精細(xì)爆破在地鐵硬巖深基坑開挖中的應(yīng)用

曹 平 徐 華

精細(xì)爆破在地鐵硬巖深基坑開挖中的應(yīng)用

曹 平 徐 華

結(jié)合青島地鐵某深基坑開挖工程實(shí)例，介紹精細(xì)爆破在地鐵硬巖深基坑開挖過程中的應(yīng)用。根據(jù)工程地質(zhì)條件，為滿足周邊復(fù)雜環(huán)境下的嚴(yán)要求，基坑采用“中部拉槽、橫向分區(qū)、縱向分段、豎向分層”爆破開挖方案，增加了爆破自由面，同時(shí)，結(jié)合理論分析和多次試驗(yàn)數(shù)據(jù)的回歸分析調(diào)整并選取合理的爆破參數(shù)，確保了爆破開挖的施工安全并加快了工程進(jìn)度。

地鐵硬巖；深基坑開挖；精細(xì)爆破

精細(xì)爆破，即通過定量化的爆破設(shè)計(jì)和精心的爆破施工組織，通過對(duì)炸藥爆炸能量釋放與介質(zhì)破碎、拋擲等過程的控制，既達(dá)到預(yù)定的爆破效果，又實(shí)現(xiàn)爆破有害效應(yīng)的有效控制，實(shí)現(xiàn)安全可靠、綠色環(huán)保及經(jīng)濟(jì)合理的爆破作業(yè)。為滿足青島地鐵某深基坑周邊建筑物對(duì)爆破的相關(guān)要求，通過合理的設(shè)置爆破開挖方案，采用實(shí)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)振速，結(jié)合回歸分析確定本場(chǎng)區(qū)內(nèi)的爆破參數(shù)，實(shí)現(xiàn)爆破效果及效應(yīng)的可預(yù)見性。

1 工程概況

青島地鐵3號(hào)線李村—君峰路站區(qū)間明挖段位于李滄區(qū)維客廣場(chǎng)西南側(cè)，沿京口路方向布置。明挖區(qū)間所在范圍為李滄區(qū)重要商圈，南側(cè)為利客來(lái)商貿(mào)大廈、嶗山百貨等大型商業(yè)設(shè)施；北側(cè)為維客廣場(chǎng)，地下1層設(shè)置了超市及停車場(chǎng)。

區(qū)間明挖段為雙層三跨箱型框架結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)約130.35 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬22.8 m，高14.5 m，頂板覆土約6.0 m，基坑深約19.5 m。場(chǎng)區(qū)內(nèi)上覆第四系全新統(tǒng)堆積層，局部為上更新統(tǒng)粉質(zhì)黏土，下伏燕山晚期粗?；◢弾r，部分地段穿插有煌斑巖、細(xì)?；◢弾r、花崗斑巖等脈巖，構(gòu)造破碎帶、糜棱巖、碎裂狀花崗巖局部發(fā)育，地下水為基巖裂隙水，水量一般貧，部分地段具弱承壓性。

根據(jù)《利客來(lái)商貿(mào)大廈在地鐵隧道施工前的安全鑒定》，利客來(lái)商貿(mào)大廈安全性等級(jí)為Bsu級(jí)。鄰近李君區(qū)間明挖段基坑爆破開挖的爆破振速控制指標(biāo)為不大于1.0 cm/s，沉降控制標(biāo)準(zhǔn)不大于20 mm，差異沉降控制標(biāo)準(zhǔn)不大于10 mm。

2 精細(xì)爆破開挖方案

根據(jù)周圍環(huán)境保護(hù)的要求，本工程采用淺孔微差松動(dòng)控制爆破的施工方法。

2.1 爆破自由面的選擇

爆破自由面的數(shù)量是影響爆破效果的重要因素。實(shí)際爆破開挖過程中，通過在基坑中部拉槽，縱向分段等措施形成縱向和橫向的“L”型爆破自由面。通過增加爆破自由面數(shù)量有效地提高爆破效果，降低和改變爆破振速傳播大小和方向，最大限度地降低對(duì)利客來(lái)建筑物的影響。

2.2 爆破區(qū)劃分及開挖爆破順序

根據(jù)基坑條狀的平面特點(diǎn)、鄰近建筑物的平面關(guān)系、基坑開挖及出渣設(shè)備的約束等，基坑爆破區(qū)劃分采用“中部拉槽、橫向分區(qū)、縱向分段、豎向分層”的原則。

先對(duì)距離建筑物較遠(yuǎn)的中部開槽防護(hù)區(qū)進(jìn)行爆破開挖，然后逐步開展弱振爆破區(qū)和微振爆破區(qū)的爆破開挖，最后進(jìn)行一般爆破區(qū)的爆破開挖（圖1）。

圖1 基坑開挖平面分區(qū)圖 （單位：cm）

3 精細(xì)爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

爆破參數(shù)精細(xì)化設(shè)計(jì)技術(shù)路線：①根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)初步確定各個(gè)爆破區(qū)的爆破參數(shù)，并收集現(xiàn)場(chǎng)的爆破振速；②根據(jù)整理后的爆破振速采用回歸分析的手段確定本場(chǎng)區(qū)內(nèi)的對(duì)應(yīng)地層爆破參數(shù)；③根據(jù)本場(chǎng)區(qū)內(nèi)的地層爆破參數(shù)，修正各個(gè)分區(qū)的爆破裝藥量等參數(shù)；④實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的爆破效果，必要時(shí)及時(shí)調(diào)整裝藥量以有效控制現(xiàn)場(chǎng)爆破振動(dòng)，最大限度地降低對(duì)周邊建筑物的影響。

3.1 試驗(yàn)爆破參數(shù)

考慮到場(chǎng)區(qū)內(nèi)以強(qiáng)、中風(fēng)化花崗巖為主，試驗(yàn)爆破中采用中硬巖石相關(guān)參數(shù)，初步擬定試驗(yàn)爆破參數(shù)并取保守值K=150、α=1.8。在滿足爆破振速指標(biāo)V=1.0 cm/s的前提下，在基坑內(nèi)遠(yuǎn)離建筑物的11 m區(qū)域內(nèi)進(jìn)行試爆破，試爆點(diǎn)距利客來(lái)安全距離為18.7～29.7 m，距振速測(cè)點(diǎn)距離分別為14 m、15 m、16 m、24 m。儀器采用中科測(cè)控三軸向振動(dòng)速度傳感儀（TC-4850）及高能脈沖EF-1000型起爆器。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，基坑橫向各分區(qū)試驗(yàn)爆破參數(shù)見表1。

表1 試驗(yàn)爆破參數(shù)表 m

3.2 精細(xì)爆破關(guān)鍵參數(shù)的確定

3.2.1 爆破孔的精細(xì)布置

嚴(yán)格控制自由面邊緣的首排炮孔與自由面的距離，確保此距離略小于炮孔填塞長(zhǎng)度以確保首排炮孔起爆后將自由面完全釋放，從而為后續(xù)臺(tái)階爆破創(chuàng)造良好的臨空條件。通過橫向分區(qū)，針對(duì)性的控制爆破量，進(jìn)而有效地控制爆破效果。同時(shí)，炮孔布置時(shí)應(yīng)盡可能避開巖石節(jié)理突變層，防止因巖層的節(jié)理突變而產(chǎn)生飛石。

3.2.2 單孔裝藥量的精細(xì)設(shè)計(jì)

（1）線性擬合公式推導(dǎo)。根據(jù)爆破振速控制值及最小安全距離要求，炸藥量Q由薩道夫斯基公式計(jì)算：

式（1）中，Q為炸藥量，kg；R為爆破振動(dòng)安全允許距離，m；V為保護(hù)對(duì)象所在地安全允許質(zhì)點(diǎn)振速，cm/s；K和α為與爆破點(diǎn)至保護(hù)對(duì)象間地形、地質(zhì)有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)。

整理公式（1），得：

對(duì)公式（2）兩邊取對(duì)數(shù)，可得：

則公式（3）可簡(jiǎn)化為：

（2）對(duì)參數(shù)K、α求解。試驗(yàn)爆破過程中，采用2號(hào)乳化巖石炸藥（φ32 mm，150 g）及非電毫秒雷管。對(duì)實(shí)測(cè)得到的爆破參數(shù)進(jìn)行線性回歸，并取垂向、徑向、切向三個(gè)方向的平均值，可得公式（4）中的回歸系數(shù)a＝-4.98，b＝1.95，將其代入a＝lnK，b＝α，可求得爆破參數(shù)K＝146，α＝1.95。

（3）修正單孔裝藥量Q。將回歸爆破參數(shù)K＝146、α＝1.95代入公式（1），可求得場(chǎng)區(qū)內(nèi)修正后的單孔裝藥量Q，見表2。

3.2.3 填塞質(zhì)量的精細(xì)控制

炮孔填塞方式采用連續(xù)裝藥，單孔裝藥的精度為±30 g。起爆采用正向起爆方式，起爆藥包設(shè)置在爆破孔口第1節(jié)。用現(xiàn)場(chǎng)的砂石分層填塞炮孔內(nèi)裝藥后的剩余空間并分段搗實(shí)。針對(duì)炮孔內(nèi)積水現(xiàn)象，用粗砂作為炮孔填塞物確保炮孔填塞質(zhì)量。

4 爆破效果

為了監(jiān)測(cè)施工現(xiàn)場(chǎng)按修正后的參數(shù)進(jìn)行爆破作業(yè)的效果，采用3臺(tái)測(cè)振儀同時(shí)對(duì)重點(diǎn)保護(hù)建筑物進(jìn)行爆破振速監(jiān)測(cè)（圖2）。

圖2 振動(dòng)速度傳感儀現(xiàn)場(chǎng)布置圖

表2 單孔裝藥量表 kg

圖3給出了場(chǎng)區(qū)內(nèi)典型爆破振速時(shí)程曲線，由典型爆破振速時(shí)程曲線可知，現(xiàn)場(chǎng)垂向爆破振速在0.02～0.04 s時(shí)段達(dá)到峰值，最大振速接近1.0 cm/s且持續(xù)的時(shí)間較短，在0.25 s之后基本無(wú)振動(dòng)（圖3a）；徑向爆破振速在0.02～0.04 s時(shí)段達(dá)到峰值，最大振速接近0.5 cm/s且持續(xù)的時(shí)間較短，在0.2 s之后基本無(wú)振動(dòng)（圖3b）；而切向振速在0.02～0.06 s時(shí)段達(dá)到峰值，最大振速接近0.75 cm/s且持續(xù)的時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，在0.2 s之后基本無(wú)振動(dòng)（圖3c）?？梢?，場(chǎng)區(qū)內(nèi)爆破振速以垂向和切向振動(dòng)為主，其中，垂向振動(dòng)幅度最大，且衰減相對(duì)較慢，切向振動(dòng)的峰值持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，峰值過后振速衰減較快。

圖3 典型爆破振速時(shí)程曲線

表3給出了本場(chǎng)區(qū)基坑爆破開挖9個(gè)月的三向振速最大實(shí)測(cè)值，表3數(shù)據(jù)表明，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)爆破振速均小于爆破振速控制值1.0 cm/s，說明精細(xì)爆破設(shè)計(jì)合理可行。

表3 爆破三向振速最大實(shí)測(cè)值 cm/s

5 爆破飛石控制

為有效控制爆破飛石，主要采取以下技術(shù)措施：

（1）確定合理的爆破單耗值，絕不能因挖方要求塊度小而任意加大藥量以提高破碎度，必須避免單耗失控造成飛石；

（2）堵塞段長(zhǎng)度須大于最小抵抗線，并確保堵塞密實(shí)，嚴(yán)格控制堵塞質(zhì)量；

（3）對(duì)于軟弱帶、裂隙、節(jié)理等地質(zhì)構(gòu)造，施工時(shí)需慎重，應(yīng)采取調(diào)整孔網(wǎng)參數(shù)、間隔堵塞、調(diào)整藥量等技術(shù)措施；

（4）多排爆破時(shí)要選擇合適的延遲時(shí)間，避免因前排帶炮造成后排最小抵抗線大小與方向失控；

（5）采取表面覆蓋防護(hù)措施后，為防止仍有個(gè)別飛石逸出，在基坑鋼筋混凝土支撐上設(shè)置空中隔離防護(hù)，將爆區(qū)上空完全封蓋。

6 結(jié)論及建議

（1）本文結(jié)合硬巖深基坑的平面特點(diǎn)、工程地質(zhì)條件，在滿足周邊建筑物保護(hù)嚴(yán)格要求的條件下，提出“中部拉槽、橫向分區(qū)、縱向分段、豎向分層”的爆破開挖方案合理可行。

（2）通過試爆和回歸分析等技術(shù)措施，在基坑橫向各分區(qū)內(nèi)針對(duì)性的選取爆破參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了巖層基坑爆破的精細(xì)化設(shè)計(jì)和施工。在有效控制爆破振速和飛石等前提下，加快了爆破開挖速度，取得了較好的效果。

（3）場(chǎng)區(qū)內(nèi)巖層主要為硬巖，振動(dòng)擴(kuò)散能力強(qiáng)，振速傳播速度快，爆破方案中未考慮減振孔的措施。因此，對(duì)減振孔的必要性有待于做進(jìn)一步研究。

（4）本場(chǎng)區(qū)巖層主要為強(qiáng)中風(fēng)化粗?；◢弾r，煌斑巖、花崗班巖呈脈狀穿插其間，地下水主要為基巖裂隙水，水量一般。如何考慮基巖巖體破碎、節(jié)理裂隙發(fā)育且呈現(xiàn)非均一性、地下水蘊(yùn)含不同等差異的影響，選取合理的爆破參數(shù)以適用不同環(huán)境下的爆破施工要求，都有待于做進(jìn)一步的探討。

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責(zé)任編輯 朱開明

Application of Fine Blasting in Excavation of Hard Rock Deep Foundation Pit

Cao Ping, Xu Hua

Taking the engineering of a deep foundation pit excavation in Qingdao metro as an example, the paper introduces the application of fine blasting in the excavation process of hard rock deep foundation pit. According to the engineering geological conditions, in order to meet the strict requirements of the surrounding complex environment, the blasting excavation scheme of Middle Section Trough, Vertical Direction Area Division, Longitudinal Direction Section Division, Vertical Direction Section Division is used to increase the blasting freedom surface. At the same time, taking into consideration of the theoretical analysis and regression analysis as well as many times of tests to adjust and select reasonable blasting parameters, the construction safety and speed up the progress of the project is ensured.

hard rock, deep foundation pit excavation, fi ne blasting

TD235.37

2015-03-14

曹平：中鐵隆工程集團(tuán)有限公司，工程師，四川成都 610000