城市軌交隧道豎井快速爆破技術(shù)的應(yīng)用研究

田 磊

（江蘇省礦業(yè)工程集團(tuán)有限公司，江蘇 徐州 221000）

隨著城市建設(shè)的高速發(fā)展，土地的開(kāi)發(fā)已由地表逐漸轉(zhuǎn)向地下。在巖石層較淺城市地鐵建設(shè)施工中都會(huì)遇到巖石爆破，為了加快隧道貫通，通常在預(yù)設(shè)地鐵站之間加設(shè)施工用豎井來(lái)完成隧道雙向掘進(jìn)施工。本文通過(guò)系統(tǒng)開(kāi)展豎井控制爆破施工技術(shù)研究，制定中心區(qū)域預(yù)處理微差爆破優(yōu)化方案。

1 工程概況

徐州市軌道交通2 號(hào)線一期工程中心醫(yī)院站～淮塔東路站區(qū)間， 起止里程右K10+834.237～K11+729.773，區(qū) 間 長(zhǎng) 約896m。在右K11+392 設(shè)置一座臨時(shí)施工豎井，豎井內(nèi)徑6m×8m，深36.8m。

豎井位于解放南路奎山公園東南部，與淮塔烈士陵園北門(mén)斜相望約110m，其間的解放南路位于兩景區(qū)之間，距豎井口約60m，車(chē)流量、人流量較大。井口東側(cè)與在建的別墅區(qū)相距約40m、圍墻30m，井口北側(cè)、西側(cè)為奎山公園空曠地帶，整體爆破環(huán)境較為復(fù)雜。周?chē)h(huán)境見(jiàn)圖1。

圖1 豎井周?chē)h(huán)境圖

根據(jù)地質(zhì)勘探資料顯示：豎井從上至下依次為雜填土（2m）、黏土（6.5m）、中風(fēng)化灰?guī)r（28.5m）。中心醫(yī)院站～淮塔東路站區(qū)間主要涉及⑿1-3、⑿4-3 中風(fēng)化灰?guī)r。區(qū)域巖體總體強(qiáng)度較高，等級(jí)Ⅲ～Ⅳ級(jí)。地質(zhì)條件情況見(jiàn)表1。

表1 豎井地質(zhì)條件情況

2 爆破方案選擇及其機(jī)理

目前行業(yè)內(nèi)井巷（含豎井）掘進(jìn)一般是用炮孔深度小于5m、炮孔直徑小于50mm 的淺孔爆破，其爆破作業(yè)最大的特點(diǎn)是只有一個(gè)自由面，因此炮孔深度受到一定限制。由于巖石夾制作用限制，每次爆破炮孔利用率較低，而且爆破產(chǎn)生裂縫對(duì)下一工作面鉆孔和爆破作業(yè)施工帶來(lái)不安全因素。

本項(xiàng)目采取中心區(qū)域預(yù)處理微差爆破法。其原理是在爆破作業(yè)工作面中心鉆一空孔，空孔直徑Φ105mm，深度1.2m，中心1m2區(qū)域布置4 個(gè)Φ40mm 炮孔，深度1.5m。對(duì)這4 個(gè)炮孔裝藥預(yù)先爆破、清理爆破石方，形成臺(tái)階爆破需要的自由面，同時(shí)對(duì)剩余工作面區(qū)域進(jìn)行鉆孔，采用毫秒延期雷管微差起爆逐排爆破方法，最終取得較低的爆破危害效應(yīng)和較好的炮孔利用率。

在中心區(qū)域4 個(gè)炮孔裝藥爆破時(shí)，預(yù)先在炮孔底部鋪設(shè)10cm 空氣墊，對(duì)空氣沖擊波起阻滯作用，降低爆炸對(duì)孔底下部巖石的破壞作用。

3 爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

擬選用淺孔弱松動(dòng)控制爆破方法，同時(shí)加強(qiáng)炮孔覆蓋防護(hù)。主要鉆爆參數(shù)有孔徑、孔間距、緩沖長(zhǎng)度、超深等。

3.1 鉆孔參數(shù)設(shè)計(jì)

在井巷掘進(jìn)爆破工作面上的炮孔，中間部位的炮孔稱(chēng)為掏槽孔。由于Ⅲ-Ⅳ級(jí)圍巖整體性較好，選取分層爆破臺(tái)階1.2m，孔距1m，排距1m。布孔共7 排，每排9 個(gè)孔，每作業(yè)面上共計(jì)63 孔。圖中，中間5 個(gè)孔為預(yù)處理炮孔，包括1 個(gè)中心空孔及4 個(gè)楔形孔。5 個(gè)掏槽孔除中心孔垂直鉆孔外，其周邊4 個(gè)孔向中心方向傾斜，傾斜角度為80 度。為不損傷圍巖和護(hù)壁，周邊孔多用垂直孔[1]，所以其余58 個(gè)孔均為垂直鉆孔，超深10cm。布孔示意圖和預(yù)處理炮孔斷面圖分別見(jiàn)圖2 和圖3。

3.2 單孔裝藥量的確定

每孔裝藥量按下式計(jì)算：

式中：

q-單位炸藥消耗量，與深孔臺(tái)階爆破單位炸藥消耗量相比，淺孔臺(tái)階爆破的炸藥單耗值應(yīng)大些，巖石堅(jiān)固性系數(shù)f 為6～8 時(shí)，q=0.65～0.73kg/m3；

a-孔距，m；

H-臺(tái)階高度，m；

W-最小抵抗線，m。

其中， 中心區(qū)域掏槽孔： 單孔裝藥量Q1=0.53kg。

輔助孔：?jiǎn)慰籽b藥量Q2=0.43kg。

周邊孔：為了降低周邊孔對(duì)井壁的擾動(dòng)，裝藥量按照輔助孔的0.8 倍計(jì)算，單孔裝藥量Q3=0.8×Q2=0.34kg。

圖2 豎井爆破作業(yè)布孔圖（單位：cm）

圖3 豎井開(kāi)挖單層臺(tái)階高度及預(yù)處理炮孔斷面圖（cm）

3.3 起爆網(wǎng)路的設(shè)計(jì)和原理

豎井掘進(jìn)爆破，多采用電雷管起爆網(wǎng)路和導(dǎo)爆管雷管起爆網(wǎng)路。

在電雷管起爆網(wǎng)路中，串聯(lián)網(wǎng)路由于工作條件差易發(fā)生拒爆現(xiàn)象，在豎井掘進(jìn)中極少采用。在并聯(lián)網(wǎng)路中，隨著雷管并聯(lián)組數(shù)目的增加，起爆電流也增大，必須采用高能量起爆電源。

導(dǎo)爆管雷管起爆網(wǎng)路多采用接力式簇聯(lián)網(wǎng)路，即用一發(fā)或兩發(fā)電雷管，也可用電激發(fā)針激發(fā)一發(fā)或兩發(fā)導(dǎo)爆管雷管引爆若干發(fā)捆綁孔內(nèi)導(dǎo)爆管雷管。由于導(dǎo)爆管雷管具有良好的抗雜散電流性能，因此在捆綁連線工作時(shí)，可以同步進(jìn)行吊放爬梯和覆蓋防護(hù)用炮被，有利于提高施工速度。

綜合考慮選用導(dǎo)爆管雷管微差起爆網(wǎng)路，具體為同一圈炮孔內(nèi)每4 ～5 個(gè)連續(xù)炮孔依次裝填MS1段、MS3 段、MS5 段、MS7 段導(dǎo)爆管雷管，每10個(gè)孔內(nèi)雷管使用兩發(fā)導(dǎo)爆管雷管綁扎，最后用高能脈沖起爆器激發(fā)起爆針起爆。

3.4 爆破有害效應(yīng)控制優(yōu)化

本工程中爆破容易產(chǎn)生的危害效應(yīng)包括爆破振動(dòng)、爆破空氣沖擊波及噪聲、爆破個(gè)別飛散物和爆破粉塵等。根據(jù)《爆破安全規(guī)程》中的規(guī)定，對(duì)爆破振動(dòng)、爆破飛石等爆破危害進(jìn)行安全校核、優(yōu)化設(shè)計(jì)，盡可能減少爆破危害效應(yīng)[2]。

3.4.1 爆破振動(dòng)的控制

根據(jù)《爆破安全規(guī)程》推薦采用爆破振動(dòng)的計(jì)算公式：

式中：

v-地面質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度，cm/s；

Q-炸藥量（齊爆時(shí)為總裝藥量，延遲爆破時(shí)為最大一段裝藥量），kg；

R-觀測(cè)（計(jì)算）點(diǎn)到爆源的距離，m；

K、α-與爆破點(diǎn)至計(jì)算點(diǎn)間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減系數(shù)，根據(jù)本工程的實(shí)際情況，中等堅(jiān)硬巖石K取值200，α取1.6。

根據(jù)《爆破安全規(guī)程》中爆破振動(dòng)安全允許標(biāo)準(zhǔn)，本項(xiàng)目振動(dòng)速度控制值為2.5cm/s，本項(xiàng)目最近需保護(hù)建筑物距離爆源中心30m。由上述已知參數(shù)，通過(guò)振動(dòng)速度計(jì)算公式可推算出一次爆破最大用藥量，即：

由計(jì)算結(jié)果可知，一次齊爆允許最大裝藥量為7.30kg。而設(shè)計(jì)每段延期炮孔最多5 個(gè)，單孔裝藥量0.43kg，總裝藥量為2.15kg，僅為允許最大裝藥量的29%，爆破振動(dòng)速度遠(yuǎn)小于安全規(guī)程控制值。

實(shí)測(cè)顯示，采用毫秒延期微差爆破，限制一次爆破的最大起爆藥量，是降低爆破振動(dòng)效應(yīng)的有效手段。

3.4.2 爆破空氣沖擊波及噪聲的控制

炸藥在巖石中爆炸，高溫高壓的爆炸產(chǎn)物就從巖石破裂瞬間沖入周?chē)諝庵?，?qiáng)烈地壓縮臨近的空氣，使其壓力、密度、溫度突然升高，形成空氣沖擊波[3]。除產(chǎn)生空氣沖擊波外，還會(huì)發(fā)出聲響形成噪聲。本項(xiàng)目采取防護(hù)措施如下：

（1）采用毫秒延期技術(shù)，來(lái)削弱空氣沖擊波的強(qiáng)度，降低爆破噪聲的初始能量。

（2）避免在地面敷設(shè)雷管等爆炸物，將裸露地面的雷管用沙、土掩蓋。

（3）加強(qiáng)孔口填塞質(zhì)量和炮被覆蓋措施。

（4）采用水封爆破。爆破時(shí)在覆蓋物上再放置水袋。

3.4.3 爆破個(gè)別飛散物的控制

爆破時(shí)，個(gè)別飛石的飛散距離受地形、風(fēng)向和風(fēng)力、堵塞質(zhì)量、爆破參數(shù)等的影響，一般按如下公式計(jì)算：

式中：

Rf-爆破飛石的安全距離，m；

n-爆破作用指數(shù)（標(biāo)準(zhǔn)拋擲爆破n=1.0，加強(qiáng)拋擲爆破n>1.0，減弱拋擲爆破或加強(qiáng)松動(dòng)爆破1>n>0.75，松動(dòng)爆破n≤0.75），本工程n取0.75；

W-最小抵抗線，本工程為1.0m；

Kf-安全系數(shù)，一般為1～1.5。

經(jīng)計(jì)算Rf=20×1×0.752×1=11.25m。從計(jì)算結(jié)果可以看出，個(gè)別飛石影響較小，但考慮到地處鬧市區(qū)域和巖石存在斷層情況，本項(xiàng)目實(shí)際采取的措施有：

（1）適當(dāng)調(diào)整裝藥位置，通過(guò)間隔裝藥用炮泥填塞軟弱層防止弱面形成飛石。

（2）裝藥前有水孔采用高風(fēng)壓吹水，防止炸藥上浮，造成填塞長(zhǎng)度過(guò)小，導(dǎo)致沖炮產(chǎn)生飛石。

（3）采用強(qiáng)度高、質(zhì)量大、韌性好的橡膠炮被，交叉放置將爆區(qū)覆蓋嚴(yán)密。

4 應(yīng)用效果

每次爆破后，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)清運(yùn)碎石整理，實(shí)際測(cè)量爆破深度，除少數(shù)臺(tái)階爆破深度小于1m 外，炮孔利用率基本達(dá)到85%以上，已完全達(dá)到預(yù)期爆破效果。每次爆破測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表2。

從測(cè)得的爆破深度數(shù)據(jù)可以看出，每次爆破開(kāi)挖炮孔利用率接近80%，前三次主要由于表層巖石風(fēng)化程度高，節(jié)理發(fā)育所致。

5 結(jié) 語(yǔ)

工程施工技術(shù)直接影響工程的質(zhì)量和進(jìn)度，選擇工期短、投資少、安全可靠、綠色環(huán)保的設(shè)計(jì)、施工方案具有重要現(xiàn)實(shí)意義。本工程采用中心空孔及預(yù)處理措施，形成新的爆破自由面，減少待爆巖石的夾制作用，使炮孔的利用率提高，縮短了施工周期，實(shí)現(xiàn)了降噪降振。此種爆破技術(shù)在城市中心類(lèi)似工程爆破對(duì)提高工程進(jìn)度和施工安全具有參考借鑒意義。

表2 爆破深度監(jiān)測(cè)結(jié)果

炮孔利用率9 1.02 1.30 78.5%10 1.02 1.30 78.5%11 1.03 1.30 79.2%12 1.02 1.30 78.5%13 1.04 1.30 80.0%14 1.03 1.30 79.2%序號(hào) 單次臺(tái)階爆后開(kāi)挖深度/m炮孔深度/m