超大城市營(yíng)運(yùn)地鐵車(chē)站下方地墻控制爆破

劉文廣

(上海消防技術(shù)工程有限公司，上海 200081)

軌道交通是目前城市交通的重要組成部分，尤其是超大城市；截至2021年，上海地鐵運(yùn)營(yíng)線路共19條，運(yùn)營(yíng)里程772 km。上海地區(qū)由于是沖積平原，地鐵隧道分布在飽和土中，因此隧道掘進(jìn)全部采用泥水平衡盾構(gòu)機(jī)。但在隧道城市地下穿越過(guò)程中，不可避免的要穿越各種障礙如建筑物樁基、基坑維護(hù)結(jié)構(gòu)，尤其是由于地鐵線路縱橫，盾構(gòu)推進(jìn)中有大量的掘進(jìn)隧道和現(xiàn)有地鐵車(chē)站交叉，需穿越地鐵站的混凝土連續(xù)墻。泥水平衡盾構(gòu)機(jī)如果采用刀盤(pán)切削混凝土結(jié)構(gòu)，由于其推進(jìn)和刀盤(pán)結(jié)構(gòu)與TBM硬巖盾構(gòu)機(jī)不同，會(huì)對(duì)刀盤(pán)帶來(lái)嚴(yán)重傷害，而且切削穿越一堵墻的時(shí)間長(zhǎng)達(dá)數(shù)月。采用爆破技術(shù)先將混凝土結(jié)構(gòu)破碎，然后再穿越就容易得多。但爆破時(shí)需要解決臨近結(jié)構(gòu)保護(hù)、地下30多米深處的安全準(zhǔn)爆和爆破效果等難題。

1 工程概況

上海軌道交通18號(hào)線溝通寶山、楊浦、浦東三區(qū)，自民生路越過(guò)黃浦江后，在民生路下方由北向南推進(jìn)，在楊高路地下和9號(hào)線楊高路站垂直穿越(如圖1)，需要在車(chē)站下方橫穿車(chē)站兩側(cè)地下連續(xù)墻，穿越位置在楊高路地鐵車(chē)站大地板下方2.8 m處。

圖1 18號(hào)線隧道和9號(hào)線楊高路站平面示意圖Fig. 1 Schematic plan of line 18 tunnel and line 9 Yanggao Road Station

18號(hào)線采用中交天和φ6850 mm泥水平衡盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)施工，難以切削地下連續(xù)墻，因此決定決定對(duì)地墻穿越位置采用爆破破碎，然后穿越的形式。

被穿越的9號(hào)線楊高路地鐵站是上海營(yíng)運(yùn)線路，每天營(yíng)運(yùn)時(shí)間5：30～23：30。車(chē)站為地下二層的中島式結(jié)構(gòu)，底板厚1200 mm，內(nèi)襯厚400 mm。盾構(gòu)穿越段的車(chē)站兩側(cè)地連墻采用800 mm厚、C20玻璃纖維筋混凝土，墻底標(biāo)高-26.7 m，盾構(gòu)切削面垂直于地墻。車(chē)站底部為車(chē)站施工時(shí)加固土，強(qiáng)度大于0.8 MPa。

18號(hào)線左右線盾構(gòu)分別2次穿越9號(hào)線楊高路站地連墻，該段盾構(gòu)中心標(biāo)高約-18.67 m，隧頂與車(chē)站底板垂直凈距約為2.8 m。如圖2所示。穿越段盾構(gòu)掘進(jìn)主要位于在⑤11灰色粘土、⑤12灰色粉質(zhì)粘土和⑥暗綠～草黃色粘土。

圖2 18號(hào)線隧道和9號(hào)線楊高路站立體示意圖(單位：m)Fig. 2 Profile of the line 18 tunnel and line 9 Yanggao Road Station(unit:m)

2 爆破地墻周邊環(huán)境

待爆地墻本身是另一條營(yíng)運(yùn)線路的車(chē)站基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，穿越爆破主要涉及以下保護(hù)目標(biāo)。

2.1 運(yùn)營(yíng)地鐵站

18號(hào)線穿越位置在9號(hào)線營(yíng)運(yùn)的地鐵站大底板下垂直距離2.8 m處，穿越最高點(diǎn)與地鐵站大底板距離2.8 m，距離乘車(chē)站臺(tái)5.6 m；由于是營(yíng)運(yùn)車(chē)站，爆破時(shí)只能選擇每天列車(chē)停運(yùn)后的5 h施工。同時(shí)要保證地鐵站內(nèi)營(yíng)運(yùn)控制室、配電房、玻璃屏蔽門(mén)、水電風(fēng)管道、地鐵電纜掛架等的絕對(duì)安全。這也是工程保護(hù)的重點(diǎn)。

2.2 楊高路地表設(shè)施

爆破位置地表是民生路和楊高路交叉路口，兩條路都是浦東新區(qū)主干道，道路下方密集分布各種管線，尤其是沿民生路穿越楊高路的管線，和爆破地下連續(xù)墻垂直穿越，涉及信息、煤氣、給水、雨水等管線，見(jiàn)表1。楊高路地面上是楊高路跨越民生路的高架跨線橋，爆破穿越點(diǎn)水平距離高架立柱距離8 m，空間距離為19 m。

表1 楊高路地表管線列表Table 1 List pipelines of Yanggao Road Surface

3 爆破技術(shù)方案

3.1 設(shè)計(jì)方案選擇

待爆破地下連續(xù)墻為混凝土墻結(jié)構(gòu)，位于地下28余米飽和泥砂土內(nèi)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，采用自地面地下連續(xù)墻頂部中心線位置鉆鑿垂直深孔、直達(dá)爆破部位，然后分段裝藥原地爆破破碎的設(shè)計(jì)方案，為后續(xù)盾構(gòu)穿越施工減少阻力。

3.2 地墻爆破參數(shù)

盾構(gòu)直徑φ=6850 mm，為保證效果，爆破直徑設(shè)計(jì)為φ=8000 mm。在地面混凝土地墻頂部往下鉆孔至爆破部位，然后在爆破部位定位裝藥。地表標(biāo)高為+5.8 m，最大鉆孔深度約28 m。

爆破后的塊度要滿足盾構(gòu)螺旋輸送口輸送要求，根據(jù)中交天和φ6850 mm土壓平衡盾構(gòu)機(jī)數(shù)據(jù)，爆破后塊度要在15 cm以下。以此作為確定爆破參數(shù)的依據(jù)。

根據(jù)類(lèi)似項(xiàng)目施工項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)[1,2]，此次每個(gè)穿越點(diǎn)布設(shè)11個(gè)炮孔，炮孔間距0.7～0.8 m，四個(gè)穿越點(diǎn)總共布置44個(gè)炮孔。在車(chē)站地墻外側(cè)四個(gè)穿越點(diǎn)對(duì)應(yīng)位置設(shè)置3個(gè)泄壓孔，共設(shè)置12個(gè)。

炸藥單耗控制，普通鋼筋混凝土解體需用炸藥量為0.8～1.0 kg/m3，考慮地墻所處位置地下近30 m，兩側(cè)是飽和土，壓力接近0.3 MPa，為保證爆破后塊度在15 cm以下，結(jié)合原類(lèi)似項(xiàng)目施工經(jīng)驗(yàn)，炸藥單耗取1.8 kg/m3。

地墻厚度0.8 m，鉆孔兩側(cè)抵抗線0.4 m，28 m深處偏斜應(yīng)小于15 cm，必須確保鉆孔垂直度在5‰以?xún)?nèi)。工程地質(zhì)鉆通常要求100 m頂角偏斜不應(yīng)超過(guò)2°，施工中采用改進(jìn)型取芯鉆機(jī)，采用全站儀、水平儀三維監(jiān)控鉆桿垂直度；鉆進(jìn)過(guò)程中采用1 m巖心筒開(kāi)孔，逐漸增加至6 m定制筒的鉆進(jìn)方式，滿足了鉆孔要求。

地墻厚度：h=800 mm

孔距：a=(0.85～1.0)×h=680～800 mm。兩側(cè)2個(gè)孔取a=800，其余取a=700

孔徑：d=110 mm

孔數(shù)：每個(gè)穿越位置鉆孔11個(gè)

抵抗線：w=400 mm

單孔藥量Q計(jì)算[3](中間孔為最大藥量)

Q=qV=1.8 kg/m3×0.7 m×

8.0 m×0.8 m=8.06 kg，取8.0 kg

(1)

式中:q為特定狀態(tài)下破碎單位混凝土需要的炸藥量，取1.8 kg/m3；見(jiàn)表2、圖3。

圖3 爆破孔布置剖面圖Fig. 3 Profile of blast hole layout

表2 單幅地墻各孔裝藥量Table 2 Charge quantity of each hole of single ground wall

V是單孔爆破混凝土體積,V=孔距a×裝藥長(zhǎng)度×厚度h。

4 爆破振動(dòng)控制措施

4.1 爆破震動(dòng)傳播途徑

在城市軌道交通地鐵沿線周邊爆破施工極為敏感；上?！败壍澜煌ü芾?xiàng)l例”規(guī)定，軌道交通設(shè)施50 m范圍為軌交保護(hù)區(qū)[4]，如需爆破需要軌交管理部門(mén)同意。

在營(yíng)運(yùn)車(chē)站下方進(jìn)行地墻爆破，影響最大的是地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)，同時(shí)由于是營(yíng)運(yùn)線路，爆破振動(dòng)還會(huì)對(duì)車(chē)站內(nèi)營(yíng)運(yùn)控制室內(nèi)的設(shè)備、配電房、玻璃屏蔽門(mén)、水電風(fēng)管道、地鐵電纜掛架等產(chǎn)生影響。

爆破時(shí)，爆破振動(dòng)由爆破點(diǎn)傳播到地鐵站主要通過(guò)以下A、B兩條途徑(如圖4)：

圖4 爆破震動(dòng)傳播路徑圖Fig. 4 Propagation path of blasting vibration

A)沿地墻直接上傳至車(chē)站大底板、車(chē)站結(jié)構(gòu)：由于兩側(cè)地墻和車(chē)站大底板非同時(shí)澆筑，兩者之間存在結(jié)構(gòu)縫，地震波遇結(jié)構(gòu)縫后傳播到車(chē)站大底板上時(shí)會(huì)有所削弱。

B)由地墻周?chē)馏w傳到車(chē)站結(jié)構(gòu)：爆破后震動(dòng)和沖擊波大部分都沿水平方向傳播，高頻震動(dòng)在不均勻的土層中會(huì)迅速衰減。

4.2 減振措施

根據(jù)爆破振動(dòng)計(jì)算公式，爆破振動(dòng)與三方面參數(shù)有關(guān)：一次起爆藥量Q、傳播距離R、傳播介質(zhì)力學(xué)參數(shù)K和α。相應(yīng)的減震措施如下：

(1)從產(chǎn)生振動(dòng)波的源頭控制，減小一次起爆藥量：首先4個(gè)墻洞依次爆破，間隔3 s，每次起爆1個(gè)墻洞；然后每個(gè)墻洞上布置11個(gè)炮孔，逐孔起爆；每個(gè)炮孔爆破時(shí)再將一個(gè)炮孔裝藥分為3～8個(gè)藥包，通過(guò)毫秒延時(shí)設(shè)計(jì)逐段起爆。通過(guò)以上措施，可以把直徑8 m圓形地墻的爆破分成72個(gè)小區(qū)域，逐個(gè)毫秒延時(shí)起爆，每次起爆藥量控制在1 kg，這樣可有效降低爆破振動(dòng)初始強(qiáng)度。

(2)采用頂部預(yù)裂爆破

爆破時(shí)通過(guò)控制爆破圈頂部11個(gè)小藥包先行起爆，在爆破輪廓線頂部形成一條破碎預(yù)裂圓弧；然后各孔余下藥包自1號(hào)孔指11號(hào)孔采用逐孔、逐個(gè)藥包起爆的方式，單段最大起爆藥量1 kg；這樣下部藥包產(chǎn)生的振動(dòng)傳到頂部破碎帶時(shí)會(huì)大大衰減，從而減小爆破振動(dòng)。

(3)采用不耦合裝藥技術(shù)

采用不耦合裝藥技術(shù)，鉆孔孔徑采用110 mm，藥卷直徑64 mm，不耦合系數(shù)1.71；不耦合裝藥能有效降低炸藥沖擊波初始峰值壓力，減輕爆破振動(dòng)的直接沖擊。

4.3 起爆網(wǎng)路設(shè)計(jì)

4.3.1 爆破器材選擇

電子雷管延時(shí)精度高，可以精確且合理地控制延期時(shí)間，達(dá)到良好的降振效果，結(jié)合預(yù)裂控制爆破，效果會(huì)更加顯著。根據(jù)傅洪賢等在人和場(chǎng)隧道進(jìn)行電子雷管降速試驗(yàn)、電子雷管與非電雷管聯(lián)合降速試驗(yàn)[5]，得出隧道電子雷管單孔連續(xù)起爆技術(shù)，與隧道非電雷管爆破相比，爆破振動(dòng)降低80%以上?？紤]到爆破區(qū)域位于地鐵站下方，決定采用電子數(shù)碼雷管起爆網(wǎng)路。

四幅地墻間逐幅起爆，延期時(shí)間3 s。每幅地墻選用一個(gè)集成適配器，四幅地墻匯總到集中控制器，聯(lián)網(wǎng)起爆(如圖5)。

圖5 地墻組網(wǎng)圖Fig. 5 Network diagram of ground wall

4.3.2 合理延期時(shí)間確定

爆破地震波是多列爆炸波疊加的結(jié)果，依據(jù)波的疊加原理和波的干涉，延時(shí)爆破的最佳間隔時(shí)間應(yīng)該是波的半個(gè)周期或奇數(shù)倍。但爆破地震波是由不同頻率、不同幅值的波在一個(gè)有限時(shí)間范圍內(nèi)組合的隨機(jī)過(guò)程，爆破地震波的傳播受不同地質(zhì)條件影響，也是極為復(fù)雜的。張小軍等通過(guò)地震波疊加的波動(dòng)方程，推導(dǎo)出爆破地震波的簡(jiǎn)析式，然后擬合出震動(dòng)速度的表達(dá)式，得出爆破延期最佳時(shí)間在20 ms左右[6]。

據(jù)此，此次單幅地墻72個(gè)藥包采用兩種延期方式：頂部11個(gè)藥包，延時(shí)時(shí)間采用30 ms；后續(xù)每個(gè)孔內(nèi)的藥包自上而下引爆。延時(shí)時(shí)間采用20 ms；總延期時(shí)間詳見(jiàn)表3。

表3 單幅地墻延期時(shí)間表Table 3 Extension schedule of single ground wall

5 爆破振動(dòng)計(jì)算

根據(jù)控制爆破振動(dòng)速度公式[7]

V=Kk′×(Q1/3/R)α

(2)

式中：V為爆破振動(dòng)速度峰值，cm/s；Q為單響藥量，本次爆破最大單段藥量Q=1 kg；R為保護(hù)物到爆源的距離；K、α與地震波傳播地段的介質(zhì)性質(zhì)及距離有關(guān)系數(shù)，K取116.4，α取1.74；k′修正系數(shù)，取k′=0.5。見(jiàn)表4。

表4 重要保護(hù)目標(biāo)振速計(jì)算表Table 4 Calculation of vibration velocity of important protection targets

根據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB6722—2014)的規(guī)定[8]，一般民用建筑物的安全振動(dòng)速度為2.5～3.0 cm/s，所以計(jì)算值對(duì)周邊的建、構(gòu)筑物是安全的，對(duì)于柔性管線，影響更小。

6 爆破效果與小結(jié)

6.1 爆破效果

2020年9月15日,歷經(jīng)9 h的裝藥和網(wǎng)路布設(shè)。凌晨0：30四幅地墻依次準(zhǔn)時(shí)起爆，持續(xù)時(shí)間16 s，可聽(tīng)到地下沉悶的爆炸聲，并有一點(diǎn)震感，而且見(jiàn)到炮孔和泄壓孔有水和部分堵塞物沖出。

爆破后申通公司信號(hào)、管道、道交、綜合等四個(gè)小分隊(duì)到地下車(chē)站檢查，所有設(shè)備均安全，地面管道也沒(méi)有異常。凌晨5：30，第一列地鐵安全運(yùn)行通過(guò)。

10月15日，地鐵盾構(gòu)機(jī)到達(dá)穿越位置，盾構(gòu)機(jī)控制室跟蹤穿越情況，盾構(gòu)穿越四幅墻的時(shí)間15～18 min，與盾構(gòu)機(jī)在泥土中設(shè)計(jì)穿行速度6 cm/min基本吻合。出渣機(jī)構(gòu)可見(jiàn)5～10 cm大小砼塊。爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如表5，監(jiān)測(cè)點(diǎn)如圖6。

圖6 測(cè)點(diǎn)布置圖Fig. 6 Survey points

表5 振動(dòng)速度監(jiān)測(cè)表Table 5 Vibration speed monitoring

6.2 小結(jié)

由于爆破結(jié)構(gòu)位于地下30 m，要保證爆破效果，炸藥單耗不宜小，在直徑8 m的圓形區(qū)域藥量較為集中，單靠多打孔、分散裝藥控制爆破振動(dòng)有施工上的難度；加之待爆結(jié)構(gòu)本身就是車(chē)站結(jié)構(gòu)的一部分，距離近，因此要將爆破振動(dòng)控制控制手段有限；此次爆破實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)2.1～3.4 cm/s，和以往十多次相關(guān)工程類(lèi)似，但小于地鐵機(jī)車(chē)運(yùn)行時(shí)的站臺(tái)上的振動(dòng)值(地鐵機(jī)車(chē)通過(guò)時(shí)，車(chē)站站臺(tái)實(shí)測(cè)振速7～10 cm/s)[9,10]。如何把爆破振動(dòng)降低到1 cm/s，仍是下一步努力的方向。

國(guó)內(nèi)各城市對(duì)軌道交通沿線周邊50 m以?xún)?nèi)土建施工管控嚴(yán)格，對(duì)爆破施工尤甚；在營(yíng)運(yùn)中的地鐵車(chē)站下方2.8 m處的爆破案例說(shuō)明，只要技術(shù)措施得當(dāng)、組織周密、監(jiān)測(cè)手段完備，爆破對(duì)軌道交通影響是可控的。