城市地鐵風(fēng)井金屬膨脹劑開(kāi)挖和爆破開(kāi)挖技術(shù)對(duì)比

李 琳，王海亮，周 宜，張祖遠(yuǎn)

(山東科技大學(xué)礦山災(zāi)害預(yù)防控制省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，山東 青島 266590)

0 引言

為了緩解日益增加的交通壓力，全國(guó)各大城市都已經(jīng)開(kāi)始建設(shè)和運(yùn)營(yíng)地鐵，至2015年，全國(guó)地鐵運(yùn)營(yíng)總里程將達(dá)3 000 km，而至2020年，將有40個(gè)城市建設(shè)地鐵，總規(guī)劃里程達(dá)7 000 km［1］。城市地鐵風(fēng)井施工面臨的一個(gè)重要問(wèn)題就是對(duì)城市地鐵周邊建筑物及市政建設(shè)管道和線(xiàn)纜等的影響。馬長(zhǎng)濤［2］介紹了爆破施工的方式、布孔方式、爆破參數(shù)、裝藥和填塞、起爆方式、起爆網(wǎng)設(shè)計(jì)和爆破的安全防護(hù)等。王亞峰［3］針對(duì)在城市復(fù)雜環(huán)境條件下，無(wú)法采用爆破方式進(jìn)行通風(fēng)豎井施工的情況，以重慶軌道交通六號(hào)線(xiàn)一期工程豎井及橫通道施工過(guò)程為例，介紹了非爆破施工的方法。沈捷［4］探討了地鐵區(qū)間隧道組合豎井的設(shè)計(jì)方案，通過(guò)對(duì)組合豎井和傳統(tǒng)單豎井方案的比較，指出組合豎井方案可以減少豎井工程數(shù)量、縮短建井周期、降低建井成本和提高經(jīng)濟(jì)效益?？梢钥闯?，國(guó)內(nèi)對(duì)豎井開(kāi)挖的爆破施工工藝和施工方法介紹的較多，但對(duì)一個(gè)風(fēng)井開(kāi)挖工程采用多個(gè)施工方法的介紹較少，并且沒(méi)有金屬膨脹劑施工的相關(guān)研究。本文以青島地鐵2號(hào)線(xiàn)一期工程延安路站1號(hào)風(fēng)井為例，對(duì)采用的機(jī)械開(kāi)挖、金屬膨脹劑開(kāi)挖和爆破開(kāi)挖這3種開(kāi)挖方式進(jìn)行分析。

1 工程概況

延安路站1號(hào)風(fēng)井位于貴和福利廠(chǎng)南側(cè)小公園內(nèi)，該地塊與延安三路高差為4～7 m。風(fēng)井開(kāi)挖跨度17.9 m，寬 7.9 m，深 29.291 m，采用明挖法施工。1號(hào)風(fēng)井南側(cè)為延安三路172號(hào)居民樓，距離1號(hào)風(fēng)井開(kāi)挖邊線(xiàn)5.8 m，該樓建造于20世紀(jì)70年代，為7層磚混結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)為毛石條形基礎(chǔ)，基礎(chǔ)深度1.5 m;據(jù)青島建學(xué)建筑工程司法鑒定，該樓為整棟危樓，爆破振動(dòng)安全允許標(biāo)準(zhǔn)為0.5 cm/s［5］。振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)A布設(shè)在延安路站172號(hào)居民樓一樓樓房基礎(chǔ)位置，處于1號(hào)風(fēng)井的垂直平分線(xiàn)與172號(hào)居民樓的交界處。延安路站平面布置和振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)如圖1所示。

圖1 延安路站1號(hào)風(fēng)井平面布置圖(單位:m)Fig.1 Plan layout of No.1 ventilation shaft of Yan’an Road Metro Station(m)

1號(hào)風(fēng)井風(fēng)道正上方有一條2 m×2 m的漿砌片石雨水暗渠，因無(wú)遷改路徑，施工前在風(fēng)井范圍內(nèi)將雨水暗渠換成鋼渡槽過(guò)渡。根據(jù)地質(zhì)勘察資料反映該工程地面以下的主要地質(zhì)情況依次為:素填土、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖上亞帶、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖下亞帶、中風(fēng)化花崗巖和微風(fēng)化花崗巖。具體位置關(guān)系和地質(zhì)情況如圖2所示。

2 風(fēng)井整體開(kāi)挖方案

延安路站1號(hào)風(fēng)井根據(jù)周?chē)h(huán)境和地質(zhì)條件的不同，采用了不同的開(kāi)挖方案。具體開(kāi)挖方案如表1所示。

圖2 延安路站1號(hào)風(fēng)井剖面圖(單位:m)Fig.2 Profile of No.1 ventilation shaft of Yan’an Road Metro Station(m)

表1 延安路站1號(hào)風(fēng)井整體開(kāi)挖方案Table 1 Excavation program of No.1 ventilation shaft of Yan’an Road Metro Station

1號(hào)風(fēng)井上部埋深在0～11 m時(shí)其地質(zhì)是素填土和強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，比較松散，采用機(jī)械開(kāi)挖［6］，直接裝運(yùn)。在開(kāi)挖埋深2.872 m處的雨水暗渠，應(yīng)注意對(duì)其進(jìn)行保護(hù)，采用了鋼渡槽加固的方法，以減少后期采用的開(kāi)挖方法對(duì)雨水暗渠的擾動(dòng)和破壞。

3 金屬膨脹劑開(kāi)挖

埋深達(dá)到12 m時(shí)，地質(zhì)情況變?yōu)橹酗L(fēng)化花崗巖，地質(zhì)情況已經(jīng)不適合機(jī)械開(kāi)挖，并且機(jī)械開(kāi)挖施工工期長(zhǎng)、成本高，為了減小爆破振動(dòng)對(duì)172號(hào)居民樓的影響，并未采用爆破施工，而是采用了金屬膨脹劑破巖施工。

3.1 金屬膨脹劑破巖原理

金屬膨脹劑是一種裝有金屬混合物的膠囊狀物體?；鶐r穿孔后插入金屬膨脹劑，然后用專(zhuān)用電線(xiàn)連接到啟動(dòng)裝置，后經(jīng)過(guò)PLASMA反應(yīng)使其發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成超高溫、超高壓下的瞬間熱體積膨脹能量。用此膨脹能量達(dá)到良好破巖效果，可確保最適當(dāng)、最佳化的破巖狀態(tài)。

1)PLASMA反應(yīng)原理。先用啟動(dòng)裝置提供瞬間提升大電力，大電力沖擊到膨脹劑時(shí)，瞬間在膠囊內(nèi)部生成超高溫和超高壓，使裝在膠囊里的金屬混合物間發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生高頻等離子，反應(yīng)過(guò)程中發(fā)生噴射式體積膨脹，以此熱膨脹能量達(dá)到分割、隔離巖體的效果，是一種全新的破巖功法。

2)基巖破碎原理。以金屬膨脹劑為中心，產(chǎn)生同心環(huán)狀膨脹壓力達(dá)到破巖目的。而此膨脹壓力在破巖的同時(shí)瞬間消失。其特殊物理特性，使震動(dòng)和破巖沖擊波氣流瞬間減至最小，是一種低振動(dòng)的全新破巖法。

3.2 金屬膨脹劑破巖方案

根據(jù)爆破施工經(jīng)驗(yàn)，金屬膨脹劑破巖施工必須也要有臨空面，因此，本破巖方案先在1號(hào)風(fēng)井的Ⅰ部位進(jìn)行掏槽破巖。為了減小對(duì)172號(hào)居民樓的擾動(dòng)，在靠近172號(hào)居民樓的一側(cè)風(fēng)井內(nèi)周邊鉆單排φ150 mm、孔間距250 mm的單排減震孔，孔深為2 000 mm，為防止孔內(nèi)充水，其內(nèi)裝入全封閉的PVC管。Ⅰ部位掏槽破巖之后，再對(duì)Ⅱ部位進(jìn)行破巖，創(chuàng)造出足夠大的自由面之后，再對(duì)Ⅲ部位進(jìn)行破巖。金屬膨脹劑施工方案炮眼布置如圖3所示。

3.3 鉆眼裝藥

根據(jù)本工程實(shí)際情況，選用直徑為48 mm、長(zhǎng)度為35 cm的金屬膨脹劑。使用氣腿式鉆機(jī)(帶配套鉆桿及φ 50 mm鉆頭)鉆取φ50 mm的炮孔，炮孔深度1 300 mm。鉆孔完成后，將鉆孔清理干凈，保證鉆孔內(nèi)無(wú)積水及雜物。然后每孔內(nèi)裝金屬膨脹劑1支，金屬膨脹劑裝入到炮孔底后，將已準(zhǔn)備好的炮眼堵塞劑(堵塞劑采用條狀塑料袋按細(xì)石與砂比例1∶1混合裝入袋中封閉而成)填塞入孔內(nèi)并搗實(shí)，直至孔口。具體填塞方法如圖4所示。

圖4 金屬膨脹劑炮眼填塞圖(單位:mm)Fig.4 Stemming of metal expansive agent blasting holes(mm)

3.4 起爆

當(dāng)所有炮孔裝藥填塞完成后，受金屬膨脹劑專(zhuān)用起爆裝置起爆能力的限制，只能將4～5支金屬膨脹劑外導(dǎo)線(xiàn)串聯(lián)起來(lái)，并連接至激發(fā)器接線(xiàn)端，將裝好的金屬膨脹劑分次起爆。

3.5 金屬膨脹劑施工破巖材料成本

延安路站1號(hào)風(fēng)井開(kāi)挖斷面面積為124 m2，每個(gè)斷面共需布孔262個(gè)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況，平均破巖進(jìn)尺為1 m，破巖使用的金屬膨脹劑為3支/m3，材料價(jià)格為市場(chǎng)價(jià)格100元/支，每m3填充砂石混合物為0.006 m3，材料價(jià)格為80 元/m3，根據(jù)上述條件，總的材料成本為300.003元/m3。

鑒于金屬膨脹劑破巖成本高和超欠嚴(yán)重的現(xiàn)象，1號(hào)風(fēng)井開(kāi)挖方案改為采用金屬膨脹劑與爆破結(jié)合開(kāi)挖的方法。因此方案只是對(duì)1號(hào)風(fēng)井開(kāi)挖了2 m，故對(duì)其不做詳細(xì)敘述。

4 爆破開(kāi)挖

當(dāng)埋深達(dá)到22 m時(shí)，爆心離172號(hào)居民樓的距離達(dá)到了22.8 m，并且對(duì)金屬膨脹劑與爆破結(jié)合開(kāi)挖方案采取的爆破施工進(jìn)行了振動(dòng)監(jiān)測(cè)，振速并沒(méi)有超過(guò)爆破振動(dòng)安全允許標(biāo)準(zhǔn)0.5 cm/s，因此1號(hào)風(fēng)井開(kāi)挖方案改為爆破開(kāi)挖。

4.1 爆破開(kāi)挖方案

爆破施工方案采用垂直楔形掏槽方式爆破，分為Ⅰ－1，Ⅰ－2，Ⅱ，Ⅲ 4個(gè)爆破區(qū)域，Ⅰ－1和Ⅰ－2區(qū)可利用20段普通導(dǎo)爆管雷管孔外延時(shí)一次起爆［7］。起爆Ⅱ區(qū)后觀察爆破效果，騰出足夠大的自由面后再起爆Ⅲ區(qū)，以減小Ⅲ區(qū)爆破對(duì)南側(cè)小區(qū)樓房的擾動(dòng)。炮眼布置如圖5所示，孔網(wǎng)爆破參數(shù)如表2所示，起爆網(wǎng)絡(luò)示意如圖6所示。

圖5 爆破開(kāi)挖炮眼布置圖(單位:mm)Fig.5 Layout of explosive blasting holes(mm)

表2 爆破開(kāi)挖參數(shù)Table 2 Explosive blasting parameters

圖6 爆破網(wǎng)絡(luò)示意圖Fig.6 Explosive blasting network

4.2 鉆眼

爆破開(kāi)挖選用的是φ32 mm的2號(hào)巖石乳化炸藥，鉆取φ42 mm的炮孔，炮孔深度1 100 mm。

4.3 爆破開(kāi)挖破巖材料成本

延安路站1號(hào)風(fēng)井開(kāi)挖斷面面積為124 m2，爆破施工每個(gè)斷面共需布孔131個(gè)，每孔乳化炸藥0.4 kg，共消耗乳化炸藥52.4 kg，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況，平均破巖進(jìn)尺為1 m，乳化炸藥單價(jià)為8.274元/kg，得出乳化炸藥2.91元/m3，每 m3填充砂石混合物為0.006 m3，材料價(jià)格為80元/m3，共使用普通導(dǎo)爆管雷管140發(fā)，單價(jià)為4.87元/發(fā)，得出普通導(dǎo)爆管雷管4.58元/m3，根據(jù)上述條件，總的材料成本為87.49元/m3。

5 警戒、飛石和噪音控制

為了減小金屬膨脹劑和乳化炸藥起爆時(shí)產(chǎn)生的噪聲和飛石對(duì)172號(hào)居民樓居民的影響，采取了以下措施:

1)在每次爆破前10 min，警戒人員均以揚(yáng)聲喇叭和鳴哨的方式，提醒附近居民及過(guò)往行人做好心理準(zhǔn)備。

2)風(fēng)井開(kāi)挖時(shí)，采取近體覆蓋防護(hù)和龍門(mén)架全封閉二級(jí)防護(hù)和降噪措施［8］，都要覆蓋2層橡膠條編織而成的炮被，并在炮被上方密排沙袋。其他孔口位置堆放2個(gè)以上砂包，可以有效地保護(hù)網(wǎng)路不被巖石砸壞［9］。

3)井口安裝海綿隔音板作為爆破噪音的一級(jí)降噪，龍門(mén)架采用吸音板材料進(jìn)行封閉，作為二級(jí)降噪進(jìn)一步減少噪音的外散。

6 振動(dòng)監(jiān)測(cè)

為研究2種施工方法不同埋深時(shí)的合振速v大小，監(jiān)測(cè)點(diǎn)A布設(shè)在延安路站172號(hào)居民樓一樓樓房基礎(chǔ)位置，振動(dòng)監(jiān)測(cè)儀布設(shè)在1號(hào)風(fēng)井的垂直平分線(xiàn)與172號(hào)居民樓的交界處。監(jiān)測(cè)振動(dòng)的垂直方向振速vc，水平徑向振速 vr，水平切向振速 vt，合振速 v=。當(dāng)埋深 h=11 m，爆心距 R=14.09 m時(shí)，vc=0.10 cm/s，vr=0.04 cm/s，vt=0.05 cm/s，=0.11 cm/s，金屬膨脹劑施工的振動(dòng)曲線(xiàn)如圖7所示。當(dāng)埋深h=24 m，爆心距R=25.56 m時(shí)，vc=0.131 cm/s，vr=0.08 cm/s，vt=0.09 cm/s，v==0.18 cm/s，爆破開(kāi)挖的振動(dòng)曲線(xiàn)如圖8所示。收集豎井開(kāi)挖線(xiàn)距監(jiān)測(cè)點(diǎn)A水平距離8.8 m處的測(cè)振數(shù)據(jù)，得出2種施工方法在不同埋深時(shí)的振速，如表3所示。

通過(guò)表3比較2種施工方法不同埋深時(shí)合振速v以及各自的平均合振速ve，可以看出:1)金屬膨脹劑破巖施工的合振速v變化波動(dòng)小，爆破施工的合振速v變化波動(dòng)大;2)金屬膨脹劑破巖施工平均合振速ve=0.08＜爆破施工的平均合振速ve=0.18。由此可以得出金屬膨脹劑破巖施工的減振效果優(yōu)于爆破施工。

圖7 金屬膨脹劑的施工振動(dòng)曲線(xiàn)Fig.7 Curves of vibration caused by metal expansive agent blasting

圖8 爆破施工的振動(dòng)曲線(xiàn)Fig.8 Curves of vibration caused by explosive blasting

表3 2種施工方法振速對(duì)比Table 3 Comparison and contrast between vibration velocity caused by metal expansive agent blasting and that caused by explosive blasting

7 金屬膨脹劑施工的優(yōu)缺點(diǎn)

7.1 優(yōu)點(diǎn)

1)既不用炸藥又不用雷管，較適宜應(yīng)用于人口稠密地區(qū)和正進(jìn)行生產(chǎn)的廠(chǎng)房改建、擴(kuò)建工程。

2)裝放金屬膨脹劑以及連接網(wǎng)絡(luò)過(guò)程比裝放炸藥更安全。

3)破巖工程中的減振效果勝于一般炸藥。

4)由于金屬氣體的膨脹力有限，故混凝土不致飛散，僅產(chǎn)生裂縫，大大增加了施工的安全性。

7.2 缺點(diǎn)

1)與普通炸藥相比爆破所產(chǎn)生的碎石塊度較大。

2)存在延期起爆的現(xiàn)象，對(duì)破巖后續(xù)工作正常進(jìn)行產(chǎn)生不利影響，并嚴(yán)重威脅到現(xiàn)場(chǎng)工作人員的人身安全。

3)超挖與欠挖現(xiàn)象嚴(yán)重，破巖效果穩(wěn)定性不如一般炸藥。

4)成本較高，金屬膨脹劑破巖材料成本約為普通炸藥的3.4倍。

5)在更好控制振動(dòng)速度的前提下，單次起爆炮孔數(shù)有限，使得施工工序時(shí)間延長(zhǎng)，延緩了施工進(jìn)度。

8 結(jié)論與體會(huì)

根據(jù)延安路站1號(hào)風(fēng)井的整個(gè)施工過(guò)程以及測(cè)振所得的數(shù)據(jù)，得出以下結(jié)論:

1)在風(fēng)井的施工過(guò)程中，不同的埋深可以采用不同的破巖施工方法，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況選擇合適的施工方法。

2)金屬膨脹劑破巖施工較爆破施工容易控制振速，對(duì)振速要求高的工程，可以采用金屬膨脹劑施工。

3)金屬膨脹劑的破巖成本約為爆破施工的3.4倍，從節(jié)省經(jīng)濟(jì)成本的方面考慮，可以采用爆破施工。

在現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中，雖能夠減小振動(dòng)對(duì)周邊建筑物的影響，但是難以解決金屬膨脹劑破巖施工和爆破施工產(chǎn)生的噪聲對(duì)周?chē)用竦挠绊?。而基于金屬膨脹劑破巖施工，后續(xù)工作有必要對(duì)金屬膨脹劑在淺埋暗挖隧道中的應(yīng)用進(jìn)行研究。

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