城市地鐵暗挖隧道爆破設(shè)計

施伯超

(福州市地鐵建設(shè)工程質(zhì)量安全監(jiān)督站 福建福州 350001)

引 言

福州市地鐵1#線達(dá)道站至上藤站區(qū)間暗挖隧道分為上行、下行兩條，上行隧道長558m，下行隧道長558m。沿線穿過的巖層不同，且地面建構(gòu)筑物較多又密集，多為老舊居民區(qū)。其中SK13－600處豎井和SKl3+800－14+000段穿越居民區(qū)暗挖隧道是本次隧道爆破的控制重點。如何做好減振爆破控制至關(guān)重要。

1 地質(zhì)情況簡介

1.1 巖層分布

沿線巖體主要為燕山早期侵入混合二長花崗巖及燕山晚期輝長巖，呈球狀巖，沿線各地段均有揭露，按其風(fēng)化程度分為;全、強、中、微風(fēng)化四個區(qū)帶，基巖風(fēng)化帶的力學(xué)強度高－較高，工程性能好－較好?？碧竭^程中未發(fā)現(xiàn)有臨空面或軟弱夾層。巖層由上至下分為:

①強風(fēng)化帶:可分為散體狀強風(fēng)化和碎塊狀強風(fēng)化兩層，散體狀揭露厚度1.10～15.6m，頂板標(biāo)高12.38～34.2m。碎塊狀揭露厚度為19m，頂板標(biāo)高8.28～25.80m。

②中風(fēng)化帶:揭露厚度為 30.50m，頂板標(biāo)高 4.48～50.80M，巖體基本質(zhì)量等級為II類。

③微風(fēng)化帶:揭露最大厚度12.10m，頂板標(biāo)高11.22～25.96m，中壓縮性，物理力學(xué)性質(zhì)較好。

1.2 隧道沿線工程地質(zhì)和圍巖分類

①洞門段

隧道進(jìn)口段為空地，隧道洞口坡體基本穩(wěn)定，斜坡上植被稍發(fā)育，覆蓋強風(fēng)化巖層，厚度約1.10～15.6m，巖土強度較低，洞門段為強風(fēng)化至中風(fēng)化巖體，巖石風(fēng)化較劇烈。隧道進(jìn)出口圍巖主要為坡積土及強風(fēng)化、中風(fēng)化混合二長花崗巖，巖體較破碎－破碎，圍巖級別Ⅳ－V級。

②洞身段

隧道洞身圍巖主要為微風(fēng)化混合二長花崗巖，局部地段為微風(fēng)化輝長巖等，巖石較堅硬－堅硬，巖體較完整－完整，節(jié)理裂隙發(fā)育差－較差。隧道洞身圍巖級別為II－III級。

③破碎段

隧道穿越兩處構(gòu)造帶，該地段由于受F1、F2斷裂構(gòu)造及隧道頂板距離地面厚度約6.0m的淺埋段影響，隧道圍巖級別會相應(yīng)降低，地下水較豐富，巖體力學(xué)性能相對較差，圍巖級別為IV－V級。

2 隧道開挖爆破施工設(shè)計原則

①不同地段的巖性采用不同的開挖方法爆破掘進(jìn);

②在F1、F2破碎帶段，采用超前砂漿錨桿管棚支護，再進(jìn)行淺孔，小藥量爆破;

③在穿越地面建筑地段，采用多臺階爆破，控制弧頂裝藥量，控制爆破振動，減小爆破振動對地面建筑物的擾動;

④在靠近公路附近段采用超前預(yù)裂孔、短進(jìn)尺、快掘、快支、速成巷方法爆破;

⑤采用非電起爆網(wǎng)路起爆，起爆要在安全距離外起爆，確保爆破安全;

⑥洞口明挖及近洞口爆破，采用小臺階淺孔松動爆破法施爆;

⑦洞口明挖及近洞口爆破，要采用防飛石危害的安全措施;

⑧現(xiàn)場選擇安全地點建立臨時庫房，存放爆破器材，雷管要放入保險柜內(nèi);

⑨光面爆破和預(yù)裂爆破要采用Φ25小條藥爆破;

⑩放炮時間段盡量安排在合理時間段，減少對地面居民的干擾影響。

3 隧道控制爆破設(shè)計方案

不同爆破施工方法的采用，主要是考慮圍巖類型、地質(zhì)構(gòu)造、斷面大小、地面對應(yīng)位置有無主要建筑物以及臨時支護的配合等因素。

3.1 穿越居民樓段爆破設(shè)計

此段圍巖為III－IV類，上行隧道位于SKl3+800～14+000，長度 200m，下行隧道位于 XKl3+800～14+000，長度200m。隧道拱頂距地面6.3～6.6m，為淺埋段。且受F1斷裂構(gòu)造影響，但巖石為較堅硬至堅硬，巖體較破碎－完整。故此段上行、下行隧道掘進(jìn)采用上下導(dǎo)坑法爆破施工。

鉆孔爆破設(shè)計為上導(dǎo)坑爆破參數(shù)，下導(dǎo)坑參照上導(dǎo)坑，但可根據(jù)上導(dǎo)坑爆破效果可適當(dāng)調(diào)整下導(dǎo)坑的各爆破參數(shù)進(jìn)行施爆。

①掏槽孔布置

采用中間雙空孔直線掏槽方式。共布10個孔。

孔距:a=30cm，排距:b=60cm，孔深:L=1.8m，孔徑:D=42mm。

②輔助孔

布置在掏槽孔周邊，為擴大掏槽孔爆破后擴大空間。

孔距:a=0.6m，孔徑:D=38～42 mm，孔深:L=1.6m，共14個孔。

③崩落孔

這是隧道開挖爆破主要和大量炮孔，爆破效果直接影響到隧道進(jìn)尺快慢。

孔距:a=0.7m，孔徑:D=38～42mm，孔深:L=1.6m，共85個孔。

④幫孔

幫孔爆破的質(zhì)量直接影響到隧道兩側(cè)墻弧形的好壞，同時還影響到對兩側(cè)圍巖的穩(wěn)定性以及隧道的超、欠挖量。

孔距:a=0.6m，孔徑:D=38～42mm，孔深:L=1.6m，共10個孔。

⑤底孔

底孔一般要根據(jù)仰拱的設(shè)計要求，鉆孔要向下以仰角5°～10°鉆進(jìn)。要保證底板永久支護厚度要求。

孔距:a=0.7m，孔徑:D=42mm，孔深:L=1.6m，共15個孔。

⑥頂孔

采用光面爆破方法爆破。鉆孔按設(shè)計隧道拱頂弧度及邊界，沿設(shè)計邊界線相互平行鉆進(jìn)，各孔底要落在一個平面上，頂孔鉆進(jìn)的質(zhì)量直接影響到光面爆破效果，降低對圍巖的穩(wěn)定性影響，減少隧道的超、欠挖量，同時可以減小隧道支護材料的損耗。

孔徑:D=42mm，孔距:a=12× D=0.5m，孔深:L=1.6m，最小抵抗線 W=Q/C·a·L=0.7m

Q－單孔裝藥量，kg;C－爆破系數(shù);a－孔距;L－孔深;孔數(shù):27個。

炮孔密集系數(shù):K=a/w=0.71;

不耦合系數(shù):K1=D/d=1.68～2.1(d－藥徑:20～25mm);

線裝藥密度:q=0.2～0.3kg/m。

根據(jù)以上設(shè)計參數(shù)，計算以下參數(shù):

⑦爆破一次總裝藥量，kg

式中:Q－爆破一次總裝藥量，kg;k－炸藥單耗，k=1.0kg/m3;

S－隧道斷面積，m2;L－炮孔密度，m;

η－炮孔利用系數(shù)，95%。

則:Q=1.0×84.19×1.6×0.95=127.96kg

小直徑中空直眼掏槽(單位:cm)

⑧一次爆破進(jìn)尺爆破石方量

V=L×η×S=1.6×0.95×84.19=127.96m3

⑨實際炸藥單耗

q實=129.30/127.96=1.0lkg/m3

⑩裝藥結(jié)構(gòu)

采用Φ32乳化炸藥連續(xù)裝藥，起爆藥包位于孔底，孔口未裝藥段用黃泥全部堵塞緊密。

上導(dǎo)坑斷面炮孔布置示意圖

?起爆網(wǎng)路

采用非電毫秒雷管按起爆順序裝入不同作用炮孔中，孔外采用束—并聯(lián)，但每束不超過10根連接1發(fā)MS3非電雷管，將各束連接MS3段的導(dǎo)爆管與光面層的引爆非電雷管導(dǎo)爆管并聯(lián)成一束，用MSl段雷管引爆，起爆線要拉到安全地點起爆，用高能起爆器引爆。

3.2 預(yù)裂爆破設(shè)計

達(dá)道站至上藤站區(qū)間隧道上、下行線穿過舊居民小區(qū)，南江濱路和上藤路從其下方通過。隧道開挖爆破點都位于建筑物下方，爆破振動對地面建筑物勢必會產(chǎn)生一定影響，故在爆破設(shè)計本身除了控制每次的起爆藥量，加快臨時支護，超前管棚及超前錨桿等措施外，為了減小其影響，在這些地段采用預(yù)裂爆破方法也是個行之有效地技術(shù)措施。其爆破參數(shù)如下:

①孔徑:D=42mm

②孔深:a=(9～14)D=0.4～0.58m

根據(jù)巖石軟、硬程度及巖石結(jié)構(gòu)完整狀況而選取，一般中硬巖取0.45～0.5m。

③抵抗線:w=w/c·a· lb

Q－單孔藥量;c－爆破系數(shù);a－孔距;lb－炮孔長度

本工程采用w=0.6～0.8m。

④炮孔密集系數(shù)

m=a/w=0.5/0.7=0.71

⑤線裝藥密度

式中:K－與巖石性質(zhì)有關(guān)的系數(shù)，中硬巖K=0.75～0.95，取 0.8，則 Q =0.8×0.042=0.23kg/m，一般取 q=0.2～0.25kg/m。

⑥不耦合系數(shù)

d－藥徑，Φ22～25條藥

⑦軸向空氣間隔:l=18～20cm

根據(jù)以上設(shè)計，對于不用巖石地段可適當(dāng)調(diào)整各參數(shù)選用。

⑧鉆孔施爆要求

炮孔要平行鉆進(jìn)，孔底要齊，不能上仰或下傾角度鉆進(jìn)，鉆孔質(zhì)量是保證預(yù)裂爆破好壞的第一道工序。下一步是裝藥結(jié)構(gòu)及單孔裝藥量的控制，孔底要裝l節(jié)Φ32條藥，主要是克服孔底巖石壓力作用，Φ22～25小條藥必須是加工廠加工好的成品，不能用Φ32條藥改制，藥量不準(zhǔn)會影響爆破效果，同時要導(dǎo)爆索捆綁各小條藥，可保證軸向不耦合，這幾個關(guān)鍵環(huán)節(jié)做好了，才有預(yù)裂爆破的效果保證。

4 爆破振動測試與分析

4.1 監(jiān)測的儀器和方法

本項目爆破振動監(jiān)測主要采用L20型爆破振動測振儀 ，主要由L20型爆破測振儀主機、三分量速度探頭、爆破振動分析軟件等組成的振動測試系統(tǒng)，量測過程中測振儀自動采集、存儲和分析相關(guān)數(shù)據(jù)。

4.2 爆破振動測點布置

根據(jù)建構(gòu)筑物與隧道的空間位置及距離，在隧道地表周邊范圍內(nèi)共布置了10個測試點 。分別在SK13+600～SK13+700段和XK13+600～XK13+700段左右洞沿隧道布置5個測點(間距20m)。

4.3 監(jiān)測的結(jié)果

采用L20型爆破振動測振儀進(jìn)行爆破振動測試，測得數(shù)據(jù)見(表1)。

表1 爆破參數(shù)和振動測試結(jié)果

5 減振爆破控制技術(shù)

5.1 控制最大裝藥量

通過爆破振動監(jiān)測表明，當(dāng)降低藥量時，可以使質(zhì)點的振動速度減小，達(dá)到減振的目的。福州市地鐵1#線達(dá)道站至上藤站區(qū)間暗挖隧道上行線SKl3+800～14+000，長度200m，下行線XKl3+800～14+000，長度200m。洞身處于Ⅲ～Ⅳ級圍巖，埋深在6.3～6.6m之間 ，地表為舊居民區(qū)地段，房子密集分布。為盡量降低隧道爆破施工對地表居民生活影響，爆破振動速度值應(yīng)控制在1.5 cm/s以下，且95%以上小于1.0 cm/s。因此，根據(jù)薩道夫斯基的經(jīng)驗公式 ，最大裝藥量應(yīng)控制在20.58～60kg之間。

5.2 控制掘進(jìn)進(jìn)尺

為控制總裝藥量的單段藥量，擬將Ⅳ級圍巖段的爆破進(jìn)尺控制在1.2～1.5m，Ⅱ、Ⅲ級圍巖段 的爆破進(jìn)尺控制在2～2.5m，并采用分部下導(dǎo)洞、分臺階掘進(jìn)，從而控制了單段藥量，使爆破振動效應(yīng)控制在較低的水平。

5.3 其它減振技術(shù)

本工程設(shè)計采用控制爆破技術(shù)，除采用光面、微差爆破施工的減振措施外，另外在周邊密排空眼減振，開挖面增打減振孔、預(yù)留光爆層等綜合減振措施的爆破技術(shù)，減小噪聲和振動源強，并實時對該段隧道施工的地表建筑物進(jìn)行爆破振動監(jiān)測和地表沉降監(jiān)測。

5.4 工程實際應(yīng)用效果

本工程實際施工中，嚴(yán)格按照上述各項爆破設(shè)計和減振措施進(jìn)行施工，目前隧道已順利通過居民區(qū)。根據(jù)爆破振動監(jiān)測(表2)和地表沉降觀測的結(jié)果，最大振動速度均小于1.0cm/s，與預(yù)測模型最大振動速度差別較小，減振效果明顯，地表建筑物無明顯裂痕，未發(fā)生地表塌陷現(xiàn)象。

表2 隧道爆破振動監(jiān)測結(jié)果

6 暗挖法隧道爆破總結(jié)

(1)福州地鐵達(dá)道至上藤暗挖隧道在施工中采用精細(xì)爆破方法施爆，采用可靠的鉆、爆、臨時支護合理工藝施工，采用預(yù)裂爆破方法降低爆破振動作用對地面建構(gòu)筑物的影響。在施工中各項爆破后的沉降觀測數(shù)據(jù)符合設(shè)計規(guī)范要求，現(xiàn)場施工的質(zhì)量符合技術(shù)規(guī)范要求。為今后福州市地鐵暗挖隧道提供了很好的爆破設(shè)計借鑒。

(2)本項目通過爆破智能測試儀對福州地鐵暗挖隧道進(jìn)行爆破振動測試，在測試數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行分析，找出符合該隧道地質(zhì)條件的爆破設(shè)計參數(shù)，為隧道爆破施工提供了預(yù)測依據(jù);

(3)在隧道進(jìn)入舊居民區(qū)前，經(jīng)過反復(fù)的爆破試驗并根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)及其分析，逐步優(yōu)化調(diào)整了爆破參數(shù)。通過舊居民區(qū)時，采取控制最大裝藥量、控制掘進(jìn)進(jìn)尺等綜合減振措施，從而將爆破振動效應(yīng)控制在較低的水平，達(dá)到確保施工安全和降低施工對居民生活影響的目的;

(4)洞內(nèi)爆破設(shè)計參數(shù)根據(jù)洞外監(jiān)測結(jié)果不斷地優(yōu)化，通過對爆破振動速度進(jìn)行跟蹤監(jiān)測，逐步改善爆破振速預(yù)測模型，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果及時調(diào)整爆破參數(shù)和施工方法，確保爆破作業(yè)安全，從而有效地控制爆破地振效應(yīng)，同時也可以為爆破振動引起的民事糾紛提供科學(xué)依據(jù)。

[1]GB6722—2003，國標(biāo)爆破安全規(guī)程[S].

[2]馮叔瑜.城市控制爆破(第二版)[Μ].北京:中國鐵道出版社，1996.

[3]福州市軌道交通一號線工程地質(zhì)勘察報告及施工圖設(shè)計[Z].

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