優(yōu)化爆破參數(shù)進(jìn)行地鐵車站隧道控制爆破

何　闖， 王海亮

(山東科技大學(xué)礦山災(zāi)害預(yù)防控制省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山東 青島　266590)

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優(yōu)化爆破參數(shù)進(jìn)行地鐵車站隧道控制爆破

何闖， 王海亮

(山東科技大學(xué)礦山災(zāi)害預(yù)防控制省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山東 青島266590)

摘要：為減小爆破振動(dòng)速度和提高炮眼利用率，以青島地鐵2號(hào)線車站主體Ⅰ部上臺(tái)階的爆破開挖為背景，從理論上分析了由于掏槽區(qū)域爆破效果差引起爆破振動(dòng)過(guò)大，由于掏槽眼不對(duì)稱、掏槽區(qū)域布置不當(dāng)、掏槽眼間排距過(guò)大、輔助眼排距過(guò)大、未封堵炮孔等原因造成炮眼利用率較低。結(jié)合理論計(jì)算和工程前期施工經(jīng)驗(yàn)對(duì)楔形掏槽參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，同時(shí)在校核單段最大起爆藥量時(shí)考慮了多自由面的影響。結(jié)果表明： 優(yōu)化后的復(fù)式楔形掏槽使炮眼利用率提高到90.5%，爆破振動(dòng)速度控制在0.7 cm/s以內(nèi)。

關(guān)鍵詞：青島地鐵； 隧道； 楔形掏槽； 爆破振動(dòng)； 炮眼利用率； 爆破參數(shù)

0引言

楔形掏槽是斜眼掏槽中較易掌握的掏槽方式，它可以充分利用掌子面唯一的自由面,以較少炮孔消耗和炸藥消耗獲得較大的掏槽面積和槽腔體積[1]。因此，楔形掏槽已被國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛研究和應(yīng)用。文獻(xiàn)[2]論述了楔形掏槽的發(fā)展歷程和楔形掏槽布孔參數(shù)及裝藥參數(shù)；文獻(xiàn)[3]運(yùn)用層次分析法分析了影響楔形掏槽的因素所占比重；文獻(xiàn)[4]通過(guò)數(shù)值研究和試驗(yàn)研究對(duì)復(fù)式楔形深孔掏槽爆破方法的可行性進(jìn)行了論證。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于楔形掏槽方多集中在掏槽爆破理論方面，且楔形掏槽大多應(yīng)用在煤礦巖巷掘進(jìn)爆破中，而對(duì)地鐵隧道爆破楔形掏槽的研究較少，沒(méi)有考慮爆破振速對(duì)楔形掏槽參數(shù)的影響，更沒(méi)有對(duì)爆破現(xiàn)場(chǎng)掏槽效果不佳的原因進(jìn)行分析，未對(duì)隧道爆破中的楔形掏槽參數(shù)優(yōu)化。本文以青島地鐵2號(hào)線車站主體Ⅰ部上臺(tái)階的爆破開挖為背景，從理論和實(shí)踐的角度分析了造成楔形掏槽效果不佳的原因，結(jié)合理論計(jì)算和工程前期施工經(jīng)驗(yàn)對(duì)楔形掏槽參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。

1工程背景

青島地鐵2號(hào)線延安路站總體為暗挖單拱雙層結(jié)構(gòu)，車站中心里程處拱頂覆土約17 m，全長(zhǎng)160 m。車站主體開挖斷面寬23.44 m，高18.37 m，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工。車站西側(cè)為冠業(yè)大廈29層樓，要求振速控制在1.0 cm/s。采用2臺(tái)TC-4850測(cè)振儀測(cè)振，測(cè)點(diǎn)位于冠業(yè)大廈負(fù)1層。

首先開挖的車站主體 Ⅰ 部采用上下臺(tái)階法施工，下臺(tái)階開挖進(jìn)度滯后于上臺(tái)階約10 m。上臺(tái)階開挖斷面寬7.97 m，高3.91 m，斷面面積19.5 m2，圍巖等級(jí)Ⅳ～Ⅴ，已開挖長(zhǎng)度29.5 m。冠業(yè)大廈距離車站主體 Ⅰ 部上臺(tái)階水平距離15.1 m，垂直距離17.1 m。車站主體與冠業(yè)大廈的平面及剖面位置關(guān)系如圖1所示。

圖1　車站與冠業(yè)大廈的平面及剖面位置關(guān)系(單位： m)

Fig. 1Plan and cross-section of the Metro tunnel and Guanye Mansion (m)

2爆破現(xiàn)狀及原因分析

2.1爆破現(xiàn)狀

車站主體Ⅰ部上臺(tái)階的爆破開挖采用YT28型氣腿式鑿巖機(jī)鉆眼，炮孔直徑42 mm。雷管采用第一系列毫秒延期塑料導(dǎo)爆管雷管，所用段別為1、3～20共19個(gè)段別。炸藥為2號(hào)巖石乳化炸藥，規(guī)格為φ32 mm×200 mm，每卷0.2 kg。掏槽采用復(fù)式楔形掏槽，分2次爆破，第1次爆破斷面部分長(zhǎng)8.00 m，高1.90 m，開挖面積13.1 m2。導(dǎo)爆管網(wǎng)路傳爆聯(lián)接方式為簇聯(lián)?，F(xiàn)場(chǎng)炮眼布置見(jiàn)圖2。爆破參數(shù)見(jiàn)表1。出渣后的爆破效果如圖3所示。為節(jié)約爆破循環(huán)用時(shí)，Ⅰ部下臺(tái)階與Ⅰ部上臺(tái)階Ⅰ區(qū)域一次起爆，爆破順序?yàn)? 下臺(tái)階、上臺(tái)階Ⅰ區(qū)域，之間用第19段雷管進(jìn)行孔外延期。因此，從1.7 s以后，為上臺(tái)階Ⅰ區(qū)域的爆破數(shù)據(jù)，如圖4所示。

掏槽區(qū)域的中心線處爆破進(jìn)尺0.5 m，掏槽部分爆破進(jìn)尺0.8 m，周邊眼及底眼發(fā)生“沖炮”，炮眼完好，未取得爆破進(jìn)尺。最大爆破振速達(dá)0.98 cm/s，接近1.0 cm/s的控制要求。

2.2原因分析

2.2.1振速過(guò)大的原因分析

由圖4可知，最大振速出現(xiàn)在2.1 s，1.7～2.3 s爆破數(shù)據(jù)普遍偏大，可見(jiàn)，振速偏大為掏槽區(qū)域的爆破所致。據(jù)已有研究[5]： 振速峰值一般出現(xiàn)在掏槽眼爆破過(guò)程中。當(dāng)掏槽區(qū)的碎石能順利拋出，則給予未作用于巖石的那部分爆炸能量向空氣自由面的溢出空間，從而可以降低爆破振動(dòng)[6]。而此次爆破由于掏槽未爆開，后續(xù)的爆破沒(méi)有足夠的自由面，爆炸過(guò)程中，發(fā)生巖石擠實(shí)現(xiàn)象，未作用于巖石的那部分爆破能量難以溢出，故爆破振動(dòng)較大。

圖中1～19代表雷管段別，Ⅰ～Ⅱ代表分次的起爆區(qū)域。

炮孔名稱段別眼數(shù)傾角/(°)炮孔深度/m單孔裝藥量/kg單段最大起爆藥量/kg一級(jí)掏槽1、3455、601.22、1.280.20.4二級(jí)掏槽4～7860、702.30、2.230.61.2輔助眼8～1632901.800.42.4周邊眼13～1911951.810.30.9底眼8、10、11、13、15～1816951.810.41.6

圖3　爆破效果

2.2.2炮眼利用率低的原因分析

1)掏槽眼不對(duì)稱。由圖2可知，第一級(jí)掏槽眼角度相差5°，第二級(jí)掏槽眼角度相差10°。而掏槽眼的傾角是影響楔形掏槽爆破的主要因素，權(quán)值達(dá)到11.15%[3]。據(jù)已有資料[7]，當(dāng)掏槽眼不對(duì)稱布置時(shí),在巖體內(nèi)生成的裂隙要弱于對(duì)稱布置,導(dǎo)致爆破漏斗體積小，爆破效果差。因此，引起本次爆破失敗的首要因素是掏槽眼不對(duì)稱導(dǎo)致掏槽效果差，進(jìn)而導(dǎo)致后續(xù)的爆破沒(méi)有充足的自由面，使整個(gè)爆破效果差。

圖4　爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)的三矢量合成圖譜

2)掏槽區(qū)域布置不當(dāng)。由于掏槽區(qū)域的中心線距隧道左側(cè)拱腳4.28 m，工人在施打左側(cè)掏槽眼時(shí)，氣腿式鑿巖機(jī)的使用受隧道左側(cè)斷面的限制，角度不易掌握，造成兩側(cè)掏槽眼角度不一。原有的掏槽區(qū)域設(shè)計(jì)不根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工器械、隧道斷面尺寸進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，是導(dǎo)致掏槽失敗的又一個(gè)因素。

3)掏槽眼間排距大。由圖2可知，一級(jí)掏槽眼間距1.6 m，排距0.6 m，二級(jí)掏槽眼間距2.2 m，排距0.45 m。根據(jù)掏槽眼裝藥量的經(jīng)驗(yàn)公式

Q=SLbq/N。

(1)

將各值代入，計(jì)算得Q=0.86 kg，即掏槽眼理論裝藥量為0.86 kg/孔，而實(shí)際裝藥量為一級(jí)掏槽0.4 kg/孔，二級(jí)掏槽0.6 kg/孔。故本次爆破失敗的原因是掏槽眼裝藥量不足，而掏槽眼裝藥量不足是因?yàn)樘筒垩垩蹟?shù)少、間排距大和爆破區(qū)域大造成的。若加大裝藥量又易造成超振，故應(yīng)增加掏槽眼數(shù)，適當(dāng)縮短掏槽眼間排距和爆破區(qū)域。

4)輔助眼排距過(guò)大。由圖2可知，最先爆破的輔助眼與二級(jí)掏槽眼的眼底最小水平間距為1.13 m。對(duì)于淺孔爆破，當(dāng)此間距超過(guò)1 m時(shí)，最先爆破的輔助眼的最小抵抗線大，易造成“沖炮”。

5)未封堵炮孔。不堵塞炮孔會(huì)造成孔口飛石和較大空氣沖擊波，合理的堵塞會(huì)延長(zhǎng)炸藥在炮孔中的作用時(shí)間，提高炸藥能力的利用率，使得巖石可以得到充分破碎[8]。實(shí)際施工中未封堵炮孔，造成底眼、周邊眼、部分輔助眼在自由面不足的情況下產(chǎn)生“沖炮”。

3爆破參數(shù)優(yōu)化

由于拱頂部分圍巖等級(jí)為Ⅴ級(jí)且?guī)r體存在滑層，掏槽部分的爆破易引起滑層失穩(wěn)，故不宜進(jìn)行全斷面一次爆破，所以斷面仍分2次爆破。淺埋隧道的炮眼深度主要受爆破振動(dòng)和施工器械的限制?？紤]到振速控制在1 cm/s，鑿巖機(jī)械為氣腿式鑿巖機(jī)，故炮眼深度未作調(diào)整，仍為1.8 m。所有炮孔炮泥封堵長(zhǎng)度0.5 m。

根據(jù)前期爆破效果，第 Ⅱ 爆破區(qū)域各炮眼的間排距均未作調(diào)整，輔助眼間排距為600 mm，周邊眼間距為500 mm。第 Ⅱ 爆破區(qū)域各炮孔單孔裝藥量為0.3 kg。孔內(nèi)雷管為三孔一段(即3個(gè)炮孔共用1個(gè)段位)。

3.1掏槽區(qū)域參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)2.2.2的原因分析，為便于工人打眼，將整個(gè)掏槽區(qū)域中心線向右偏移，距隧道左側(cè)拱腳4.69 m。根據(jù)式(1)，將掏槽區(qū)域的高縮短為1.3 m，其斷面面積縮小為9.5 m2。斜眼掏槽的孔間距目前還沒(méi)有較好的理論計(jì)算公式,大多依照經(jīng)驗(yàn)參數(shù)取值[9]。根據(jù)前期爆破經(jīng)驗(yàn)，一級(jí)掏槽眼增設(shè)1對(duì)，間距1.0 m，排距0.35 m；二級(jí)掏槽眼間距1.6 m，排距0.3 m。根據(jù)臺(tái)階爆破的現(xiàn)有理論[10]： 掏槽眼傾角θ=60～75°，楔形掏槽時(shí)取較大值。故一級(jí)掏槽眼傾角65°，二級(jí)掏槽眼傾角75°，各炮孔裝藥量不變，經(jīng)計(jì)算，滿足式(1)。

3.2其他炮孔參數(shù)優(yōu)化

最先爆破的輔助眼距離二級(jí)掏槽眼的間距縮小為350 mm，眼底水平間距變?yōu)?50 mm。根據(jù)前期施工經(jīng)驗(yàn)，為防止輪廓欠挖，周邊眼間距縮短為400 mm。掏槽區(qū)域的底眼間距縮小為400 mm，更有利于整個(gè)掏槽完成爆開，其他底眼間距500 mm，各炮孔裝藥量不變。優(yōu)化后的炮眼布置如圖5所示，爆破參數(shù)如表2所示。

3.3單段最大起爆藥量的安全驗(yàn)算

對(duì)掏槽眼裝藥量和輔助眼裝藥量進(jìn)行爆破振動(dòng)安全驗(yàn)算。根據(jù)薩道夫經(jīng)驗(yàn)公式

(2)

經(jīng)計(jì)算，單段最大起爆藥量

圖5　優(yōu)化后的炮眼布置圖(單位： mm)

炮孔名稱段別眼數(shù)傾角/(°)炮孔深度/m單孔裝藥量/kg單段最大起爆藥量/kg一級(jí)掏槽1、3、46651.100.20.4二級(jí)掏槽5～88752.070.61.2輔助眼9～1733901.80.42.4周邊眼15～208951.810.30.6底眼9、11、14、15、17～2017951.810.41.6

輔助眼最大單段起爆藥量為2.4 kg，據(jù)有關(guān)資料[11]，自由面數(shù)量對(duì)爆破振動(dòng)強(qiáng)度的影響非常明顯: 3個(gè)自由面爆破的振動(dòng)速度是2個(gè)自由面爆破的1/3～2/3，是單個(gè)自由面爆破的1/6～1/3。由于輔助眼爆破時(shí)已存在2個(gè)自由面，巖石夾制作用比只有1個(gè)自由面的掏槽炮眼小，在相同的單段裝藥量爆破時(shí)產(chǎn)生的爆破振動(dòng)速度較小。對(duì)輔助眼的單段裝藥量適當(dāng)增加，并進(jìn)行試爆與爆破振動(dòng)檢測(cè)后，結(jié)果表明： 輔助眼單段裝藥量為2.4 kg時(shí)，爆破振動(dòng)速度可以控制在1.0 cm/s內(nèi)。

4結(jié)論和建議

車站主體Ⅰ部與車站主體Ⅳ部應(yīng)用優(yōu)化后的復(fù)式楔形掏槽參數(shù)，完成了20個(gè)循環(huán)，共計(jì)掘進(jìn)32.5 m。期間最大振速為0.70 cm/s，平均炮眼利用率達(dá)90.5%，取得了良好的爆破效果。為更好的應(yīng)用此復(fù)式楔形掏槽技術(shù)，提出以下建議：

1)在振動(dòng)爆破振動(dòng)速度符合要求的情況下，可增加炮眼深度，從而增加爆破進(jìn)尺，加快工程進(jìn)度。

2)在設(shè)計(jì)輔助眼單段最大裝藥量時(shí)，不應(yīng)只依據(jù)薩道夫斯基公式進(jìn)行校驗(yàn)，還應(yīng)考慮掏槽眼爆破所提供的新的自由面對(duì)爆破振速的影響。一般可適當(dāng)增大輔助眼的單段最大裝藥量。

3)當(dāng)斷面圍巖穩(wěn)定性好時(shí)，可采用全斷面一次爆破。參照本設(shè)計(jì)中布孔裝藥方式，第Ⅱ爆破區(qū)域的孔外延期雷管采用20段，隨同第Ⅰ爆破區(qū)域的孔外延期雷管一起起爆，實(shí)現(xiàn)全斷面一次爆破。

4)本文楔形掏槽的參數(shù)優(yōu)化過(guò)多地依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的結(jié)果得出結(jié)論，存在一定的局限性。當(dāng)圍巖等級(jí)或爆破振速要求變化時(shí)，楔形掏槽參數(shù)也將再次進(jìn)行調(diào)整。后續(xù)研究可通過(guò)數(shù)值模擬方法對(duì)楔形掏槽各參數(shù)進(jìn)行研究，進(jìn)一步驗(yàn)證現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果，并量化不同圍巖等級(jí)和爆破振動(dòng)速度楔形掏槽參數(shù)，以期更好地指導(dǎo)工程實(shí)踐。

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中烏合作“中亞第一長(zhǎng)隧”有望2016年上半年竣工

由中鐵隧道集團(tuán)有限公司承建的“中亞第一長(zhǎng)隧”——烏茲別克斯坦卡姆奇克隧道，有望于2016年上半年完工。作為“絲路咽喉”工程將對(duì)推動(dòng)中烏經(jīng)濟(jì)合作乃至整個(gè)中亞地區(qū)的合作具有重要意義。

據(jù)了解，全長(zhǎng)122.7 km的烏茲別克斯坦“安格連—琶布”鐵路是新絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶鐵路網(wǎng)的重要組成部分，被列為烏茲別克斯坦的“總統(tǒng)一號(hào)工程”。其中，中鐵隧道集團(tuán)承建的19.2 km長(zhǎng)的卡姆奇克隧道是全線的重點(diǎn)控制性工程，是中亞第一長(zhǎng)隧道，是目前中烏經(jīng)濟(jì)合作領(lǐng)域單個(gè)最大工程。2013年7月，中鐵隧道集團(tuán)與項(xiàng)目建設(shè)方簽訂項(xiàng)目設(shè)計(jì)施工總承包合同，合同總造價(jià) 4.55 億美元。當(dāng)前，隧道工程量已完成90%，項(xiàng)目進(jìn)展順利。“安琶”鐵路建成后，不僅將改變?yōu)跗潉e克斯坦境內(nèi)運(yùn)輸需繞道他國(guó)的窘境，而且能夠?qū)⑺哺傻劫M(fèi)爾干納州的鐵路運(yùn)輸距離縮短100 km，節(jié)約時(shí)間近2 h， 也將為開展“一帶一路”沿線經(jīng)濟(jì)合作提供便利。

作為烏茲別克斯坦“總統(tǒng)一號(hào)工程”中的關(guān)鍵性項(xiàng)目，卡姆奇克鐵路隧道受到烏方高度關(guān)注。烏茲別克斯坦以一條流經(jīng)隧道到首都塔什干的河流為名，把這條隧道正式命名為卡姆奇克隧道，寓意對(duì)“互聯(lián)互通”的渴望。

在2年多的時(shí)間中，來(lái)自中鐵隧道集團(tuán)的建設(shè)者經(jīng)受了上千次巖爆考驗(yàn)，用過(guò)硬的專業(yè)技術(shù)贏得了烏茲別克斯坦社會(huì)各界的贊許。目前，該項(xiàng)目已進(jìn)入打通“最后一公里”的收官階段，并有望于2016年上半年竣工。

(摘自 中國(guó)中鐵隧道集團(tuán)有限公司 http://www.ctg.ha.cn/tabid/67/InfoID/28779/frtid/79/Default.aspx2016-01-06)

Optimization Analysis on Blasting Parameters for

Blasting Control of Metro Station Tunnels

HE Chuang, WANG Hailiang

(KeyLaboratoryofMineDisasterPreventionandControl,ShandongUniversityofScience&Technology,

Qingdao266590,Shandong,China)

Abstract:The utilization rate of blasting holes is usually influenced by asymmetry of cutting holes, irrational layout of cut zone, large spacing among cut holes, large spacing among assistant holes and non-stemming of the blasting holes. In order to improve the utilization rate of blasting holes and minimize the blasting vibration velocity, some factors are analyzed based on the blasting excavation of Zone 1 of top heading of Metro station on No. 2 Line in Qingdao. In this paper, the parameters of wedge-shaped cut are optimized by means of theoretical calculation and construction experience. In addition, multiple free surface is taken into consideration to check the maximum individual ignition explosive quantity. The results show that the utilization rate of blasting holes was improved to 90.5%, and the blasting vibration velocity was limited within 0.7 cm/s by the compound wedge-shaped cut used.

Keywords：Qingdao Metro; tunnel; wedge-shaped cut; blasting vibration; utilization rate of blasting hole; blasting parameter

中圖分類號(hào)：U 452

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1672-741X(2016)01-0097-05

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.01.015

作者簡(jiǎn)介：第一 何闖(1990—)，男，河北邯鄲人，山東科技大學(xué)采礦工程專業(yè)在讀碩士， 研究方向?yàn)樗?巷)道爆破、隧(巷)道支護(hù)等。E-mail: 584650078@qq.com。

基金項(xiàng)目：山東科技大學(xué)研究生科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目(YC150304)

收稿日期：2015-03-24; 修回日期: 2015-05-27