復(fù)雜環(huán)境下深基坑砂巖爆破

劉國軍

(1.甘肅省化工研究院有限責(zé)任公司，蘭州 730020；2.甘肅蘭金民用爆炸高新技術(shù)有限責(zé)任公司，蘭州 730020；3.甘肅省民用爆炸工程技術(shù)研究中心，蘭州 730020)

1 工程概況

隨著城市的不斷發(fā)展擴(kuò)大，城市用地越來越緊張，為了滿足發(fā)展的需要，城市建設(shè)只能在高度和向地下找空間；伴隨著樓房高度的不斷增加，深基坑開挖已經(jīng)是高層建設(shè)必不可少的環(huán)節(jié)，且基坑開挖深度越來越大，但是城市深基坑開挖周邊環(huán)境極為復(fù)雜，如何在深基坑爆破開挖中確保周邊環(huán)境的安全是深基坑開挖不可忽視的環(huán)節(jié)。蘭州名城廣場(chǎng)項(xiàng)目總占地面積約53 000 m2，建設(shè)用地面積約51 000 m2。開挖基坑深25 m，且基坑邊坡坡度較大，基坑周長1 200 m，根據(jù)工程地質(zhì)調(diào)查及現(xiàn)場(chǎng)鉆探揭露，在基坑開挖過程中基坑由南至北高5～8 m不等需大面積開挖的泥質(zhì)砂巖，機(jī)械開挖施工困難，需采用爆破方式進(jìn)行開挖，爆破總方量約15萬m3。

1.1 工程環(huán)境

此次深基坑爆破開挖位于蘭州市鬧市區(qū)，周邊環(huán)境極為復(fù)雜，基坑北面緊鄰南濱河?xùn)|路主干線及黃河濕地公園、黃河；西面為市民休閑娛樂廣場(chǎng)—霍去病廣場(chǎng)和雁灘黃河大橋，緊鄰G30高速公路黃河大橋；南面為蘭州市天水北路北口交通樞紐、天水北路高速收費(fèi)站，距離開挖基坑30 m為3～4層普通民居，天慶家園小區(qū)、甘肅省高速公路管理處等；爆破周圍環(huán)境如圖1所示。

圖1 爆破環(huán)境Fig.1 Blasting environment

1.2 巖石結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

基坑開挖主要為中密～密實(shí)狀態(tài)的卵石和大厚度的第三系風(fēng)化泥質(zhì)砂巖層，場(chǎng)地地基物理力學(xué)性質(zhì)整體較好，但局部地段受風(fēng)化程度、成巖性等因素的影響，其性質(zhì)存在差異性。自上而下分別為素填土1.5～2.2 m、雜填土2.3～6.2 m、粉細(xì)砂0.6～1.5 m、卵石4.0～12.8 m、中砂0.6～1.2 m、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖1.5～4.0 m、中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖3～6 m。本次爆破主要為強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖和中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖段。

1.3 工程難點(diǎn)

由于此次新建建筑屬于超高層建筑，開挖基坑深度較大，且周邊環(huán)境較為復(fù)雜，對(duì)基坑開挖質(zhì)量要求較高。爆破施工必須確保深基坑邊坡及基坑基地巖石不受爆破擾動(dòng)影響，爆破有害效應(yīng)嚴(yán)格控制在有效范圍之內(nèi)[1-2]。主要難點(diǎn)：①基坑開挖深度較大，防止由于爆破振動(dòng)引起基坑邊坡(圍護(hù)樁和土釘墻)損傷；②保證深基坑地板基巖部分不受爆破擾動(dòng)影響；③深基坑周邊為砂質(zhì)巖性，確保爆破振動(dòng)不會(huì)造成周邊地基下陷，保證周邊民房的安全；④開挖基坑周圍環(huán)境復(fù)雜，尤其是居民樓較多，人流、車流量密集，要嚴(yán)格控制爆破飛石超出基坑周界范圍；⑤城市大面積爆破施工，嚴(yán)格控制粉塵對(duì)周邊環(huán)境的影響。

2 爆破方案

2.1 爆破精細(xì)分區(qū)

由于本次基坑爆破開挖巖石屬于中密～密實(shí)狀態(tài)的卵石和大厚度的第三系風(fēng)化泥質(zhì)砂巖層，擬建建筑高度較高，爆破對(duì)基坑地基的保護(hù)要求較為嚴(yán)格，如果由于爆破造成基坑原巖擾動(dòng)，達(dá)不到地基承載力，將直接影響建筑物的高度；在爆破前通過試爆，監(jiān)測(cè)采用中深孔爆破對(duì)地基的擾動(dòng)深度超過1.5 m，采用淺孔爆破對(duì)地基的擾動(dòng)深度小于0.5 m。在爆破安全防護(hù)參數(shù)指標(biāo)不變的前提下，根據(jù)爆破周圍環(huán)境、現(xiàn)場(chǎng)施工條件及深基坑安全防護(hù)等，通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，采取分層、分區(qū)、淺孔與深孔弱爆破的施工技術(shù)方案。爆破區(qū)內(nèi)不同的爆點(diǎn)必須采取不同的爆破設(shè)計(jì)參數(shù)。

根據(jù)前期試爆相關(guān)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況。決定開挖順序：基坑周邊8 m范圍內(nèi)的爆破采用多打孔、少裝藥、小臺(tái)階淺孔爆破方式，開挖深度不大于1.5 m；基坑周邊8 m范圍外的爆破采用常規(guī)深孔爆破方式，開挖深度不大于5 m；為了減小爆破對(duì)基坑基底巖石的擾動(dòng)，在爆破時(shí)，基坑底部預(yù)留500 mm保護(hù)層不進(jìn)行爆破作業(yè)，待爆破結(jié)束采用人工或機(jī)械方式進(jìn)行處理[3-4]。

2.2 爆破參數(shù)

①孔徑D：綜合現(xiàn)場(chǎng)施工條件、現(xiàn)有設(shè)備情況及施工安全的需要，穿孔設(shè)備選用小型履帶式淺孔鉆機(jī)。②最小抵抗線W：由于本次基坑開挖深度較大，為了保證爆破安全，同時(shí)滿足爆破效果，根據(jù)相關(guān)技術(shù)資料及施工經(jīng)驗(yàn)，取深孔W=2 m，淺孔W=1 m。③孔距a與排距b：為了保證爆破效果，降低爆破塊度，同時(shí)考慮到盡量降低單孔裝藥量，本次爆破采用大孔距小排距施工方案，一般孔距a=(1.0～1.5)W；排距b=W。④開挖深度H：本次基坑爆破開挖深度深孔不超過5 m，淺孔不超過1.5 m。⑤超深h1：根據(jù)《爆破安全規(guī)程》相關(guān)規(guī)定[3]，h1=(0.05～0.1)H，此處根據(jù)巖石性質(zhì)深孔h1取0.5 m，淺孔h1取0.3 m。⑥鉆孔深度l：鉆孔深度為開挖深度加超深。⑦炸藥單耗q：該工程爆破開挖部分為砂巖或中風(fēng)化砂巖，根據(jù)《爆破安全規(guī)程》及在市區(qū)相關(guān)工程施工經(jīng)驗(yàn)，深孔爆破炸藥單耗0.3 kg/m3，淺孔爆破炸藥單耗0.5 kg/m3；實(shí)際施工中，根據(jù)試爆情況及時(shí)進(jìn)行調(diào)整[5]。⑧單孔藥量Q：根據(jù)公式Q=qabH計(jì)算。具體參數(shù)如表1所示。

表1 爆破參數(shù)

3 起爆網(wǎng)路

此次基坑爆破開挖周邊環(huán)境極為復(fù)雜，為了保證起爆網(wǎng)路的安全，起爆網(wǎng)路采用“非電毫秒延時(shí)塑料導(dǎo)爆管雷管”起爆系統(tǒng)。同時(shí)為了更好地控制爆破振動(dòng)對(duì)基坑邊坡、周邊民房、高速公路高架橋、高速公路護(hù)坡等的安全，爆破網(wǎng)路連接采用逐孔起爆技術(shù)，嚴(yán)格控制單響起爆藥量，采用炮孔內(nèi)裝MS11段高段位導(dǎo)爆管雷管，孔外接力用MS3段低段位導(dǎo)爆管雷管，排間MS5段順序起爆，每次起爆不超過4排；逐孔起爆網(wǎng)路如圖2所示。

圖2 起爆網(wǎng)路Fig.2 Initiation network

4 安全校核與防護(hù)

4.1 爆破飛石防護(hù)

爆破飛石距離是爆破目標(biāo)表面介質(zhì)在爆破沖擊波的推動(dòng)下向四周激射飛散所致，因爆破區(qū)周邊環(huán)境較為復(fù)雜，爆破飛石的防護(hù)工作是保證爆破施工安全的關(guān)鍵因素之一。為了控制爆破飛石采取的措施：合理布孔，優(yōu)化爆破參數(shù)，限定最小抵抗線和單孔藥量；精心施工，逐個(gè)檢查炮孔、孔位、孔深，確保填塞密實(shí)度和填塞長度；每次爆破作業(yè)，必須加強(qiáng)警戒，嚴(yán)防無關(guān)人員、車輛等進(jìn)入警戒范圍內(nèi)；為了保證爆破飛石安全，需采用加厚帆布、竹笆等進(jìn)行覆蓋，重點(diǎn)部位采用土袋、砂袋等進(jìn)行防護(hù)[6-7]。

4.2 爆破振動(dòng)的評(píng)估

本次爆破振動(dòng)重點(diǎn)保護(hù)對(duì)象為深基坑自身邊坡穩(wěn)定性、深基坑地基，高速公路保證高架橋橋墩、普通民居及周邊砂質(zhì)地基下陷等的安全。根據(jù)《爆破安全規(guī)程》[3]中規(guī)定，爆破振動(dòng)對(duì)周圍建筑物破壞影響可采用下式計(jì)算：

(1)

式中：v為被保護(hù)物所在地質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度，cm/s；k為與介質(zhì)性質(zhì)爆破有關(guān)的系數(shù)，100；k0為修正系數(shù)，取1；Q為延時(shí)爆破最大一段藥量，kg；R為爆破振動(dòng)安全允許距離，m；α為衰減系數(shù)，α=2.0。

本次爆破周邊環(huán)境極為復(fù)雜，需要重點(diǎn)保護(hù)對(duì)象較多。根據(jù)計(jì)算，采用逐孔起爆技術(shù)，深孔爆破控制最大單響起爆藥量不超過10 kg，爆破對(duì)周圍建構(gòu)筑物產(chǎn)生的振動(dòng)速度小于國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的振動(dòng)速度。為了保護(hù)爆破振動(dòng)對(duì)深基坑邊坡及基底的擾動(dòng)影響，采取如下措施：①在實(shí)際施工中，加強(qiáng)爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)，對(duì)回歸實(shí)際的K、α值，及時(shí)進(jìn)行爆破參數(shù)的調(diào)整；②為了降低爆破振動(dòng)對(duì)基坑地基擾動(dòng)的影響，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)基坑爆破部分進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，分析爆破前后地基分布力學(xué)性質(zhì)的變化。按逐層爆破的方式，進(jìn)行巖體波速測(cè)試，通過波速的衰減規(guī)律判定爆破開挖對(duì)地基巖體的損傷程度，及時(shí)調(diào)整爆破方案，盡可能使地基巖體不受擾動(dòng)。同時(shí)，對(duì)各監(jiān)測(cè)孔位均進(jìn)行瞬態(tài)面波法測(cè)試，兩種方法相互驗(yàn)證，互為補(bǔ)充，使所得監(jiān)測(cè)結(jié)果真實(shí)可靠。爆破作業(yè)完成后，對(duì)主樓筏板基礎(chǔ)部分采用瞬態(tài)面波法測(cè)試，以便了解爆破作業(yè)對(duì)主樓筏板基礎(chǔ)部分的影響；③爆破前在基坑周邊布置1排減振孔，減振孔間隔1 000 mm，深度超過基坑開挖深度500 mm，孔徑為140 mm。

表2 爆破振速對(duì)比

4.3 爆破粉塵控制

在爆破工程中，爆破粉塵產(chǎn)生的主要途徑是鉆孔作業(yè)、爆破過程中巖石破碎產(chǎn)生的粉塵、爆破沖擊波引起的地表粉塵等。爆破粉塵是城市復(fù)雜環(huán)境下爆破作業(yè)的主要有害效應(yīng)之一，為了防止爆破粉塵對(duì)周邊環(huán)境的影響。①鉆孔采用濕式鉆孔技術(shù)，裝藥回填采用細(xì)砂加水封堵方式降低鉆孔作業(yè)和爆破過程中巖石破碎產(chǎn)生的粉塵；②爆破前在基坑周邊每隔2 m提前架設(shè)水噴霧裝置，爆破時(shí)開啟裝置，使爆破作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)形成水霧，有效地降低了爆破產(chǎn)生粉塵進(jìn)一步擴(kuò)散，將粉塵有效地控制在基坑范圍之內(nèi)，達(dá)到了環(huán)保高效爆破作業(yè)的目的。

5 爆破效果

此次深基坑爆破開挖過程中，通過對(duì)爆破振動(dòng)和地基擾動(dòng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地監(jiān)測(cè)，及時(shí)調(diào)整爆破參數(shù)，采用淺孔和深孔相結(jié)合的弱爆破技術(shù)，基坑底部預(yù)留50 cm保留層，在50 d內(nèi)成功完成深基坑15萬m3的爆破開挖任務(wù)。爆破對(duì)基坑底部巖石的擾動(dòng)影響在允許范圍之內(nèi)；同時(shí)通過現(xiàn)場(chǎng)濕式鉆孔作業(yè)和水噴霧裝置，有效地控制了城市復(fù)雜環(huán)境下爆破作業(yè)粉塵有害影響；采用預(yù)裂孔有效地保障了爆破振動(dòng)深基坑邊坡及周邊建構(gòu)筑物的安全，爆破取得圓滿成功，為在城市復(fù)雜環(huán)境下深基坑爆破開挖積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。