地鐵車站深基坑爆破開(kāi)挖振動(dòng)控制技術(shù)

劉高飛

(中鐵十七局集團(tuán)有限公司，山西太原030006)

地鐵車站深基坑爆破開(kāi)挖振動(dòng)控制技術(shù)

劉高飛

(中鐵十七局集團(tuán)有限公司，山西太原030006)

長(zhǎng)沙地鐵2號(hào)線西延線工程一車站基坑開(kāi)挖方量大，工期緊，周邊緊鄰住宅區(qū)，交通流量大。采用深孔爆破與淺孔爆破相結(jié)合的爆破方式。為控制爆破開(kāi)挖振動(dòng)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值模擬分析，總結(jié)出了微差爆破的最佳間隔時(shí)間和減振孔設(shè)計(jì)參數(shù)。通過(guò)采用毫秒延時(shí)起爆和減振孔相結(jié)合的綜合爆破振動(dòng)控制技術(shù)，保證了周邊建筑、圍護(hù)結(jié)構(gòu)和止水帷幕的安全，加快了施工進(jìn)度。

地鐵 基坑 微差爆破 減振孔 振動(dòng)控制

1 概述

長(zhǎng)沙地鐵2號(hào)線西延線工程土建施工2標(biāo)梅溪湖東站位于既有雷鋒西大道上?；娱_(kāi)挖深度20 m，寬度21 m，長(zhǎng)度200 m。巖層埋深淺，石質(zhì)堅(jiān)硬，基底基本位于元古界板溪群中、微風(fēng)化板巖，開(kāi)挖方量達(dá)8.4萬(wàn)m3，工期僅3個(gè)月。為滿足工期要求，爆破方案采用深孔爆破與淺孔爆破相結(jié)合，以深孔爆破為主?；又苓吘o鄰航發(fā)錦繡家園小區(qū)和麓陽(yáng)和景小區(qū)，水平距離最小為13 m，交通流量大，爆破作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)高，必須采用爆破開(kāi)挖振動(dòng)控制技術(shù)。

為了確保爆區(qū)結(jié)構(gòu)物及周圍環(huán)境的安全，必須嚴(yán)格控制爆破振動(dòng)和飛石。從國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究爆破振動(dòng)危害控制的文獻(xiàn)來(lái)看，采用以下技術(shù)措施可以降低爆破地震效應(yīng):①采用低爆速、低密度的炸藥或減小裝藥直徑;②控制單響最大藥量;③預(yù)裂隔振帶或減振溝;④選擇最小抵抗線方向;⑤采用微差延時(shí)起爆技術(shù);⑥增加布藥的分散性和臨空面;⑦選擇合理的裝藥結(jié)構(gòu)。

為了安全高效地完成該爆破開(kāi)挖工程，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值模擬分析總結(jié)出了一套適用于本工程的減振技術(shù)。

2 減振試驗(yàn)

本次驗(yàn)主要分析微差爆破技術(shù)以及減振孔對(duì)爆破減振效果的影響，因此具體采用如下2組試驗(yàn):①測(cè)試微差爆破技術(shù)對(duì)減振效果的影響，主要研究毫秒延時(shí)起爆時(shí)間間隔對(duì)爆破動(dòng)力響應(yīng)的影響;②研究減振孔(溝、縫)對(duì)爆破開(kāi)挖減振效果的影響，試驗(yàn)分析減振孔深度和具體位置對(duì)整體減振效果的影響。

振動(dòng)監(jiān)測(cè)使用了2臺(tái)四川拓普測(cè)控科技有限公司生產(chǎn)的NUBOX-6016智能振動(dòng)監(jiān)測(cè)儀和1臺(tái)UBOX5016爆破振動(dòng)智能監(jiān)測(cè)儀。速度傳感器采用垂直向速度傳感器PS-4.5和水平向速度傳感器PSH-4.5。

采用BM View專用分析軟件實(shí)現(xiàn)設(shè)備控制、參數(shù)設(shè)置、波形顯示、數(shù)據(jù)讀取等功能，根據(jù)薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行爆破振動(dòng)的分析、統(tǒng)計(jì)、管理。

3 試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果分析

3.1 微差爆破減振效果分析

采用相同的爆破環(huán)境、爆破規(guī)模及爆破參數(shù)，分4排爆破，每排5孔，采用排間微差起爆，每段藥量均為50 kg，具體爆破參數(shù)為:孔徑φ=78 mm;孔深l= 5.0 m;孔距a=3.0 m;排距b=2.5 m;單耗q=0.27 kg/m3;單孔藥量Q=10 kg。

以上爆破參數(shù)不變，僅調(diào)整起爆間隔，對(duì)間隔時(shí)間Δt分別為25，50，75，110和150 ms 5種爆破工況進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試分析。采用孔內(nèi)、孔外結(jié)合的爆破網(wǎng)路，孔內(nèi)為MS12段，孔外分別為MS2，MS3，MS4，MS5，MS6。每個(gè)工況進(jìn)行6組平行試驗(yàn)，測(cè)振點(diǎn)距爆心20 m，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1可知，5種工況的最大爆破振動(dòng)速度分別為1.31，0.82，0.71，0.93，1.05 cm/s。隨著延時(shí)起爆時(shí)間間隔增加，振動(dòng)速度先降低再增加，存在一個(gè)最佳的毫秒延時(shí)起爆時(shí)間間隔區(qū)域，即間隔時(shí)間在50～75 ms時(shí)可達(dá)較為理想的減振效果。主振頻率和持續(xù)時(shí)間在這一區(qū)間沒(méi)有明顯的變化。

表1 不同間隔時(shí)間振動(dòng)參數(shù)統(tǒng)計(jì)

3.2 減振孔減振效果分析

爆破振動(dòng)波的傳播特征主要取決于介質(zhì)的波阻抗特性，當(dāng)振動(dòng)波到達(dá)不同介質(zhì)分界面時(shí)，由于波阻抗特性的不同，振動(dòng)波將發(fā)生反射和透射，所以爆破振動(dòng)波經(jīng)過(guò)減振孔后爆破振動(dòng)強(qiáng)度降低。

研究炸藥爆炸時(shí)減振孔對(duì)爆破振動(dòng)傳播的影響，具體涉及的參數(shù)主要有減振孔直徑D、深度H，減振孔離炮孔之間的距離L。采用數(shù)值模擬的方法加以研究，數(shù)值模擬軟件采用大型非線性有限元/有限差分軟件AutoDYN。

在對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格剖分時(shí)，模型的尺寸大小應(yīng)力求精確。在建模時(shí)采用了變網(wǎng)格技術(shù)，其中最小網(wǎng)格尺寸為5 mm。為了減少計(jì)算量，提高計(jì)算精度，盡量使建立的模型空間尺寸較小，考慮到計(jì)算時(shí)間的問(wèn)題，可以把整個(gè)模型簡(jiǎn)化為二維平面對(duì)稱模型。數(shù)值模型初始狀態(tài)如圖1所示。為了記錄減振孔后某位置處爆破振動(dòng)幅值，采用設(shè)置示蹤點(diǎn)(如圖1中的1～7號(hào)點(diǎn))的方法來(lái)記錄炸藥爆炸后該處參量的變化情況。

圖1數(shù)值模型初始狀態(tài)

圖2 為炸藥爆炸后幾個(gè)典型時(shí)刻壓力云圖?？芍?①0.4 ms時(shí)炮孔左側(cè)的沖擊波傳播到巖石上表面處，在右側(cè)由于減振孔的存在，阻斷了周邊沖擊波向右側(cè)傳播，同時(shí)反射回一拉伸波。②0.8 ms時(shí)炮眼底部部分沖擊波繞過(guò)減振孔底部向右側(cè)繼續(xù)傳播。③1.2 ms時(shí)右側(cè)沖擊波繞過(guò)減振孔并傳播到巖石表面，但其強(qiáng)度與炮孔左側(cè)同樣距離處相比明顯減弱，僅為左側(cè)的20%～30%。在減振孔左側(cè)的1.5～2.0倍孔深范圍內(nèi)其振動(dòng)強(qiáng)度更低，僅是其外側(cè)(2.0倍孔深以外)的5%～10%。

從圖2可見(jiàn)，減振孔(連續(xù)的)可將炮眼側(cè)面的地震波阻斷，炮眼底部的地震波則是繞過(guò)減振孔底部向右側(cè)繼續(xù)傳播，其減弱強(qiáng)度與孔深有關(guān)。由此可以得出:減振孔可以較好地降低爆破地震波，但其效果與減振孔的連續(xù)性和孔深有關(guān)，連續(xù)性越好，側(cè)向波被阻斷得越好，深度越深則底部波被阻斷得越好。

圖2 炸藥爆炸后典型時(shí)刻壓力云圖

4 爆破方案

4.1 方案確定原則

根據(jù)以上試驗(yàn)及數(shù)值分析結(jié)果采用減振孔和微差起爆等減振措施，選用爆破開(kāi)挖可以保證基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境安全。爆破開(kāi)挖須遵循以下要求:

1)為減小爆破對(duì)邊坡的振動(dòng)破壞，也為了控制爆破大塊率，便于裝渣施工，采用非電毫秒雷管進(jìn)行毫秒微差爆破，應(yīng)用小排距、大孔距梅花形的布眼方法，每次爆破3～5排。

2)爆破開(kāi)挖時(shí)嚴(yán)防爆破振動(dòng)造成止水帷幕和圍護(hù)結(jié)構(gòu)破裂，更不允許爆破動(dòng)力直接破壞鉆孔圍護(hù)樁的樁腳，造成圍護(hù)樁失穩(wěn)，整體垮塌。為此，在必要時(shí)距圍護(hù)樁邊0.5～1.0 m鉆鑿1～2排減振孔實(shí)現(xiàn)卸壓控爆，以保證圍護(hù)結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定。

3)結(jié)合基坑開(kāi)挖方案，分層分段進(jìn)行爆破開(kāi)挖，每次爆破深度盡量不超過(guò)5 m。

4.2 爆破參數(shù)

在原有爆破方案設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，根據(jù)理論分析和數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，為了控制爆破飛石、爆破振動(dòng)以及保護(hù)基坑邊坡穩(wěn)定性，爆破施工采用掏槽孔、主爆孔以及減振孔相結(jié)合的方式。施工時(shí)預(yù)留保護(hù)層，爆破與機(jī)械開(kāi)挖相結(jié)合，毫秒延時(shí)起爆，嚴(yán)密防護(hù)，從而體現(xiàn)定量化的爆破設(shè)計(jì)，精細(xì)化的管理與施工。具體爆破參數(shù)如下。

1)掏槽爆破參數(shù)

為防止飛石并增加主爆區(qū)的臨空面，主體爆破前在基坑兩端先進(jìn)行掏槽爆破。中深孔掏槽爆破參數(shù)為:φ=78 mm，L=5.5 m，a=2.5 m，b=2.0 m，q= 0.4 kg/m3，Q=10 kg。

2)主爆孔爆破開(kāi)挖

在主爆區(qū)，采用中深孔爆破，由兩掏槽區(qū)向中間分層爆破，使得爆破飛石向基坑中部拋擲，臺(tái)階高度為4.5 m。具體參數(shù)為:L=5.0 m，a=3.0 m，b=2.5 m，q=0.25 kg/m3，Q=10 kg。

4.3 爆破安全控制

1)減振孔設(shè)計(jì)

為了保護(hù)臨近河道堤岸和已施作完成的基坑止水帷幕，除了采用微差起爆減振外，還采用減振孔減振。在距邊坡1.5 m處平行于邊坡線開(kāi)鉆減振孔，具體參數(shù)為孔徑100 mm，孔距30 cm，采用雙排交錯(cuò)布置，孔深22 m(一次打到底板下2.0 m)。這樣又形成了1.5 m寬的邊坡保留防護(hù)帶。主區(qū)爆破完成后，再采用機(jī)械破碎或淺眼爆破開(kāi)挖保留部分。

2)微差起爆網(wǎng)路

采用非電毫秒延期雷管起爆，由前文分析可知，毫秒延時(shí)起爆時(shí)間間隔在50～75 ms時(shí)爆破振動(dòng)控制較好，所以這里采用孔內(nèi)延時(shí)與孔外延時(shí)相結(jié)合的方法，即孔外MS3或MS4、孔內(nèi)MS12，實(shí)現(xiàn)每孔1個(gè)段別的逐孔起爆。

3)爆破飛石防護(hù)

掏槽爆破時(shí)，爆破飛石有向上拋擲的可能，因此需采取重型覆蓋防護(hù)，即在爆破區(qū)炮孔上蓋砂袋，上層再覆竹夾板或用廢舊輪胎制作的炮被。主體爆破時(shí)由于多了側(cè)向臨空面，爆破參數(shù)設(shè)計(jì)合理就可控制飛石，為防萬(wàn)一，可在上層覆一層炮被。

5 結(jié)論

1)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)多次試驗(yàn)，采用以上優(yōu)化后的爆破方案進(jìn)行施工，在距爆破區(qū)最近的圍護(hù)樁樁頂處測(cè)得的爆破最大振速為2.192 cm/s(允許振速為5.0 cm/s)，在附近房屋處測(cè)得的最大振速為0.602 cm/s(允許振速為1.0 cm/s)，最大振速是估算值的50%～60%，并遠(yuǎn)小于爆破規(guī)程規(guī)定值，說(shuō)明爆破開(kāi)挖對(duì)周邊建筑危害較小。

2)通過(guò)采用毫秒延時(shí)起爆和減振孔減振相結(jié)合的綜合爆破振動(dòng)控制技術(shù)，很好控制了爆破振動(dòng)，在保證周邊環(huán)境的安全的同時(shí)，保證了圍護(hù)結(jié)構(gòu)和止水帷幕。施工時(shí)增加了每次爆破的規(guī)模，一次爆破方量可達(dá)500 m3，是淺眼爆破的6～10倍，且不易飛石。爆破方案在保證安全的同時(shí)，大大加快了施工進(jìn)度，節(jié)約了成本，取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

［1］杜明玉，阮慶松，彭進(jìn)強(qiáng)，等.地鐵車站深基坑施工對(duì)周圍環(huán)境影響評(píng)價(jià)分析［J］.鐵道建筑，2013(4):80-82.

［2］薛里，劉世波.電子雷管起爆的降振原理及工程應(yīng)用［J］.鐵道建筑，2015(1):43-47.

［3］張志毅，王中黔.交通土建工程爆破工程師手冊(cè)［M］.北京:人民交通出版社，2002.

［4］肖采平.爆破工程與環(huán)境保護(hù)［C］//第七界工程爆破學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.新疆:新疆柯文出版社，2001.

［5］王海亮.鐵路工程爆破［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2001.

(責(zé)任審編李付軍)

TU94+1

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.12.17

1003-1995(2015)12-0063-03

2015-07-17;

2015-07-29

劉高飛(1970—)，男，高級(jí)工程師，工程碩士。