孔外延時網(wǎng)路在地鐵減振爆破施工中的應用

趙康林，王書峰，喻偉峰，楊宏射

(1.中鐵隧道集團二處有限公司，河北 三河 065201；2.青島市市政工程管理處，山東 青島 266000)

城市地鐵暗挖隧道周邊環(huán)境日益復雜，爆破振動安全風險越來越被重視,傳統(tǒng)礦山法隧道開挖方式已不適應目前爆破振動安全的要求，因為該方法一般采用孔內(nèi)延時聯(lián)網(wǎng)爆破，但應對減振爆破時，普通雷管段數(shù)有限的劣勢較為凸顯，需分多次爆破控制振速，這對安全、工期、效益等均不利。

目前，廣大學者在如何降低爆破振速方面做了大量的研究與試驗工作，如龔敏等[1]通過定制雷管增加段別來控制爆破振速；李立功等[2]通過減振孔與水壓爆破以及延時爆破相組合的技術來控制隧道爆破振速；龔敏等[3]以實測雷管各段準確延時范圍為基礎，針對性的進行掏槽和分段設計來控制爆破振速；管曉明等[4]采用多級楔形掏槽與分部爆破以及孔內(nèi)外延時來控制爆破振速；杜小剛等[5]通過監(jiān)測振速、動態(tài)調(diào)整爆破設計；歐仙榮[6]通過電子雷管起爆來控制振速；張俊兵等[7]通過預裂爆破和預留光爆層方法結合不同的掏槽方式來控制爆破振速；閆鴻浩等[8]通過調(diào)整掏槽孔、擴槽孔和輔助孔的位置來控制爆破振速；王軍濤等[9]采用大直徑掏槽控制爆破振速；石洪超等[10]通過掏槽孔間隔裝藥與孔內(nèi)分段延時起爆達到減振效果。

總體而言，目前爆破振動控制研究基本圍繞在孔內(nèi)延時分段的基礎上優(yōu)化爆破參數(shù)，打設減振孔等輔助措施的范圍內(nèi)。為此，在青島地鐵8號線閆～南區(qū)間爆破開挖施工中，結合前人研究的成果和地鐵工程實踐，并在應用常規(guī)雷管前提下，通過對孔內(nèi)及孔內(nèi)外同時延時聯(lián)網(wǎng)應用總結基礎上，借鑒明挖隧道的爆破經(jīng)驗，采用孔外延時起爆網(wǎng)路方式，圍繞現(xiàn)場實踐應用進行改進，效果較好。

1 工程概況

青島地鐵8號線閆～南區(qū)間采用“礦山法+雙護盾TBM法”施工，受周邊環(huán)境限制，TBM采用側(cè)向平移始發(fā)，在始發(fā)井與區(qū)間正線之間設置47.3 m長平移橫通道(見圖1)。橫通道需垂直下穿中航37號廠房，南側(cè)臨近中航科技樓、前哨大酒店，西側(cè)下穿周口路，北側(cè)臨近閆家山村民房(見表1)。

圖1 閆～南區(qū)間始發(fā)平移橫通道周邊環(huán)境
Fig.1 Surrounding environment of the horizontal passage of the initial translation in the Yan-Nan section

表1 閆～南區(qū)間始發(fā)井周圍礦山法段周邊建(構)筑物

Table 1 Buildings (structures) around the mine section around the starting shaft in the Yan-Nan section

序號建筑物名稱結構型式層數(shù)與爆區(qū)相對位置與隧道結構外皮距離/m備注爆破振動安全允許標準/(cm·s-1)1閆家山村(待拆遷)砌磚結構1后盲洞上方16.65無地下室0.52中航37號廠房及配房框架結構1橫通道上方9.04無地下室1.53中航科技樓框架結構6弧形導洞上方17.60無地下室1.04前哨大酒店框架結構5弧形導洞上方19.99無地下室1.5

橫通道斷面的尺寸為：寬×高=15.8 m ×13.44 m，拱頂覆土埋深約9 m，圍巖為IV1-IV2-V級，巖體節(jié)理發(fā)育，較為破碎，采用CRD工法開挖(見圖2)。

圖2 始發(fā)橫通道結構斷面尺寸
Fig.2 Cross-section size of the structure of the original transverse passage

2 橫通道控制爆破設計

根據(jù)周邊情況確定爆破施工方案，橫通道CRD工法開挖步序為：I→II→III→IV→V→VI。先錯距爆破開挖橫通道上部I、II部，采用YT-28型手持式風動鑿巖機短臺階開挖，乳化炸藥直徑φ32 mm，炮孔直徑d=42 mm，不耦合系數(shù)1.31；上臺階采用二級復式垂直楔形掏槽，分級楔形掏槽可逐步減小爆破夾制作用，分散單孔藥量的集中度，以求獲得較大的掏槽空間，降低爆破振動，必要時中間設置φ150 mm中空減振孔2個[7]。周邊孔間距a拱=500 mm，邊墻a墻=550 mm，光爆層厚(最小抵抗線)W=600 mm，相對距E/W=0.8，輔助孔間距650～700 mm，排距600～650 mm，炮孔鄰近系數(shù)m≈1.0，裝藥集中度0.2～0.4 kg/m，炸藥單耗≈1.05 kg/m3，炮孔深度考慮循環(huán)進尺(IV級段0.75 m，V級圍巖段0.5 m)，并考慮炮孔利用率0.95，確定炮孔深度為IV級0.80 m，V級0.55 m，底板孔較掘進孔深10～20 cm，裝藥結構采用孔底集中裝藥，孔口填塞長度不小于20 cm，采用機械加工成品炮泥，確保填塞質(zhì)量。下臺階利用上臺階臨空面爆破。IV圍巖I部炮孔布置參數(shù)如圖3所示。

注：1～17表示毫秒雷管段別
圖3 IV圍巖I部炮孔及雷管段別布置
Fig.3 Layout of I blasthole and detonator section in IV surrounding rock

3 孔外延時網(wǎng)路及效果分析

先期暗挖隧道爆破采用孔內(nèi)延時 “一把抓”聯(lián)網(wǎng)方式，但分段數(shù)量有限，因為應對減振爆破時，可用延時分段的總計只有18個段別，如斷面過大，炮孔數(shù)過多，則需分次爆破以降低齊爆藥量Q。同時需嚴格控制同段別聯(lián)網(wǎng)孔數(shù)，聯(lián)網(wǎng)孔數(shù)過多操作繁瑣，增加聯(lián)網(wǎng)時間，容易出錯造成盲炮及傳爆雷管腳線炸斷，超振及二次處理風險較大，另外分次爆破擾動圍巖，進尺受限，降效嚴重，不利于隧道開挖風險及進度控制。

而孔內(nèi)、外同時延時雖較孔內(nèi)延時分段數(shù)量增加，但該網(wǎng)路既要考慮孔內(nèi)分段，又需考慮孔外聯(lián)網(wǎng)分段，操作較孔內(nèi)延時聯(lián)網(wǎng)更加繁瑣，更易出錯，導致爆破振速超標。

3.1 網(wǎng)路設計

經(jīng)應用總結孔內(nèi)延時、孔內(nèi)外同時延時爆破的優(yōu)缺點，借鑒明挖隧道爆破中常用的孔內(nèi)高段位雷管起爆、孔外低段位接力延時的起爆網(wǎng)路方式，改用單獨孔外延時方式聯(lián)網(wǎng)：孔外依舊使用MS3雷管，孔內(nèi)統(tǒng)一均采用MS20雷管，事先理論計算出最大單段齊爆藥量Q，對應確定掏槽孔、輔助孔、周邊孔，最大一次簇聯(lián)炮孔孔數(shù)，嚴格以掏槽孔→輔助孔→周邊孔順序，對應孔外采用MS3雷管依次將各分簇串聯(lián)成網(wǎng)，按最大齊爆藥量控制簇聯(lián)孔數(shù)，僅通過孔外串聯(lián)聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)延時爆破(見圖4)。

注：圖中數(shù)字表示雷管段別
圖4 橫通道I部上孔外延時網(wǎng)路
Fig.4 Delay circuit outside the upper hole in the first part of the transverse passage

但孔外延時聯(lián)網(wǎng)方式仍受孔外段別串聯(lián)數(shù)量限制，需通過理論計算，確?？淄釳S3雷管全部引爆后，孔內(nèi)第一發(fā)雷管方才引爆炸藥，防止孔外導爆管斷線造成傳爆失敗，計算方式：孔外串聯(lián)段別數(shù)量n=孔內(nèi)雷管延時時間/孔外雷管延時時間(考慮延時誤差精度)。以本工點為例，孔內(nèi)均采用MS20雷管，則n=(2000-150)/(50+10)=30.8≈31(考慮延時精度誤差)，對比孔內(nèi)延時大大增加分段數(shù)量，可有效提高一次爆破斷面面積。

3.2 應用效果

孔外延時聯(lián)網(wǎng)方式總體操作簡單，無需考慮孔內(nèi)各個段別，僅需考慮孔外串聯(lián)時簇聯(lián)炮孔孔數(shù)即可，其最大分段可達31段，最大限度的滿足分段減振起爆要求，振速控制效果較孔內(nèi)延時及孔內(nèi)外延時良好(見表2)，其仍按照光爆順序爆破，爆破成型效果良好，很大程度上避免了分次鉆孔、分次爆破對圍巖的擾動，利于隧道風險及超、欠挖控制，但因主要靠孔外毫秒雷管分段延時，孔外雷管數(shù)量較其他聯(lián)網(wǎng)方式消耗明顯增加較多。

表2 橫通道爆破7個循環(huán)振速監(jiān)測

3.3 應用問題及改進措施

1)應用問題

在前期應用過程中，孔外延時聯(lián)網(wǎng)方式多次發(fā)生傳爆失敗、爆破成型差等問題，經(jīng)過分析，主要原因是隧道開挖為垂直斷面，孔外導爆雷管節(jié)點保護難度較大，爆炸產(chǎn)生的鐵皮碎屑容易割斷其他未傳爆的導爆管線，造成傳爆失敗(見圖5)；其次是孔內(nèi)外段別用錯、裝填不牢、連接質(zhì)量不高、未嚴格按照既定裝藥參數(shù)裝藥等情況，導致孔內(nèi)提前爆破，傳爆失敗或振速超標。

圖5 孔外延時傳爆現(xiàn)狀
Fig.5 Situation of delay explosion transmission outside the hole

孔外延時因孔外串聯(lián)組數(shù)較多，傳爆失敗概率較其他聯(lián)網(wǎng)方式高，但好在孔內(nèi)雷管段別均為MS20，處理相對孔內(nèi)延時、孔內(nèi)外延時聯(lián)網(wǎng)簡單，但風險依然存在，必須采取防護措施，盡量避免斷響事件。

明挖土石方爆破導爆管節(jié)點保護采用砂石覆蓋、蓋紙板、壓石頭等措施；暗挖隧道爆破斷面為垂直面，斷面下部的節(jié)點可放置地面保護，但斷面上部節(jié)點無法覆蓋和充分防護。

2)改進措施

針對孔內(nèi)外段別用錯問題，在裝藥聯(lián)網(wǎng)過程中，分別設專人負責孔內(nèi)、孔外雷管發(fā)放連接，避免用混，完成聯(lián)網(wǎng)后，技術員需認真復查網(wǎng)路。

針對聯(lián)接質(zhì)量不高問題，考慮起爆電線要求較高，稍微破皮就影響傳爆，優(yōu)先選用導爆管進行傳爆。同時，簇聯(lián)節(jié)點捆綁長度在15～20 cm，用黑膠布纏繞幾層，捆牢固，一般簇聯(lián)導爆管不超過15根，如超過則需對應增加雷管，并均勻分布其四周，防止斷響事件。四通使用時注意防水，避免浸泡進水。

針對孔內(nèi)雷管填塞不牢問題，雷管采用反向裝填，炸藥裝填采用PVC管頂緊至孔底，孔口按要求填塞炮泥。

針對振速超標及成型較差問題，在每循環(huán)裝藥前，對工人進行爆破交底，詳細說明周邊孔、輔助孔、掏槽孔具體裝藥參數(shù)，并強調(diào)相應各類炮孔串聯(lián)孔數(shù)要求及串聯(lián)順序，過程加強盯控，做好網(wǎng)路復查，確保爆破順序正確。

針對部分導爆管節(jié)點無法防護問題，采用打設防護孔的防護措施。具體為，在斷面適當位置打設15～20 cm深的防護孔，將串聯(lián)節(jié)點塞入防護孔，并在防護孔外塞紙殼或炮泥防護。防護孔位置需考慮串聯(lián)節(jié)點實際位置設置，一般中間設置兩個用以防護掏槽孔傳爆節(jié)點，其他根據(jù)需要靈活設置，可利用內(nèi)圈炮孔充當防護孔(見圖6)。經(jīng)現(xiàn)場應用實踐，反饋良好，很好的避免了傳爆失敗。

圖6 孔外延時串聯(lián)節(jié)點塞入防護孔防護措施
Fig.6 Protective measures for inserting protective holes into delay series joints outside the hole

4 結語

通過借鑒隧道明挖爆破的經(jīng)驗，經(jīng)過現(xiàn)場實踐應用總結，將孔外延時聯(lián)網(wǎng)技術成功應用到了地鐵暗挖隧道減振爆破中，對比其他常規(guī)延時聯(lián)網(wǎng)方式，孔外延時聯(lián)網(wǎng)操作更簡單，適用斷面及振速要求更高的爆破工程，可最大程度減低分次爆破頻次，滿足減振要求，進度及成本可控，單段爆破藥量可直接通過串聯(lián)炮孔孔數(shù)靈活調(diào)整，但應用時須做好串聯(lián)節(jié)點防護、網(wǎng)路復查等工作。綜上，常規(guī)雷管孔外延時聯(lián)網(wǎng)技術在地鐵隧道減振爆破的應用，具有一定的參考和應用指導價值。