基于TBM法的地鐵大斷面水壓爆破技術(shù)

王新明

(中鐵十一局集團有限公司，武漢 430061)

隨著城市地鐵建設(shè)的不斷擴張，施工對環(huán)境的影響也日益加重，尤其是鉆爆法開挖的施工手段，其因爆破引發(fā)的周邊振動以及產(chǎn)生的噪音污染等，對城市居民的生活影響尤為突出，同時可能引發(fā)地表臨近的構(gòu)筑物沉降、進一步危及周邊人員安全。在過去十多年的城市地鐵建設(shè)過程之中，業(yè)內(nèi)逐漸對爆破工藝進行了優(yōu)化，引入了一些相對來說更安全、對環(huán)境污染更小的新的施工工藝或技術(shù)方法，比如靜態(tài)爆破技術(shù)、頂管法施工技術(shù)、盾構(gòu)或TBM法施工技術(shù)等。

關(guān)于城市爆破控制技術(shù)，除不同爆破工藝外，目前的研究主要是通過優(yōu)化炮孔布置、起爆順序以及裝藥結(jié)構(gòu)等方法來進行。陳文尹[1]依托硬巖暗挖大斷面地鐵車站工程，采用大直徑中空孔掏槽、周邊空孔減振、隔孔裝藥、孔內(nèi)孔外聯(lián)合延時起爆等多種減振和分區(qū)組合爆破技術(shù)，有效控制了爆破振動。張衛(wèi)彪[2]依托大斷面地鐵車站工程，采取分部開挖的爆破方案，對不同開挖分部導(dǎo)坑的掏槽方式、爆破參數(shù)等進行了合理取值及優(yōu)化，進一步考慮爆破振動影響，最后使地鐵施工監(jiān)測點的最大爆破振動速度低于1 cm/s。付曉強等[3]根據(jù)下穿城市密集建筑群的淺埋隧道工程的特點，確定了1 m循環(huán)進尺及中心大空孔二階復(fù)式掏槽形式，并通過規(guī)范及理論計算式分別確定了不同炮孔的爆破參數(shù)及裝藥結(jié)構(gòu)，采用毫秒延時雷管進行起爆，監(jiān)測表明平均最大爆破振動速度為1.536 cm/s。TBM導(dǎo)洞擴挖法是一種先利用TBM開挖出大斷面導(dǎo)洞，再通過該導(dǎo)洞進行四周擴挖的方法。與傳統(tǒng)鉆爆導(dǎo)洞擴挖法相比，其施工期更短，開挖效率更高，對環(huán)境造成的影響也更小[4]。行業(yè)內(nèi)許多專家學(xué)者對TBM導(dǎo)洞擴挖法進行了深入研究，發(fā)現(xiàn)該方法能大大減小因爆破引起的振動，且能提升爆破效果。水壓爆破則能有效降低爆破危害程度，具體表現(xiàn)為隧道超挖量、炸藥單耗[5]、振動幅值和粉塵污染程度大幅降低[6]。

本文依托青島地鐵1號線貴西區(qū)間大斷面礦山法隧道，充分利用已經(jīng)成型的TBM導(dǎo)洞，將其作為爆破臨空面，再采用水壓爆破技術(shù)，在保證工期不受影響的情況下，減小因爆破引起的質(zhì)點最大振動速度以及周邊震感。

1 工程概況

1.1 工程現(xiàn)狀

貴州路站～西鎮(zhèn)站區(qū)間(以下簡稱貴西區(qū)間)全長約546.9 m，根據(jù)運營需要西鎮(zhèn)站站前設(shè)置雙存車線，形成四線大斷面隧道。四線大斷面區(qū)間隧道長約345 m，埋深16～22 m，TBM掘進后進行擴挖施工。線路下穿西鎮(zhèn)大量老式居民樓，主要為多層磚混居住建筑，下穿3處Csu級[7]房屋，50 m范圍內(nèi)爆破施工影響建筑41棟，影響居民2 117戶。其中下穿房屋13棟，側(cè)穿房屋28棟(見圖1)。此區(qū)段居民以中老年人及幼童為主，家中24 h均有人生活，養(yǎng)老院內(nèi)有210名老人，幼兒園內(nèi)有300名兒童。周邊環(huán)境極其復(fù)雜，爆破開挖時，控制周圍環(huán)境的爆破振動是本工程的重難點。

圖1 貴西區(qū)間沿線穿越房屋情況Fig.1 Crossing houses along the line between Guizhou Road Station and Xizhen Station

1.2 斷面開挖設(shè)計

貴西區(qū)間四線大斷面分復(fù)合襯砌、單層襯砌這2種襯砌形式，一共4種斷面類型：ZA、ZB、ZC、ZD斷面，本文主要以單層襯砌斷面ZC、ZD進行研究(見圖2)。ZC、ZD斷面所適用的圍巖等級為Ⅱ級，其支護參數(shù)設(shè)計為：拱部局部設(shè)Φ25 mm中空錨桿，長度4 m；局部設(shè)Φ8 mm鋼筋網(wǎng)，間距200 mm ×200 mm；拱墻100 mm厚C25噴射混凝土；拱墻550 mm厚C45鋼筋混凝土。圖中所示拱部大拱腳的開挖斷面寬22.3 m，下部邊墻開挖斷面寬19.5 m，TBM導(dǎo)洞直徑為6.3 m。實際施工時把該斷面分為4個部分進行爆破，其中上臺階進尺為1.5 m，下臺階為3.0 m，輔助孔及周邊孔的炮孔深度與所在臺階進尺相一致。

圖2 ZC、ZD的單層襯砌設(shè)計及開挖斷面Fig.2 Single-layer lining design and excavation section of ZC and ZD

2 水壓爆破施工方案

2.1 水壓爆破原理

相較于常規(guī)爆破，水壓爆破主要是在常規(guī)爆破的炮孔裝藥結(jié)構(gòu)上增設(shè)了填塞水袋，根據(jù)水致密、難壓縮的性質(zhì)，爆破沖擊波可通過水袋將炸藥的爆炸做功傳遞給圍巖，在此過程中是幾乎無能量消耗的[8]。

另外，水袋中的水在爆炸的過程中會受氣體膨脹擠壓，從而引發(fā)“水楔效應(yīng)”，促使巖石初始裂縫延伸擴展加大，加上水袋炮泥復(fù)合填塞，增強了爆炸產(chǎn)生膨脹氣體的靜力作用，使得破巖效果更好；且爆破而出的水呈現(xiàn)出霧化狀態(tài)，這對于減小隧道開挖造成的塵土污染是有極大幫助的[9]。

因此，較之于傳統(tǒng)爆破技術(shù)，水壓爆破在一定程度上能提高爆破效果、降低作業(yè)區(qū)污染。

2.2 單孔單段振動速度計算

起爆振速可根據(jù)修正的薩道夫斯基公式[10]進行計算：

(1)

式中：v為安全允許的質(zhì)點振動速度，cm/s；Q為單段最大裝藥量，kg；R為測點與爆破位置距離，m；α為振動衰減系數(shù)；k為與介質(zhì)、爆破條件因素相關(guān)聯(lián)的系數(shù)，α和k可以對實測振速v、最大單段裝藥量Q以及測點與爆心之間的長度R進行回歸分析得到，一般也能根據(jù)經(jīng)驗進行估計；A為臨空面積，m2；β為斷面指數(shù)(臨空面積/爆破面積)。

本工程中臨空面積15 m2，斷面指數(shù)0.2，代入公式(1)中進行質(zhì)點振速的對比分析(見表1)，可以看出：①采用多孔少藥的裝藥方式可以有效減小振動；②臨空面小，炮孔間的巖石碎裂影響大，振動大。

表1 起爆點振速對比分析

2.3 初爆方案研究

初步試爆參數(shù)如下：輔助孔排距1 000 mm，孔距1 200 mm，孔深2 000 mm，單孔裝藥量0.3 kg，孔內(nèi)采用MS7～MS17段雷管，孔外采用MS5段雷管延時，實現(xiàn)單孔單響。周邊孔孔距500 mm，孔深2 000 mm，單孔裝藥量0.2 kg，初爆方案如圖3所示。

圖3 初爆方案Fig.3 Initial explosion plan

第1次試爆底腳孔只1個炮孔，藥量取0.3 kg，裝藥結(jié)構(gòu)如圖4所示，孔底3支水袋(600 mm)，1支炸藥(300 mm)，孔中3支水袋(600 mm)。爆破振速為0.47～0.56 cm/s，圍巖輕度開裂，未達到預(yù)期效果。初步分析炮孔深度2 m，抵抗線1 m，單孔裝藥量為0.3 kg，單孔起爆難度較大。

圖4 第1、2次試爆裝藥結(jié)構(gòu)Fig.4 Charge structure of the first and second test explosion

第2次試爆有3個炮孔剩余，裝藥結(jié)構(gòu)、裝藥量及填塞量同第1次試爆?？變?nèi)裝MS7雷管、孔外裝MS5段雷管延時，爆破振速為0.59～0.75 cm/s，圍巖輕度開裂，未達到預(yù)期效果。

根據(jù)試爆，第3次調(diào)整了參數(shù)：孔距0.8 m，排距0.6 m，炮孔深度1.8 m(見圖5)。此次藥量取0.4 kg，孔底2支水袋、中間2支水袋、孔口填塞60 cm炮泥。未達到預(yù)期效果，地面振速0.3 cm/s。

圖5 第3次試爆裝藥結(jié)構(gòu)Fig.5 Charge structure of the third test explosion

根據(jù)第3次試爆結(jié)果分析，試爆前必須對拱部格柵進行拆除，多孔起爆，保證炸藥能量不外泄，發(fā)揮最大利用率。后全部拆除拱部剩余格柵，對18個炮孔裝藥進行了第4次試爆，試爆方案如圖6所示。第1排10個炮孔的單孔裝藥量為0.3 kg，第2排8個炮孔單孔裝藥量為0.4 kg。試爆振速0.57 cm/s，表明試爆基本成功，爆破參數(shù)較合理，計劃上臺階剩余輔助孔按此爆破參數(shù)施工：上臺階剩余輔助孔46個，第1、2、3、4、5排分別布置11、11、10、8、6個炮孔；排距60 cm，孔距80 cm，孔深180 cm，單孔裝藥量0.4 kg，孔內(nèi)第1排采用MS7、MS9段雷管，第2排采用MS11、MS15(底角孔1個)段雷管，第3排采用MS13段雷管，第4排采用MS15段雷管，第5排采用MS17段雷管進行延時爆破，孔外采用MS5段雷管進行延時爆破，單孔單響。

圖6 第4次試爆方案Fig.6 The 4th test explosion plan

2.4 爆破參數(shù)確定

通過多次爆破測試，發(fā)現(xiàn)在裝藥結(jié)構(gòu)中，中部裝藥的爆破效果最好，孔底裝1個水袋，炸藥中心上移，大塊率降低比率大，破碎效果好。填塞水袋的長度應(yīng)稍小于炮泥，但最好能控制在0.75倍以上，水袋長度過小時難以發(fā)揮水壓爆破優(yōu)勢，過大時其封堵的效果又會減弱，導(dǎo)致爆炸能耗損失嚴重。

因此爆破參數(shù)確定為①炮孔間距：輔助孔排距60 cm，孔距80 cm，孔深1 80 cm；周邊孔孔距50 cm，光爆層50 cm，孔深1 80 cm；②炮孔數(shù)量：輔助孔93個，周邊孔28個；③單孔裝藥量：輔助孔0.3 kg，周邊孔0.2 kg；④總裝藥量：輔助孔27.9 kg，周邊孔5.6 kg，共計約33.5 kg；⑤孔內(nèi)雷管：第1排至第11排輔助孔依次使用MS7～MS17雷管，周邊孔使用MS19雷管；⑥孔外雷管：MS7延時200 ms(采用雙雷管)。

3 水壓爆破施工工藝

3.1 炮孔布置及鉆孔

為確保爆破效果，用全站儀嚴格按試驗參數(shù)放樣布孔，鉆孔臺車依據(jù)開挖斷面和炮孔布置，并考慮出渣車通行方便搭設(shè)，鉆孔按放樣點位控制好傾角和深度。

3.2 水袋、炮泥制作及安裝

1)水袋制作。水袋口徑為35 mm，長0.18 m，原材料為厚0.8 mm的塑料袋，采用PSP-1型炮孔水袋自動注水封口機加工制作。

2)炮泥制作。炮泥的口徑、長度與水袋一致，采用PNJ-2型炮泥機加工制作，經(jīng)室內(nèi)測試，發(fā)現(xiàn)合理的配合比為土∶砂∶水=75∶10∶15。

3)安裝水袋、炸藥和炮泥。鉆好炮孔后進行清理，對于合格炮孔，從頭至尾安排水袋、炸藥、水袋、炮泥的裝藥結(jié)構(gòu)，再人工用木制炮棍填塞安裝，材料之間應(yīng)注意密切接觸，藥卷填充密實。

3.3 連線起爆

起爆線路連接時，注意要將線路盡量與炮孔挨在一起，炮孔外的網(wǎng)路線路盡量縮短、避免交錯復(fù)雜，這樣有利于進行網(wǎng)路檢查。線路連接完畢后應(yīng)進行認真排查，確保連接到了每個炮孔的藥卷，且連結(jié)塊內(nèi)的起爆雷管都安設(shè)到位。起爆應(yīng)由中間向周圍發(fā)散進行，即以引爆掏槽孔藥卷為始，再分別進行周邊孔、底板孔的爆破。

4 水壓爆破效果分析

在Ⅱ級圍巖，且爆破斷面大小、炮孔形式及其分布均一致的條件下，通過現(xiàn)場試驗對水壓爆破法與傳統(tǒng)爆破法的效果進行了比較(見表2)?？芍?，水壓爆破有以下幾點優(yōu)勢：①爆炸波在傳遞過程中的損耗較低，因此相對而言可節(jié)省炸藥39.91 kg；②單次爆破開挖進尺增大了0.35 m，有效降低了施工工期；③大塊降低了53 %，這說明了其破巖效果良好；④降低了施工成本；⑤降低了施工環(huán)境污染及對周邊環(huán)境的影響，粉塵濃度下降36.6 mg/m3，振速下降0.13 cm/s。

表2 水壓爆破和常規(guī)爆破效果對比

5 結(jié)論

1)對于TBM導(dǎo)洞擴挖的爆破工程而言，臨空面較小時，炮孔間的巖石碎裂影響較大，振動較大；采用多孔少藥的裝藥方式可以有效減小振動。

2)底孔水袋及頂部水袋阻塞炮孔，中部裝藥結(jié)構(gòu)的爆破效果最好?？椎籽b1個水袋，炸藥中心上移，大塊石比率降低，破碎效果好。填塞水袋長度與炮泥長度之比建議取0.75～1，該值過小時水的作用不顯著；過大時填塞效果減弱爆炸能損失嚴重。

3)相同條件時，水壓爆破較常規(guī)爆破技術(shù)每循環(huán)節(jié)省了炸藥39.91 kg，每循環(huán)進尺提高了0.35 m，大塊率降低了53%，質(zhì)點爆破振速下降了0.13 cm/s，粉塵濃度下降了36.6 mg/m3，經(jīng)濟與環(huán)境效益顯著。