地鐵隧道下臺(tái)階爆破參數(shù)的優(yōu)化

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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地鐵隧道下臺(tái)階爆破參數(shù)的優(yōu)化

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：以青島地鐵2號(hào)線延安路站車(chē)站主體Ⅰ部下臺(tái)階爆破施工為背景，分析了下臺(tái)階前期爆破中存在的問(wèn)題，對(duì)下臺(tái)階的爆破循環(huán)進(jìn)尺、炮孔間排距、單孔裝藥量、單段最大起爆藥量、周邊眼雷管段別、爆破網(wǎng)絡(luò)等爆破參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。結(jié)果表明：優(yōu)化后的爆破方案，比鉆眼個(gè)數(shù)下降了15.62%，雷管單耗下降了30.5%，單位巖石爆破耗時(shí)下降了18.18%，盲炮概率下降了83.33%；使下臺(tái)階施工在滿足爆破振速的同時(shí)，縮短了爆破用時(shí)、減少了炸藥及雷管單耗，提高了爆破效果。

關(guān)鍵詞：下臺(tái)階；爆破網(wǎng)絡(luò)；爆破參數(shù)；地鐵；盲炮

臺(tái)階法具有適用性廣、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，故被廣泛地應(yīng)用在城市淺埋隧道爆破施工中[1]。由于上臺(tái)階距離地表建筑物較近且僅存在掌子面一個(gè)自由面，爆破振動(dòng)較難控制，因此，上臺(tái)階的爆破參數(shù)被國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛研究，并獲得了大量規(guī)律性結(jié)論[2-4]。而下臺(tái)階爆破振速較易控制，故對(duì)下臺(tái)階的爆破參數(shù)研究較少[5-7]，造成下臺(tái)階爆破施工可借鑒的經(jīng)驗(yàn)較少。但下臺(tái)階的爆破開(kāi)挖將影響隧道整體爆破開(kāi)挖用時(shí)、炸藥雷管單耗等工程施工效率與成本問(wèn)題，因此，有必要對(duì)下臺(tái)階爆破參數(shù)進(jìn)行研究，使下臺(tái)階爆破施工在滿足爆破振速的同時(shí)，盡可能縮短爆破用時(shí)，減少炸藥及雷管單耗。本文以青島地鐵2號(hào)線延安路站車(chē)站主體Ⅰ部下臺(tái)階爆破施工為背景，分析了下臺(tái)階前期爆破中存在的問(wèn)題，進(jìn)而優(yōu)化了爆破參數(shù)并取得了顯著成果。

1 爆破施工狀況

1.1 工程概況

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(chē)站中心里程處拱頂覆土約17 m，全長(zhǎng)160 m。車(chē)站主體開(kāi)挖斷面寬23.44 m，高18.37 m，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工。車(chē)站西側(cè)15.1 m處為冠業(yè)大廈，項(xiàng)目部要求控制振速1.0 cm/s。采用兩臺(tái)TC-4850測(cè)振儀測(cè)振，測(cè)點(diǎn)靠近貴和福利廠布置。其中車(chē)站Ⅰ部圍巖等級(jí)Ⅳ級(jí)～Ⅴ級(jí)，高9.96 m，寬8.05 m，采用上下臺(tái)階法施工，上臺(tái)階開(kāi)挖進(jìn)度超前于下臺(tái)階開(kāi)挖進(jìn)度約10 m。車(chē)站Ⅰ部下臺(tái)階圍巖等級(jí)Ⅳ級(jí)，距冠業(yè)大廈的水平距離為15.1 m，垂直距離為20.85 m，直線距離為25.5 m。如圖1所示。

1.2 前期爆破施工參數(shù)

圖1 下臺(tái)階與冠業(yè)大廈的位置關(guān)系(單位：m)

車(chē)站主體Ⅰ部下臺(tái)階采用YT28型氣腿式鑿巖機(jī)鉆眼，炮孔直徑42 mm；雷管為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?32 mm×300 mm，每卷0.3 kg。爆破斷面部分長(zhǎng)8.05 m，高3.30 m，開(kāi)挖面積24.5 m2。下臺(tái)階共計(jì)炮孔65個(gè)，一次起爆Ⅰ-1區(qū)域與Ⅰ-2區(qū)域，之間用第17段雷管進(jìn)行孔外延期，導(dǎo)爆管網(wǎng)路傳爆聯(lián)接方式為簇聯(lián)；爆破循環(huán)進(jìn)尺1.5 m，比鉆眼個(gè)數(shù)2.56個(gè)/m2；炸藥量21.45 kg，炸藥單耗0.584 kg/m3；共用雷管70發(fā)，雷管單耗1.9發(fā)/m3；爆破循環(huán)耗時(shí)4 h(其中出渣1.5 h)，單位巖石爆破耗時(shí)為0.11 h/m3。現(xiàn)場(chǎng)炮眼布置圖見(jiàn)圖2，爆破網(wǎng)絡(luò)連接圖見(jiàn)圖3(圖中阿拉伯?dāng)?shù)字代表雷管段別)。爆破參數(shù)見(jiàn)表1。

在以上爆破方案實(shí)施工程中，爆破狀況為：①下臺(tái)階的爆破循環(huán)耗時(shí)較多，尤其打眼和爆破耗時(shí)較多，共計(jì)耗時(shí)2.5 h，占爆破循環(huán)總用時(shí)的62.5%，單位巖石爆破耗時(shí)為0.11 h/m3。②爆破振速集中在0.3～0.5 cm/s，振速符合要求，振速最大值易出現(xiàn)在周邊眼及底板眼。③斷面成型效果差，周邊眼部分欠挖。④平均每5個(gè)爆破循環(huán)中，Ⅰ-2區(qū)域即第2組部分雷管出現(xiàn)盲炮現(xiàn)象。

圖2 原爆破方案炮眼布置圖(單位：mm)

圖3 原爆破方案爆破網(wǎng)絡(luò)連接圖

炮孔名稱段別眼數(shù)與掌子面夾角/°炮孔長(zhǎng)度/mm單孔裝藥量/kg單段最大起爆藥量/kg輔助眼1,3～15449016000.30.6周邊眼4～5、7～8、10、12、13、1589316050.30.6底板眼14～19139516050.450.9

2 優(yōu)化爆破設(shè)計(jì)

2.1 原爆破狀況分析

2.1.1 爆破循環(huán)耗時(shí)較多

由原爆破方案可知，最上排的炮孔距離上部的自由面距離為800 mm，即最小抵抗線為800 mm。在自由面充分的情況下，最小抵抗線為800 mm明顯過(guò)小。其他炮孔間排距為570～600 mm，在實(shí)際爆破振速遠(yuǎn)小于要求爆破振速的情況下，炮孔間排距顯然過(guò)小。下臺(tái)階的比鉆眼個(gè)數(shù)達(dá)2.56個(gè)/m2，根據(jù)前期施工經(jīng)驗(yàn)可知，比鉆眼個(gè)數(shù)偏大，鉆孔及裝藥耗時(shí)較多。同時(shí)，爆破循環(huán)進(jìn)尺僅1.5 m，造成每爆破循環(huán)爆破的總巖石量較少。因此，下臺(tái)階爆破循環(huán)耗時(shí)和單位巖石爆破耗時(shí)較多。

2.1.2 爆破振速

下臺(tái)階爆破時(shí)存在多個(gè)自由面及上臺(tái)階爆破形成的空腔，故爆破振速較易控制。根據(jù)薩道夫斯基公式：

(1)

式中：R為爆源與需要保護(hù)的建筑物之間的距離，本工程R=25.5 m；Qmax為最大單段起爆藥量(kg)；v為保護(hù)對(duì)象所在地質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)安全允許速度，本工程為1 cm/s；K、α分別為與爆破點(diǎn)至計(jì)算保護(hù)對(duì)象間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)，根據(jù)工程前期數(shù)據(jù)，采用最小二乘法計(jì)算的K=58，α=1.31。

計(jì)算得Qmax=1.5 kg，而實(shí)際施工中，單段最大起爆藥量只有0.9 kg，故最大爆破振速遠(yuǎn)小于控制要求的1.0 cm/s。

由炮眼布置圖可知，周邊眼在同排的輔助眼爆破后即起爆自由面不充分，巖石夾制作用大，故造成的振動(dòng)較輔助眼大；底板眼單段起爆藥量相對(duì)較大，且炮孔有一個(gè)向下的外插角，需要爆破的巖石量大，故造成的振動(dòng)較輔助眼大。

2.1.3 隧道斷面成型差

周邊眼的爆破效果直接決定了隧道斷面成型質(zhì)量。由上述2.1.2分析可知，周邊眼爆破時(shí)自由面不充分，爆破效果較差，故隧道斷面成型差。

2.1.4 盲炮現(xiàn)象

Ⅰ-2區(qū)域即第2組的孔外延期采用第17段大段別雷管延期，當(dāng)Ⅰ-1區(qū)域即第1組開(kāi)始爆破時(shí)，爆破飛石有足夠時(shí)間飛向Ⅰ-2區(qū)域，將Ⅰ-2區(qū)域內(nèi)的雷管尾部的塑料導(dǎo)爆管切斷，造成盲炮現(xiàn)象。

2.2 爆破參數(shù)優(yōu)化

2.2.1 爆破循環(huán)進(jìn)尺

在考慮施工機(jī)械與滿足爆破振速的同時(shí)，應(yīng)盡可能增大爆破循環(huán)進(jìn)尺，以減少循環(huán)次數(shù)、降低單位巖石爆破耗時(shí)?？紤]到本工程的鉆眼機(jī)械為YT-28型氣腿式鑿巖機(jī)及前期爆破振速較小，故將爆破循環(huán)進(jìn)尺增加到1.8 m。

2.2.2 炮孔間排距

由2.1.1分析可知，需要增大炮孔間排距，以減少比鉆眼個(gè)數(shù)，進(jìn)而減少爆破循環(huán)用時(shí)。下臺(tái)階的最小抵抗線按公式(2)計(jì)算：

(2)

式中：W為最小抵抗線(mm)；L為炮孔深度(mm)。

爆破循環(huán)進(jìn)尺優(yōu)化為1.8 m，根據(jù)前期炮孔利用率，炮孔深度L定為2.0 m，故W=800～2 000 mm。由于最上排的輔助眼自由面充分，結(jié)合公式(2)與實(shí)際施工狀況，最上排輔助眼的最小抵抗線定為1 200 mm?？紤]到其他炮孔爆破時(shí)需承受最上排炮孔爆破后的巖石重量，故其他輔助眼排炮孔間排距定為620～700 mm。前期底眼爆破效果較好，不存在欠挖，故底眼間距及傾角不變。

2.2.3 單段裝藥量?jī)?yōu)化

由2.1.2計(jì)算可知，原方案中單孔裝藥量較少，同時(shí)單段最大起爆藥量偏小，因此可以適當(dāng)增大單段最大起爆藥量。輔助眼單孔裝藥量可按公式(3)計(jì)算：

(3)

式中：Qf為輔助眼的單孔裝藥量(kg)；τ為裝藥系數(shù)，與炮孔間排距及圍巖等級(jí)有關(guān)，根據(jù)工程前期經(jīng)驗(yàn)，取τ=0.2；γ為每米藥卷的炸藥質(zhì)量(kg/m)，本工程γ=1.1 kg/m；L為炮眼深度(m)，取值2.0 m。

經(jīng)計(jì)算Qf=0.44 kg，為方便現(xiàn)場(chǎng)裝藥，故取單孔裝藥量0.45 kg即1.5卷炸藥。考慮到底眼存在向下的外插角，故底眼裝藥量增大到0.6 kg即2卷炸藥。采用兩孔一段即兩個(gè)炮孔使用同一個(gè)雷管段別，即最大單段起爆藥量1.2 kg

2.2.4 周邊眼雷管段別優(yōu)化

由2.1.3分析可知，原方案中，周邊眼爆破時(shí)自由面不充分，巖石夾制作用較大，造成隧道斷面成型較差，故對(duì)周邊眼的雷管段別進(jìn)行優(yōu)化，使周邊眼滯后下一排的輔助眼爆破，即使周邊眼爆破時(shí)存在3個(gè)自由面。優(yōu)化后的周邊眼雷管段別大于下一排輔助眼的雷管段別。

2.2.5 爆破網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化

為防止2.1.4中所述的盲炮現(xiàn)象出現(xiàn)，最好的方法是孔外延期雷管只使用第1段。但是由于雷管段別有限，炮孔數(shù)目較多，不可能實(shí)現(xiàn)孔外延期雷管只使用第1段。若采用分次爆破，必然增加裝藥起爆耗時(shí)。為克服以上問(wèn)題，本設(shè)計(jì)的優(yōu)化方法采用縱向錯(cuò)開(kāi)一次起爆。即下臺(tái)階斷面的右側(cè)部分超前于左側(cè)部分兩個(gè)爆破循環(huán)，超前的右側(cè)部分作為Ⅰ-1區(qū)域一次起爆，滯后的左側(cè)部分作為Ⅱ-2區(qū)域，采用孔外大段別雷管延期。Ⅰ-1區(qū)域的爆破飛石對(duì)Ⅱ-2區(qū)域的影響大大降低；同時(shí)，下臺(tái)階縱向錯(cuò)開(kāi)，避免了下臺(tái)階爆破后上臺(tái)階的初期支護(hù)同時(shí)懸空。

根據(jù)上述的優(yōu)化方案，得到優(yōu)化后的炮眼布置如圖4所示；爆破網(wǎng)絡(luò)連接圖如圖5所示，圖中阿拉伯?dāng)?shù)字代表雷管段別；爆破現(xiàn)場(chǎng)雷管布置如圖6所示；爆破參數(shù)如表2所示。

圖4 優(yōu)化后的炮眼布置圖(單位：mm)

圖5 優(yōu)化后的爆破網(wǎng)絡(luò)連接圖

圖6 爆破現(xiàn)場(chǎng)炮眼布置圖

炮孔名稱段別眼數(shù)與掌子面夾角/°炮孔長(zhǎng)度/mm單孔裝藥量/kg單段最大起爆藥量/kg輔助眼1,3～15329020000.450.9周邊眼5、9、12～15、1889320050.450.9底板眼10～11、15～20139520050.601.2

優(yōu)化后的下臺(tái)階一次起爆Ⅰ-1區(qū)域與Ⅰ-2區(qū)域之間用第20段雷管進(jìn)行孔外延期，導(dǎo)爆管網(wǎng)路傳爆聯(lián)接方式為簇聯(lián)；爆破循環(huán)進(jìn)尺1.8 m；共計(jì)炮孔53個(gè)，比鉆眼個(gè)數(shù)2.16個(gè)/m2；炸藥量25.8 kg，炸藥單耗0.585 kg/m3；共用雷管58發(fā)，雷管單耗1.32發(fā)/m3。

2.3 優(yōu)化后的爆破狀況

(1)優(yōu)化后的下臺(tái)階的爆破循環(huán)耗時(shí)4 h(其中出渣2 h)，打眼和爆破耗時(shí)占爆破循環(huán)總用時(shí)的50%，單位巖石爆破耗時(shí)為0.09 h/m3。

(2)爆破振速集中在0.5～0.7 cm/s，振速符合要求，振速最大值易出現(xiàn)在底板眼。

(3)斷面成型效果良好，周邊眼基本無(wú)欠挖。

(4)平均每30個(gè)爆破循環(huán)中，Ⅰ-2區(qū)域即第2組部分雷管出現(xiàn)盲炮現(xiàn)象。

與原方案相比，優(yōu)化后的爆破方案，除爆破振速和炸藥單耗略有上升之外，其他各項(xiàng)參數(shù)均下降：比鉆眼個(gè)數(shù)下降了15.62%，雷管單耗下降了30.5%，單位巖石爆破耗時(shí)下降了18.18%，盲炮概率下降了83.33%。

3 結(jié)束語(yǔ)

為在下臺(tái)階的爆破施工中更好地應(yīng)用各項(xiàng)爆破參數(shù)，本文提出以下建議：

針對(duì)圍巖等級(jí)為Ⅳ級(jí)～Ⅴ級(jí)的下臺(tái)階而言，最上排輔助眼的自由面充分，其最小抵抗線即最上排輔助眼距離上部自由面的距離宜設(shè)置為1 000～1 500 mm，而其他各排輔助眼的間排距應(yīng)小于1 000 mm，具體數(shù)值視實(shí)際圍巖情況而定。

下臺(tái)階爆破時(shí)存在上臺(tái)階爆破形成的空腔，故其單段最大起爆藥量應(yīng)適當(dāng)增大。具體數(shù)值應(yīng)通過(guò)對(duì)空腔存在時(shí)的薩式公式重新回歸，計(jì)算下臺(tái)階理論允許的單段最大起爆藥量。

為使隧道斷面成型良好，周邊眼起爆時(shí)應(yīng)保證充分的自由面，故周邊眼的雷管段別大于下一排輔助眼的雷管段別，即滯后于下一排輔助眼起爆。

采用縱向錯(cuò)開(kāi)一次起爆技術(shù)，可有效防止孔外大段別雷管延期存在的盲炮現(xiàn)象。

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收稿日期：2015-11-11

作者簡(jiǎn)介：何闖(1990—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)榈V山安全評(píng)價(jià)理論與方法584650078@qq.com

DOI：10.13219/j.gjgyat.2016.04.018

中圖分類號(hào)：U455.41

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-3953(2016)04-0070-05

On the Optimization of the Blasting Parameters for the Lower Bench Blasting in a Subway Tunnel

He Chuang，Wang Hailiang

(Key Laboratory of Mine Disaster Prevention and Control，Shandong University of Science & Technology，Qingdao 266590，China)

Abstract:With the lower bench blasting construction of Section I of the main body of the Yan′an Road Station of Line 2 of Qingdao Metro as a practical example,problems occurring at the earlier stage of the blasting construction for the lower bench are analyzed in the paper,with all the parameters including the blasting-cycle footage,hole spacing and row,charge for a single hole,the maximum explosive charge for a single section,detonators′ segments of the contour hole,the blasting network,etc.,optimized.The results show that the optimized blasting scheme makes the number of drilling holes decrease by 15.62%,theconsumptionofdetonatorsreduceby30.5%,theblasting-takingtimeforaunitrockdecreaseby18.18%,andtheprobabilityofblindshotsdropby83.33%，asaresultofallofwhichthelowerbenchconstructionnotonlymeetstherequirementfortheblastingvibrationvelocity，butalso,inthemeantime,helpscutdowntheblasting-takingtime,reducetheconsumptionofexplosiveanddetonatorsandimprovestheblastingefficiency.

Key words:lower bench;blasting network;blasting parameters;subway;blind shot