繁華城區(qū)明挖地鐵基坑微振控制爆破技術(shù)

李子華，胡云峰，劉光銘，薛里，劉世波

(1．中鐵三局集團(tuán)有限公司，山西太原030001;2．中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京100081)

繁華城區(qū)明挖地鐵基坑微振控制爆破技術(shù)

李子華1，胡云峰1，劉光銘1，薛里2，劉世波2

(1．中鐵三局集團(tuán)有限公司，山西太原030001;2．中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京100081)

深圳市軌道交通11號(hào)線工程一區(qū)間工點(diǎn)為基坑明挖段，周邊環(huán)境復(fù)雜，次高壓燃?xì)夤艿谰嗷舆呑罱嚯x只有12 m，要求爆破振速不大于2 cm/s，施工難度極大。為滿足安全和工期要求，采用了電子雷管微振動(dòng)控制爆破技術(shù)，通過調(diào)整起爆時(shí)差，使得振動(dòng)波形發(fā)生錯(cuò)相疊加，達(dá)到減振目的。通過爆破試驗(yàn)獲得了有效降振的最佳延時(shí)時(shí)差以及振動(dòng)衰減規(guī)律，總結(jié)出了微振動(dòng)控制爆破施工工藝，完善了最終的爆破方案，并在施工中得到成功應(yīng)用，保證了該工程的安全高效完成。

微振動(dòng) 控制爆破 地鐵基坑 電子雷管 干擾降振

深圳市城市軌道交通11號(hào)線工程一工點(diǎn)位于深圳市寶安區(qū)福永站至橋頭站之間寶安大道下，基坑深17 m，開挖方量約80 000 m3，設(shè)計(jì)采用明挖法。周邊環(huán)境非常復(fù)雜，施工場(chǎng)地兩側(cè)有許多廠房、辦公樓及給水、電信、電力、燃?xì)獾裙芫€。其中DN500次高壓(1.6 MPa)燃?xì)夤艿谰嗷舆呑罱嚯x只有12 m，埋深約1.86～2.39 m，要求振速控制在2 cm/s以內(nèi)，是施工控制重點(diǎn)。該工程開挖方量大、工期緊，對(duì)爆破振動(dòng)控制要求非常嚴(yán)格，采用常規(guī)的開挖方式已無法滿足工程進(jìn)度和振動(dòng)控制的需要。

現(xiàn)有理論認(rèn)為，可通過設(shè)置合理微差間隔時(shí)間利用爆破地震波干擾達(dá)到減震目的。廖先葵等［1-2］在礦山大規(guī)模爆破中，采用對(duì)稱分區(qū)，合理設(shè)置微差間隔時(shí)間方法，實(shí)現(xiàn)了爆破地震波干擾減震的目的。郭學(xué)彬等［3-4］通過試驗(yàn)和理論分析進(jìn)一步論證了微差爆破干擾減震存在的條件。但是對(duì)一般巖土爆破工程，由于起爆器材的限制，實(shí)際工程中干擾減震并不容易實(shí)現(xiàn)。

電子雷管制造技術(shù)日趨成熟，由于其延時(shí)精度高和段別設(shè)置不受限制，使控制振動(dòng)相位成為可能。它的出現(xiàn)可稱為工程爆破行業(yè)的一場(chǎng)技術(shù)革命。國產(chǎn)電子雷管的起爆延時(shí)精度已經(jīng)達(dá)到1 ms，并已在國內(nèi)礦山深孔爆破工程中大量應(yīng)用，起到了理想的減振效果，但在城區(qū)內(nèi)復(fù)雜環(huán)境下大規(guī)模應(yīng)用還較少見。雖已有一些研究成果，但其應(yīng)用過于依賴工程經(jīng)驗(yàn)，尚未形成完備的設(shè)計(jì)理論和實(shí)用的施工技術(shù)［5-9］。

為確保本工程周邊建筑設(shè)施的安全，加快施工進(jìn)度，決定采用電子數(shù)碼雷管微振動(dòng)爆破技術(shù)，但由于該技術(shù)目前尚無完善的設(shè)計(jì)理論，因此需先進(jìn)行爆破試驗(yàn)，確定設(shè)計(jì)參數(shù)。

1 爆破試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)的目的

電子雷管的最大優(yōu)勢(shì)就是延時(shí)時(shí)差可調(diào)、延時(shí)精度高。該特點(diǎn)使得應(yīng)用波形疊加干擾降振技術(shù)成為現(xiàn)實(shí)，可最大化地降低爆破振動(dòng)。該技術(shù)關(guān)鍵是確定合理延時(shí)時(shí)差，保證波形能發(fā)生錯(cuò)相疊加，達(dá)到減振目的。試爆目的:①確定最佳延時(shí)時(shí)差;②確定該地質(zhì)條件下的振動(dòng)衰減規(guī)律，為設(shè)計(jì)提供理論依據(jù);③總結(jié)電子雷管在該類工程施工應(yīng)用的工法，為后期推廣應(yīng)用提供參考。

1.2 電子雷管及起爆系統(tǒng)

通過調(diào)研和專家推薦，本工程選用隆芯1號(hào)數(shù)碼電子雷管，具有高安全、高精度、寬延期范圍、在線可編程的特點(diǎn)。銥缽起爆系統(tǒng)是隆芯1號(hào)數(shù)碼電子雷管的專用起爆系統(tǒng)，主要由隆芯1號(hào)數(shù)碼電子雷管、銥缽表和銥缽起爆器三部分組成，可實(shí)現(xiàn)隆芯1號(hào)數(shù)碼電子雷管上線注冊(cè)、在線檢測(cè)、延期編輯以及組網(wǎng)通信等功能。該電子雷管和電爆網(wǎng)路的優(yōu)點(diǎn):①在環(huán)境中有外電存在的情況下，因?yàn)殡娮永坠艿目菇恢绷?、抗射頻、抗靜電、抗雜散電流性能，不存在早爆、誤爆的危險(xiǎn);②由于電子雷管不受段位影響，在大規(guī)模爆破工程中，不存在重段現(xiàn)象，能實(shí)現(xiàn)微差逐孔起爆從而有效降低單響起爆藥量，且網(wǎng)路設(shè)計(jì)簡單易行;③由于所有的雷管是以并聯(lián)的方式連接的，電子雷管施工不存在支路電阻不匹配問題;④爆破網(wǎng)路及雷管具可檢查性。當(dāng)起爆網(wǎng)路連接好之后，所有的施工人員撤離到安全距離以外，通過專用設(shè)備可對(duì)爆破網(wǎng)路連接的可靠性進(jìn)行“一鍵檢測(cè)”，對(duì)連接不可靠的雷管進(jìn)行準(zhǔn)確定位，既安全又高效。

由于數(shù)碼電子雷管的高精度(0～100 ms，偏差＜1 ms;101～16 000 ms，偏差＜1%)，可以取得傳統(tǒng)雷管所無法比擬的效果。首先，通過微差爆破可以實(shí)現(xiàn)真正意義的干擾降振;其次，良好的同步性保證了光爆和預(yù)裂效果;第三，通過逐孔起爆的方法可增加單次起爆藥量，提高單次起爆規(guī)模;第四，通過在線設(shè)置微差時(shí)間，充分利用巖石爆炸產(chǎn)生的應(yīng)力，改善破碎效果。

1.3 試爆方案

延時(shí)時(shí)差和地質(zhì)條件、地形條件、爆破方式、裝藥結(jié)構(gòu)等有關(guān)，為了確定適合本工程的最佳延時(shí)時(shí)間。設(shè)計(jì)了單孔和群孔共9個(gè)試驗(yàn)組，群孔爆破試驗(yàn)采用8～20 ms的延時(shí)間隔。通過對(duì)爆破振動(dòng)波形進(jìn)行分析，最終確定適合本工程的延期時(shí)差。

第1組試驗(yàn)有16個(gè)孔，孔深3.2 m，孔間距為1.6 m×1.7 m，每孔的藥量為3 kg。第1個(gè)孔單獨(dú)響，響完280 ms后，其余的孔以17 ms間隔逐孔起爆，起爆順序及延時(shí)時(shí)間見圖1。通過這組試驗(yàn)可以得到單孔的振動(dòng)波形參數(shù)和群孔延時(shí)17 ms的振動(dòng)情況。

另外8組試驗(yàn)為不同延時(shí)間隔的爆破試驗(yàn)，延時(shí)設(shè)置情況見表1。前5組有4排孔，分2個(gè)延時(shí)時(shí)差，第6組有3排孔，分別設(shè)置了3種不同的延時(shí)時(shí)差，最后2組分別試驗(yàn)了不同孔間和排間的延時(shí)時(shí)差。試驗(yàn)中各孔的裝藥量均與第1組相同。

1.4 測(cè)試方案

測(cè)試采用TC-4850爆破測(cè)振儀和三向速度傳感器。傳感器安裝在爆區(qū)一側(cè)，共布設(shè)5個(gè)測(cè)點(diǎn)，距爆區(qū)分別為10，21，35，49和87 m，其中4號(hào)測(cè)點(diǎn)布設(shè)在次高壓燃?xì)夤苌戏?，通過多次測(cè)試結(jié)果分析得到最佳延時(shí)時(shí)差，并回歸得到振動(dòng)衰減規(guī)律。測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。

圖1 起爆順序及延時(shí)時(shí)間設(shè)計(jì)

表1 爆破試驗(yàn)延時(shí)設(shè)置情況

圖2 測(cè)點(diǎn)布置示意(單位:m)

1.5 測(cè)試結(jié)果

第1組試驗(yàn)，爆后最遠(yuǎn)的5號(hào)測(cè)點(diǎn)未觸發(fā)，其余均采集到振動(dòng)波形。從測(cè)試結(jié)果可以看出，單孔爆破的主振周期為20～35 ms。根據(jù)現(xiàn)有的理論，認(rèn)為要達(dá)到波形疊加減振的效果，孔間延時(shí)為10～17 ms較為合理。另從Z軸的振動(dòng)波形看，群孔爆破的振速值明顯小于單孔，說明群孔爆破發(fā)生了波形疊加，振速降低。

其余各組爆破試驗(yàn)振動(dòng)檢測(cè)結(jié)果見表2。

1.6 測(cè)試結(jié)果分析

與普通非電導(dǎo)爆管雷管的振動(dòng)波形相比，電子雷管爆破振動(dòng)能量分布均勻，主振頻率高于普通雷管的爆破振動(dòng)頻率，降振效果顯著。

通過一系列試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在單響藥量相同的情況下，當(dāng)孔間延時(shí)為17 ms時(shí)，振速最小。從第2組試驗(yàn)檢測(cè)波形也可以看出，延時(shí)間隔時(shí)差為17 ms時(shí)，振速值明顯＜9 ms。通過追加幾次試驗(yàn)，結(jié)果相同。

通過后面幾組試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在該地質(zhì)條件下，采用17 ms的延時(shí)間隔時(shí)差，可以達(dá)到較好的減振效果，振動(dòng)值最小，在后期的爆破施工中統(tǒng)一采用延時(shí)間隔時(shí)差17 ms的逐孔起爆形式。

將前5次的試驗(yàn)爆破振動(dòng)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行處理，按薩道夫斯基公式進(jìn)行回歸，結(jié)果如圖3所示。

表2 爆破試驗(yàn)振動(dòng)檢測(cè)結(jié)果

圖3 振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)回歸曲線

從圖3可知該地域的振動(dòng)衰減公式為

式中:v為振動(dòng)速度，Q為爆破裝藥量，R為測(cè)點(diǎn)距爆破中心的距離。

在后期的爆破設(shè)計(jì)中，可以按照該公式初步計(jì)算，保證振動(dòng)值控制在合理范圍內(nèi)。同時(shí)可根據(jù)測(cè)試量的增加，測(cè)試點(diǎn)數(shù)的增加，逐步修正該公式，以指導(dǎo)后期施工設(shè)計(jì)。

2 爆破方案

2.1 爆破參數(shù)

為滿足粒徑要求，降低大塊率，并使得爆破、挖裝、運(yùn)輸效率最優(yōu)，同時(shí)滿足振動(dòng)控制要求，主爆破區(qū)域鉆孔直徑不宜過大。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，本工程淺孔爆破鉆孔直徑取76 mm。爆破參數(shù)按以下各式計(jì)算:最小抵抗線W=(25～45)d;鉆孔超深h=(0.25～0.35)× W;炮孔深度L=H+h，H為臺(tái)階高度;堵塞長度l'= (0.8～1.5)W;裝藥長度l=L～l';孔間距a=(1.0～1.5)W;排間距b=(0.8～1.0)W;單孔藥量Q=qabH或Q=qWaH。

由于爆破區(qū)域內(nèi)多為泥巖、砂巖，應(yīng)針對(duì)不同的巖石類型，選用不同的炸藥單耗。據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，炸藥單耗應(yīng)在0.35～0.40 kg/m3。由此得出不同臺(tái)階深度的裝藥參數(shù)，見表3。

表3 d=76 mm淺孔臺(tái)階控制爆破參數(shù)

根據(jù)以上原則確定基坑主爆區(qū)每次爆破布孔不超過6排。采用梅花形或長方形布孔，堵塞長度2.5 m。

各雷管腳線并聯(lián)接入起爆主線上，逐孔起爆，延時(shí)時(shí)差為17 ms。

2.2 施工工藝

電子雷管為近些年出現(xiàn)的新型起爆器材，目前尚未大面積推廣使用，且施工工藝根據(jù)工程特點(diǎn)有所不同。通過多次試爆，建立了適合本工程特點(diǎn)的電子雷管施工工法，具體施工順序?yàn)?清理工作面→布孔→鉆孔→驗(yàn)孔→電子雷管檢測(cè)→裝藥→電子雷管注冊(cè)、標(biāo)號(hào)(再次檢測(cè))→堵孔→連網(wǎng)→網(wǎng)絡(luò)快速檢測(cè)→壓沙包→蓋鋼板→壓沙包→設(shè)置起爆時(shí)差→完全檢測(cè)→起爆→爆后檢查→撤除防護(hù)。

首次電子雷管檢測(cè)的主要目的是剔除有質(zhì)量問題的電子雷管，第2次檢測(cè)的目的是進(jìn)行注冊(cè)，要按著預(yù)先設(shè)定的起爆順序進(jìn)行注冊(cè)，每注冊(cè)1發(fā)，在雷管接頭上用油筆標(biāo)出順序號(hào)。注冊(cè)完成后，確定雷管沒問題，再進(jìn)行堵孔。設(shè)置起爆時(shí)差時(shí)依波表要與網(wǎng)絡(luò)斷開。根據(jù)腳線編號(hào)，以并聯(lián)的方式，將各炮孔的腳線通過起爆線連為一體，然后起爆線與起爆器連接。網(wǎng)絡(luò)連接及檢查完畢后，段位較少時(shí)，可通過起爆器設(shè)置各區(qū)域、各段位的起爆延時(shí)時(shí)間;段位多時(shí)，通過便攜式電腦設(shè)置各段位之間起爆延時(shí)時(shí)間。設(shè)置延時(shí)時(shí)差依據(jù)試驗(yàn)確定的最佳延時(shí)間隔時(shí)差。安全警戒后，通過輸入密碼激活起爆器，開始爆破。等人員全部撤離爆區(qū)后，再進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)完全檢測(cè)，完全檢測(cè)通過后，進(jìn)入警戒和起爆流程。

2.3 安全措施

施工中采用有效封堵、平面和立面防護(hù)的綜合防護(hù)措施，有效防止爆破飛石。為了提高封堵質(zhì)量，保證不沖孔，采用水拌合沙作為封堵材料，將沙緩慢倒入孔內(nèi)，邊填塞邊用炮棍搗實(shí)。這種方式可以保證良好填塞效果。另外，即便是沖孔，細(xì)沙也不會(huì)對(duì)周邊建筑設(shè)施產(chǎn)生危害。平面防護(hù)采用的是沙包加鋼板的形式，先在孔口壓一個(gè)沙包，再在爆區(qū)上覆蓋一層鋼板，孔口壓一沙包，之后在上面覆蓋一層2 mm厚鋼板，鋼板搭接10 cm，并用鐵絲綁扎成整體。之后再在鋼板上滿壓一層沙包。

3 結(jié)語

2013年7月首次采用本文工法進(jìn)行了試驗(yàn)爆破，之后進(jìn)行了數(shù)十次爆破，取得了良好的爆破效果，保證了周邊建筑設(shè)施的安全，滿足了工程進(jìn)度要求。爆區(qū)西側(cè)的次高壓燃?xì)夤芤笳袼伲? cm/s。從第三方監(jiān)測(cè)的結(jié)果來看，實(shí)際爆破中該處的振速最大值為1.4 cm/s，大部分＜1.0 cm/s，未超出控制標(biāo)準(zhǔn)，振動(dòng)控制效果明顯。上述爆破監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明爆破設(shè)計(jì)方案是成功的，爆破振動(dòng)不會(huì)對(duì)周邊建筑設(shè)施造成危害，也不會(huì)影響次高壓燃?xì)夤艿陌踩\(yùn)營。

［1］廖先葵．深孔爆破大規(guī)模干擾減震機(jī)理及其應(yīng)用［J］．爆破，1993(4):1-6．

［2］陳壽如，李雁翎，謝圣權(quán)．露天采場(chǎng)臺(tái)階干擾降震爆破技術(shù)試驗(yàn)研究［J］．湖南科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2004，19 (2):10-13．

［3］郭學(xué)彬，張繼春，劉泉．微差爆破的波形疊加作用分析［J］．爆破，2006，23(2):4-8．

［4］甄育才，朱傳云．中遠(yuǎn)區(qū)微差爆破振動(dòng)疊加效應(yīng)影響因素分析［J］．爆破，2005，22(2):11-16．

［5］邢光武，鄭炳旭，魏曉林．延時(shí)起爆干擾減震爆破技術(shù)的發(fā)展與創(chuàng)新［J］．礦業(yè)研究與開發(fā)，2009，29(4):95-97．

［6］魏小林，鄭炳旭．干擾減震控制分析與應(yīng)用實(shí)例［J］．工程爆破，2009，15(2):1-6．

［7］田振農(nóng)，孟祥棟，王國欣．城區(qū)隧道電子雷管起爆錯(cuò)相減震機(jī)理分析［J］.振動(dòng)與沖擊，2012，31(21):108-111．

［8］陳繼強(qiáng)，劉為洲．多孔爆破振動(dòng)強(qiáng)度的單孔波形疊加計(jì)算［J］．金屬礦山，2000(8):23-25．

［9］張光雄，楊軍，盧紅衛(wèi)．毫秒延時(shí)爆破干擾降振作用研究［J］．工程爆破，2009，15(3):17-21．

(責(zé)任審編李付軍)

U455.6

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．04．24

1003-1995(2015)04-0089-04

2014-07-20;

2014-09-10

李子華(1983—)，男，內(nèi)蒙古卓資人，工程師。