn)圖4和表1。

圖4 上臺(tái)階炮眼布置及爆破網(wǎng)絡(luò)圖(單位:mm)Fig.4 Layout of blasting holes and ignition circuit of top heading(mm)

3.5 起爆順序分析

根據(jù)各段別導(dǎo)爆管的起爆秒量(ms)，結(jié)合孔外串聯(lián)的2段雷管調(diào)節(jié)，上臺(tái)階的各孔起爆秒量如圖5所示。將各孔的起爆時(shí)間按順序生成曲線，如圖6所示。從圖5及圖6中可以看出，每個(gè)炮孔的起爆時(shí)間基本都不相同，各孔按起爆順序連續(xù)分別起爆，有效控制了同時(shí)起爆的炸藥量，從理論上大大降低了爆破振速的影響。

4 爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)

為嚴(yán)格控制爆破振速，確保爆破過(guò)程中的建(構(gòu))筑物安全，在通過(guò)重大風(fēng)險(xiǎn)源期間，每一循環(huán)均需要進(jìn)行爆破振速測(cè)試。根據(jù)振速結(jié)果及時(shí)調(diào)整爆破參數(shù)，將振速值控制在2.0 cm/s以內(nèi)。振動(dòng)監(jiān)測(cè)采用TC－4850爆破振速儀進(jìn)行，振速儀分3通道，x，y，z 3個(gè)方向，然后合并為合速度。

表1 上臺(tái)階爆破參數(shù)表Table 1 Blasting parameters of top heading

爆破監(jiān)測(cè)時(shí)，將振速儀放置在地下商場(chǎng)的地面上，并盡量靠近掌子面的正上方。圖7為一組爆破監(jiān)測(cè)的典型波形圖，掌子面里程為DK6+523.5，監(jiān)測(cè)點(diǎn)基本位于爆源點(diǎn)正上方，垂直距離9.5 m。

根據(jù)某3個(gè)月內(nèi)的爆破振速監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，振速值控制在1.5 cm/s以內(nèi)的占75%以上，在1.5 ～1.8 cm/s的占15%左右，超過(guò) 1.8 cm/s的不足10%，基本達(dá)到了將爆破振速值控制在2.0 cm/s以內(nèi)的目標(biāo)。

在爆破時(shí)，分別組織了不同的人員在監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置感受爆破振動(dòng)對(duì)行人及地下商場(chǎng)結(jié)構(gòu)的影響。商場(chǎng)內(nèi)有輕微聲響，行人基本無(wú)驚嚇等異常。通過(guò)近3個(gè)月的連續(xù)監(jiān)測(cè)及觀察，爆破施工對(duì)地下商場(chǎng)結(jié)構(gòu)及行人均未造成不良后果，施工安全可控。

5 結(jié)論與建議

1)本施工技術(shù)將非電導(dǎo)爆管雷管的孔內(nèi)微差與孔外微差有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，有效降低了同時(shí)起爆的單段最大裝藥量，控制了爆破振速。

2)孔內(nèi)采用段位較大的導(dǎo)爆管雷管，孔外采用低段位導(dǎo)爆管雷管，可有效避免后起爆的導(dǎo)爆管雷管被炸斷的風(fēng)險(xiǎn)。

3)根據(jù)爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)圖譜顯示，爆破產(chǎn)生的振動(dòng)分布較均勻，圖譜基本呈矩形狀，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的振動(dòng)峰值突變，與起爆順序曲線基本相吻合。

4)爆破完成后，根據(jù)爆破監(jiān)測(cè)圖譜的各組峰值大小情況，可對(duì)振速值過(guò)大的分組進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，減少組內(nèi)炮孔數(shù)或單孔炸藥用量，以降低此組的振速值，做到信息化施工。

5)雖然理論上導(dǎo)爆管雷管可以避免被炸斷，爆破網(wǎng)絡(luò)可以有效傳遞。但由于操作工人水平存在差異，先爆破產(chǎn)生的飛石飛行方向的不確定性，以及對(duì)外露的導(dǎo)爆管線路沒(méi)有進(jìn)行有效保護(hù)等因素，偶爾會(huì)出現(xiàn)部分網(wǎng)絡(luò)未起爆，造成瞎炮的情況，需要在施工過(guò)程中繼續(xù)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，不斷優(yōu)化爆破網(wǎng)絡(luò)及連線方式。

［1］ 郝飛.對(duì)硐室爆破設(shè)計(jì)中一些問(wèn)題的探討［J］.隧道建設(shè)，2007，27(3):21 －23.(HAO Fei.Discussion on some problems in chamber blasting design［J］.Tunnel Construction，2007，27(3):21 －23.(in Chinese))

［2］ 吳亮，朱紅兵，盧文波.空氣間隔裝藥爆破研究現(xiàn)狀與探討［J］.工程爆破，2009(1):16 － 19.(WU Liang，ZHU Hongbing，LU Wenbo.An overview and discussion of the study on air-decking blasting［J］.Engineering Blasting，2009(1):16 －19.(in Chinese))

［3］ 張俊兵，鄭保才，于海濤，等.淺埋大跨隧道穿越樓群控制爆破及監(jiān)測(cè)分析［J］.鐵道工程學(xué)報(bào)，2011(7):78－82.(ZHANG Junbing，ZHENG Baocai，YU Haitao，et al.Blasting control technology for shallow large span tunnel underpassing buildings and monitoring analysis of blasting［J］.Journal of Railway Engineering Society，2011(7):78 － 82.(in Chinese))

［4］ 孫西濛，高文學(xué)，李志星，等.淺埋偏壓隧道開(kāi)挖爆破振動(dòng)與控制技術(shù)［J］.施工技術(shù)，2011(3):51 －53.(SUN Ximeng，GAO Wenxue，LI Zhixing，et al.Excavation blasting vibration and control technology of shallow tunnel under unsymmetrical pressure［J］.Construction Technology，2011(3):51 －53.(in Chinese))

［5］ 張平鎖.大帽山隧道微震爆破控制技術(shù)［J］.鐵道建筑技術(shù)，2010(8):98 －103.(ZHANG Pingsuo.Slight vibration controlled blasting technique for Damaoshan tunnel［J］.Railway Construction Technology，2010(8):98 －103.(in Chinese))

［6］ 張友勇.隧道淺埋地段控制爆破技術(shù)［J］.隧道建設(shè)，2004，24(2):58 －60.

［7］ 郭學(xué)彬，張繼春，劉泉，等.微差爆破的波形疊加作用分析［J］.爆破，2006(2):4 － 8.(GUO Xuebin，ZHANG Jichun，LIU Quan，et al.Analysis of waveform superimposed action of millisecond blasting［J］.Blasting，2006(2):4 － 8.(in Chinese))

［8］ 余超，梁波，歐陽(yáng)天烽.特大斷面隧道爆破開(kāi)挖對(duì)既有隧道振動(dòng)影響分析［J］.隧道建設(shè)，2010，30(2):151 －156.(YU Chao，LIANG Bo，OUYANG Tianfeng.Analysis on vibration influence on existing tunnel imposed by blasting excavation of extra-large cross-section tunnel［J］.Tunnel Construction，2010，30(2):151 －156.(in Chinese))