鬧市區(qū)超深基坑開(kāi)挖的控制爆破技術(shù)

李玉景,趙 文,趙光榮,張寶亮,王付景,倪吉倫

(1.貴州開(kāi)源爆破工程有限公司,貴陽(yáng)551400;2.貴陽(yáng)海螺盤(pán)江水泥有限責(zé)任公司,貴陽(yáng)551400)

近年來(lái),隨著工程機(jī)械的發(fā)展、工程技術(shù)水平的進(jìn)步,適合地下環(huán)境的工程得以興建。基坑開(kāi)挖作為地下工程的重點(diǎn)環(huán)節(jié),其支護(hù)環(huán)節(jié)直接影響后續(xù)工程的施工質(zhì)量,而開(kāi)挖效率直接制約工程進(jìn)度。由于土質(zhì)基坑難以長(zhǎng)期維持邊坡穩(wěn)定,因此支護(hù)具有較大挑戰(zhàn);對(duì)于巖質(zhì)基坑,破巖困難,破巖效率制約著基坑開(kāi)挖的施工進(jìn)度,破巖成本又是開(kāi)挖成本控制的關(guān)鍵。

超深基坑在大型橋梁基礎(chǔ)、城市地鐵站等建設(shè)中較為常見(jiàn),破巖技術(shù)以機(jī)械破巖和較小孔徑(φ≤50 mm)淺孔爆破居多。小孔徑淺孔爆破在振動(dòng)控制方面具有較大優(yōu)勢(shì)[1-3],宜于維護(hù)支護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊建(構(gòu))筑物的穩(wěn)定,但巨大的鉆孔工作量不利于成本控制,較低的工作效率也難以滿足工期要求。

基坑開(kāi)挖中采取大孔徑炮孔、大直徑藥卷的爆破破巖開(kāi)挖有理論研究和施工案例可供參考,王薇等[4]針對(duì)橘子洲深基坑爆破施工分別對(duì)φ90 mm孔徑垂直炮孔、水平炮孔爆破的安全性進(jìn)行了對(duì)比模擬分析;李洪偉等[5]在樓房深基坑巖石控制爆破中根據(jù)施工環(huán)境分段、分區(qū)、分臺(tái)階采用深孔(孔徑φ90 mm),輔以淺孔(孔徑φ38 mm)延時(shí)控制爆破施工,取得了較高的施工效率。

若能將爆破危害效應(yīng)控制在允許范圍內(nèi),在鬧市區(qū)基坑開(kāi)挖中采取大孔徑炮孔、大直徑藥卷爆破破巖的方式,相對(duì)機(jī)械破巖與小孔徑淺孔爆破更具經(jīng)濟(jì)性、高效性。

1 工程概況

1.1 工程環(huán)境

工程位于貴州省貴陽(yáng)市云巖區(qū)六廣門(mén)區(qū)域,地下主要擬建一層地下商業(yè)區(qū)、地下三層車(chē)庫(kù)及地下兩層污水處理廠,污水處理廠日處理污水量為12萬(wàn)t。

爆破區(qū)域處于環(huán)北巷南側(cè),永樂(lè)路北側(cè)以及在建的人民大道東側(cè),西北側(cè)距省政府僅800 m,交通繁華,周邊環(huán)境復(fù)雜。開(kāi)挖區(qū)域北側(cè)為住宅樓,距離開(kāi)挖區(qū)域最近距離22 m;東側(cè)緊鄰省級(jí)重點(diǎn)保護(hù)建筑毛公館;西側(cè)緊鄰貴陽(yáng)市軌道交通1號(hào)線建設(shè)項(xiàng)目工地,最近距離為20 m,軌道工程土建項(xiàng)目已基本完成,主體工程澆筑完畢,西側(cè)距開(kāi)挖范圍隔離線55 m處為一專(zhuān)科醫(yī)院。此工程基坑最大開(kāi)挖深度約42 m,石方總挖方量約60萬(wàn)m3。周邊環(huán)境如圖1所示。

圖1 周邊環(huán)境Fig.1 Surrounding environment

1.2 工程支護(hù)與要求

基坑寬120 m,最大長(zhǎng)度超過(guò)260 m,垂直基坑,無(wú)放坡、無(wú)馬道。采用明挖順作法,錨索排樁支護(hù),樁徑1.8 m,樁中心距1.5 m,錨索使用七芯高強(qiáng)低松弛預(yù)應(yīng)力絞線,樁頂設(shè)置冠梁,控制土壓力,防止周邊建(構(gòu))筑物位移與不均勻沉降。排樁支護(hù)如圖2所示。

圖2 錨索排樁支護(hù)Fig.2 Anchor cable and row pile etaining and protection

爆破需滿足挖運(yùn)要求、杜絕飛石,日均爆破量不低于5 000 m3;北側(cè)最近處建(構(gòu))筑物爆破振動(dòng)控制在1.5 cm/s內(nèi),毛公館處爆破振動(dòng)控制在0.2 cm/s內(nèi);盡可能減小對(duì)圍護(hù)樁的擾動(dòng),圍護(hù)樁15 m范圍內(nèi)巖土體禁止采用爆破破巖,施工現(xiàn)場(chǎng)如圖3所示。

圖3 施工現(xiàn)場(chǎng)Fig.3 Construction site

2 破巖方案

從工期、工程量、周邊環(huán)境、經(jīng)濟(jì)成本等方面綜合考慮,選擇機(jī)械破碎、靜態(tài)破巖(見(jiàn)圖4)和爆破相結(jié)合的施工方案。在鄰樁15 m范圍及距毛公館60 m范圍內(nèi)鉆小孔徑炮孔(φ40 mm)進(jìn)行靜態(tài)破碎,輔助該區(qū)域機(jī)械破碎,盡可能降低對(duì)基坑圍護(hù)樁的開(kāi)挖擾動(dòng);爆破破巖區(qū)采取機(jī)械拉槽形成自由面,自由面底部低于爆破孔底部標(biāo)高,機(jī)械破碎形成集水溝、減振溝等工程結(jié)構(gòu);面向重點(diǎn)保護(hù)文物毛公館一側(cè)布置4排大孔徑(φ165 mm)減振孔,減振孔孔底標(biāo)高略低于開(kāi)挖坑底標(biāo)高,孔口采用等口徑PVC管封口保護(hù),防止碎石、泥塊塌落。

圖4 靜態(tài)破碎劑Fig.4 Static cracking agent

2.1 爆破參數(shù)

貴州地區(qū)屬喀斯特地貌,多溶洞、多裂隙,地質(zhì)條件不確定性大,宜選擇較為保守的爆破參數(shù)。爆破使用φ90 mm孔徑炮孔時(shí),應(yīng)根據(jù)附近建(構(gòu))筑物情況分區(qū)域確定爆破參數(shù)(見(jiàn)表1)。

表1 爆破參數(shù)Table 1 Parameters for blasting

炮孔頂部采用膠皮網(wǎng)覆蓋,且上覆沙袋,自由面上部搭覆膠皮網(wǎng),防止個(gè)別位置因裂縫或空洞導(dǎo)致自由面過(guò)小造成速度較大的飛石,排數(shù)控制在2～4排。爆破區(qū)防護(hù)如圖5所示。

圖5 爆區(qū)防護(hù)Fig.5 The protection of blasting area

2.2 起爆方式

起爆網(wǎng)路選用導(dǎo)爆管雷管和電子雷管兩種起爆器材進(jìn)行布設(shè),并以電子雷管起爆網(wǎng)路為主。使用導(dǎo)爆管起爆網(wǎng)路時(shí)(見(jiàn)圖6),分組實(shí)施多次起爆,嚴(yán)格控制單次爆破規(guī)模,單次起爆炮孔數(shù)控制在6個(gè)以內(nèi),控制單次振動(dòng)持續(xù)時(shí)間。孔內(nèi)使用MS11段雷管,孔間使用較長(zhǎng)延時(shí)的MS5段雷管連接,逐孔起爆,避免振動(dòng)的疊加效應(yīng)。

圖6 導(dǎo)爆管網(wǎng)路Fig.6 Nonel tube network

電子雷管起爆網(wǎng)路使用PHED-1型電子雷管,延時(shí)時(shí)間可在0～16 000 ms內(nèi)自由設(shè)置。使用電子雷管起爆網(wǎng)路時(shí),充分利用電子雷管延時(shí)設(shè)置的任意性,對(duì)組內(nèi)炮孔短延時(shí)逐孔起爆,組間長(zhǎng)延時(shí)避免爆破振動(dòng)疊加效應(yīng),減小單次爆破振動(dòng)持續(xù)時(shí)間,降低爆破振動(dòng)對(duì)附近居民產(chǎn)生的心理影響。以6個(gè)以內(nèi)炮孔為一組進(jìn)行短延時(shí)設(shè)置,孔間延時(shí)45 ms,相鄰組間設(shè)置延時(shí)時(shí)間為1 500 ms。

多組電子雷管網(wǎng)路一次起爆后,組間孔內(nèi)雷管均在激發(fā)狀態(tài),相對(duì)導(dǎo)爆管雷管網(wǎng)路,無(wú)需考慮因長(zhǎng)延時(shí)導(dǎo)致的地表起爆網(wǎng)路損壞問(wèn)題。電子雷管長(zhǎng)、短延時(shí)組合網(wǎng)路設(shè)置如圖7所示。

圖7 電子雷管起爆網(wǎng)路延時(shí)設(shè)置Fig.7 Time-delayed electronic detonator network

使用導(dǎo)爆管網(wǎng)路組期間不宜使用高段別雷管延時(shí),需分多次起爆。同時(shí)必須嚴(yán)格控制鉆孔深度、單孔裝藥量、孔排距,避免影響附近未起爆組孔內(nèi)的起爆系統(tǒng)。使用電子雷管長(zhǎng)、短延時(shí)結(jié)合時(shí),應(yīng)選擇具有較強(qiáng)的抗振性電子雷管,確保后爆孔激發(fā)狀態(tài)的雷管在前爆孔爆破造成的擾動(dòng)下仍能保持延時(shí)精準(zhǔn)性。

3 爆破振動(dòng)校核與監(jiān)測(cè)分析

3.1 爆破振動(dòng)校核

爆破振動(dòng)是能量傳遞在物體或結(jié)構(gòu)上的反應(yīng),受地質(zhì)條件、空間位置、爆破方式等多因素影響[6-7],施工中應(yīng)對(duì)距離較近建(構(gòu))筑物及重點(diǎn)保護(hù)建筑進(jìn)行監(jiān)測(cè)。工程中常以薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行校核[8]。

式中:v為地面質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度,cm/s;K、α為與地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)(分別取170、1.7,環(huán)境有變化時(shí)需調(diào)整);Q為最大單響藥量,kg;R為監(jiān)測(cè)點(diǎn)到爆源的最近距離,m;k為工程措施折減系數(shù)(毛公館處取0.5,其他區(qū)域取0.8)。

不同區(qū)域爆破振速如表2所示。

表2 爆破振速Table 2 Blasting vibration velocity

隨開(kāi)挖爆破作業(yè)點(diǎn)逐漸下降,監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置同爆區(qū)高程差逐漸顯現(xiàn),監(jiān)測(cè)點(diǎn)同爆心距離逐漸增大,爆破振動(dòng)傳播的能量衰減和在空間結(jié)構(gòu)上的高程放大效應(yīng)同時(shí)顯現(xiàn)。由文獻(xiàn)[9]研究可知:一定高差范圍內(nèi)基坑坡頂邊緣質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度峰值與主頻隨高差增加逐漸增大,超出一定高差范圍后則逐漸衰減。

因此表現(xiàn)在較近建(構(gòu))筑物處的爆破振速是復(fù)雜的,所使用薩道夫斯基公式對(duì)爆破振動(dòng)的校核值僅適用于工程前期施工參考,實(shí)際施工中需要在較近的建(構(gòu))筑物及重點(diǎn)保護(hù)建筑處進(jìn)行監(jiān)測(cè)(見(jiàn)圖8),根據(jù)監(jiān)測(cè)情況及時(shí)調(diào)整爆破參數(shù)。

圖8 振動(dòng)監(jiān)測(cè)Fig.8 Vibration monitoring

3.2 爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)與分析

在住宅樓及重點(diǎn)保護(hù)建筑毛公館處設(shè)置振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn),選取代表性的數(shù)據(jù)如表3所示。所測(cè)爆破振速在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)允許范圍之內(nèi);毛公館所測(cè)爆破振動(dòng)主振頻率大幅低于住宅樓處爆破振動(dòng)主頻,爆破振動(dòng)傳播中振速隨傳播距離增加而衰減的同時(shí),主振頻率有向低頻帶轉(zhuǎn)換的趨勢(shì),這是值得關(guān)注和進(jìn)一步探討的。

表3 爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)Table 3 Vibration monitoring data

根據(jù)監(jiān)測(cè)的爆破振動(dòng)波形(見(jiàn)圖9～圖10),由于電子雷管的精準(zhǔn)延時(shí)性能,電子雷管長(zhǎng)、短延時(shí)組合網(wǎng)路中,組內(nèi)設(shè)置短延時(shí)可使振動(dòng)能量在時(shí)間分布上更加均勻,組間設(shè)置長(zhǎng)延時(shí)則可完全避免組間爆破能量的疊加,減小感官上振動(dòng)持續(xù)的時(shí)間。

圖9 導(dǎo)爆管雷管起爆網(wǎng)路振動(dòng)波形Fig.9 Vibration waveform of nonel detonator network

圖10 電子雷管起爆網(wǎng)路振動(dòng)波形Fig.10 Vibration waveform of electronic detonator network

4 結(jié)語(yǔ)

1)較大孔徑炮孔在嚴(yán)格控制單響藥量、單次起爆規(guī)模、爆破危害效應(yīng)的前提下仍適用于城區(qū)基坑爆破,相對(duì)小孔徑淺孔爆破更利于提高施工效率,控制成本。

2)多排大孔徑超深減振孔對(duì)于近區(qū)爆破振動(dòng)的衰減作用明顯,但測(cè)點(diǎn)隨爆區(qū)距離的增加,衰減作用減弱,城區(qū)爆破振動(dòng)控制仍應(yīng)以單響藥量控制、單次起爆規(guī)?？刂?、振動(dòng)傳播地形因素控制為重點(diǎn)。

3)爆破振動(dòng)傳播過(guò)程中振速隨傳播距離增加而衰減的同時(shí),主振頻率有向低頻帶轉(zhuǎn)換的趨勢(shì),在重點(diǎn)保護(hù)建(構(gòu))筑物處應(yīng)著重考慮建(構(gòu))筑物的低頻共振問(wèn)題。