復(fù)雜環(huán)境下巖溶強發(fā)育區(qū)基坑爆破技術(shù)

賀 婷

(廣州鐵路投資建設(shè)集團有限公司，廣州 511400)

爆破作為當(dāng)前一種最有效的破巖方法，已被廣泛應(yīng)用于工程實踐中。然而爆破有害效應(yīng)帶來的安全風(fēng)險，也備受社會各界關(guān)注。爆破有害效應(yīng)的理論及控制技術(shù)研究，成為了學(xué)界與工程界的研究熱點之一。堅硬巖層基坑的開挖，類比于機械法、膨脹劑靜態(tài)破巖法、二氧化碳相變致裂等非炸藥爆破法，采用炸藥爆破法施工，其高效性、經(jīng)濟性尤為突出[1]。然而，此類工程地處城市環(huán)境、巖溶強發(fā)育區(qū)位時，一方面因周邊環(huán)境復(fù)雜，爆破施工倍受關(guān)注；另一方面，巖溶強發(fā)育特殊地質(zhì)對爆破的影響突出，施工安全風(fēng)險高，極具挑戰(zhàn)性[2]。針對爆破產(chǎn)生的飛石、振動等危害，通常通過近體防護、隔離防護等技術(shù)對爆破飛石進(jìn)行控制，采取弱松動控制、延時起爆、預(yù)裂爆破等技術(shù)，有效地控制了爆破振動的危害。盡管已有許多有關(guān)于深基坑工程方面的分析研究以及相應(yīng)的豐碩成果，但總體來說，當(dāng)前的大部分研究均是局限于工程具體城市區(qū)域，工程條件差異性較大，當(dāng)前爆破工程的理論研究仍不甚成熟，特別是對于城市巖溶強發(fā)育地區(qū)的爆破施工關(guān)鍵技術(shù)方面，相關(guān)研究尤顯不足，遠(yuǎn)不足以滿足工程應(yīng)用的需要。因此，城市巖溶強發(fā)育地區(qū)精確控制爆破有害效應(yīng)，安全、可靠、環(huán)保施工，不但有利于破解復(fù)雜環(huán)境爆破施工的敏感性難題，而且對此類工程的具體實踐也有積極的現(xiàn)實意義。

1 工程概況

廣州白云站綜合交通樞紐項目，是國家戰(zhàn)略性工程。該項目樞紐場站的基坑工程位于新市街既有京廣線東側(cè)、棠新路西側(cè)的地段內(nèi)，基坑長約588 m，最寬處為168 m，總平面積約8.2萬m2，面積超大。基坑開挖深，深度15.9、23.45～24.56、34.68～35.18 m不等，呈大基坑套多個標(biāo)高迥異的小基坑狀，開挖總方量約189.5萬m3。

基坑區(qū)內(nèi)巖溶廣布，并以表層溶蝕發(fā)育為主要特點。查明的溶洞多達(dá)133個，且形態(tài)規(guī)模各異，分布規(guī)律性差，呈無序狀。洞高在0.2～27.2 m，平均3.90 m，洞體頂板厚度大部分小于洞體高度(頂板最小厚度僅為0.05 m)。洞體充填差，多呈未充填、半充填狀，多屬于不穩(wěn)定洞體，對基坑及樁基穩(wěn)定性很不利。

基坑?xùn)|側(cè)為民用宅，距離最近建筑物約90 m，南側(cè)有金源小學(xué)，距其教學(xué)樓約80 m，西側(cè)緊鄰京廣線鐵路，最近距離為50.61 m，北側(cè)是空地，作為土石方臨時堆放場?；庸こ趟幍貛В┕きh(huán)境十分復(fù)雜(見圖1)。

圖1 基坑四鄰環(huán)境

2 爆破難點與對策

1)工程地處南部沿海，暴雨、臺風(fēng)等極端天氣多，對工程施工影響大。

2)工程所在區(qū)域，地下大量分布不規(guī)則、無規(guī)律的溶洞、土洞，巖溶地面極易塌陷，地下水豐富，地質(zhì)十分復(fù)雜，施工潛伏的涌水、地面塌陷及沉降等風(fēng)險極高。

3)項目地處城央，周邊車流、人流量大，施工環(huán)境非常敏感[3]，坑內(nèi)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，爆破施工既不能對京廣鐵路的正常運營造成任何影響，對基坑支護造成任何損壞，對連續(xù)墻腳造成任何錯動，也不可造成水土流失、環(huán)境污染和嚴(yán)重擾民，施工要求高。

4)石方爆破既要考慮基坑內(nèi)巖溶地質(zhì)情況，又要兼顧坑內(nèi)預(yù)施工樁柱多的因素，同時要關(guān)注到環(huán)境敏感、復(fù)雜等條件，爆破工況的控制極其復(fù)雜，施工技術(shù)難度大。

5)工程涉及面廣，工程量巨大，工期緊張，施工組織難度極大。

基于本工程存在上述技術(shù)難點，爆破施工對應(yīng)采用成套的基坑爆破關(guān)鍵技術(shù)，包括可降低圍巖擾動強度、滿足施工規(guī)模要求的“三小一多”爆破開挖法，能解決巖溶地質(zhì)鉆孔成孔難題的鉆孔成孔技術(shù)，以及可破解爆破工況控制復(fù)雜難題、并確保爆破安全的特殊裝藥與爆破控制技術(shù)。

3 關(guān)鍵技術(shù)與爆破參數(shù)

3.1 爆破開挖方法

基于本工程特性，爆破開挖總體上優(yōu)選小孔徑、小藥卷、小進(jìn)尺、多循環(huán)的“三小一多”施工方法，按自上而下的開挖施工順序，以臺階分級、爆破分層多循環(huán)的方式，進(jìn)行松動淺孔臺階控制爆破，將基坑開挖至控制標(biāo)高。

現(xiàn)場對比試驗表明，“三小一多”松動淺孔臺階控制爆破，降低單孔藥量，控制爆破振動對爆區(qū)周邊環(huán)境及巖體的破壞，降低爆破振動的擾動范圍，較好地滿足環(huán)境與巖溶地質(zhì)對爆破施工的安全要求，同時也有利于防范和處理坑底突水。

施工時，根據(jù)自上而下的開挖順序，以臺階分級多循環(huán)、每循環(huán)2～3個臺階，上臺階超前下臺階一定安全距離的施工方式，從基坑一端向另一端推進(jìn)(見圖2)。每級臺階的爆破從基坑中間先拉槽，利用拉槽形成的自由面，向基坑兩側(cè)進(jìn)行爆破。超前臺階溶洞揭露情況可為后續(xù)臺階起到預(yù)警作用；臺階由中間向兩邊爆破，最大程度降低溶洞頂蓋巖體出現(xiàn)整體垮塌的風(fēng)險。

注：1)圖中B為安全距離；a為孔距；L為鉆孔深度；L1為裝藥長度；L2為填塞長度；H為臺階高度；h為超深；α為臺階坡面角；Lk、Lj為多臺機械作業(yè)間距；2)三級臺階各臺階高度和臺階坡度應(yīng)嚴(yán)格遵照設(shè)計，并根據(jù)現(xiàn)場實際情況適當(dāng)變化；3)鉆機和挖機臨邊安全距離應(yīng)大于1 m；4)多臺機械同時作業(yè)間距一般應(yīng)大于10 m，施工空間不足時也要保證間距大于兩機旋轉(zhuǎn)半徑之和；5)其他事項遵照設(shè)計和相關(guān)規(guī)定。

3.2 巖溶地質(zhì)鉆孔、成孔技術(shù)

采用風(fēng)動潛孔鉆鉆具，鉆孔遭遇巖溶地質(zhì)，往往易出現(xiàn)卡鉆、塌孔等現(xiàn)象[4]。因此，準(zhǔn)確查明工程區(qū)內(nèi)巖溶的分布規(guī)律、形態(tài)特點等狀況，對提高鉆孔效率及成孔率至關(guān)重要。

對于隱伏巖溶溶洞的分布范圍、埋深、大小及連貫等情況，采用低頻率天線探地(GPR)雷達(dá)及層析成像(CT)技術(shù)進(jìn)行探測，并結(jié)合利用GPS定位儀、紅外線導(dǎo)向給線儀按照定位測量、投影原理及操作要求，按照“溶洞危險區(qū)、一般溶洞區(qū)、非溶洞區(qū)”對施工區(qū)進(jìn)行整體定位劃界與標(biāo)識。鉆孔時，采取“快旋轉(zhuǎn)、緩進(jìn)尺、強吹風(fēng)”操作方法，控制操作鉆具的鉆頭及鉆桿快速旋轉(zhuǎn)，并調(diào)大鉆孔風(fēng)量進(jìn)行強吹風(fēng)，同時放緩鉆桿的推進(jìn)速度，使鉆具以“旋磨鉆進(jìn)”的穿鑿方式通過溶洞破裂帶。鉆孔過程中，根據(jù)鉆孔鉆進(jìn)狀態(tài)，確定其位置和深度[5]。

當(dāng)遭遇的巖溶地帶較破裂、難以成孔時，根據(jù)“填料護壁旋磨鉆進(jìn)”原理，以“旋磨、套拉、緩進(jìn)”的動作方式進(jìn)行鉆進(jìn)護壁成孔。在鉆具旋磨、套拉動作時，停止給風(fēng)，鉆具鉆進(jìn)時正常給風(fēng)。填料視溶洞地質(zhì)情況而定，溶洞含水時，選用水灰比合適的水泥砂漿作護壁填料，溶巖破裂程度大，選擇濕度合適的三合土為護壁填料，溶巖破裂程度低，選擇濕度合適的黏質(zhì)土作壁填料。

對遭遇溶洞或裂隙的炮孔未做觀察和記錄，采用測繩掛墜物沿孔壁用“墜吊緩拉”法，檢測炮孔是否遭遇溶洞或裂隙。當(dāng)掛有墜物的測量繩在炮孔內(nèi)緩慢下放或提拉的過程中，出現(xiàn)不暢或受卡時，說明孔遭遇了溶洞或裂隙，應(yīng)記錄不暢或受卡的位置及長度。

3.3 溶洞區(qū)爆破與裝藥技術(shù)

爆破施工區(qū)域存在溶洞，可能改變最小抵抗線的大小和方向，造成大量的炸藥爆破能量向溶洞或其結(jié)構(gòu)弱面方向聚集釋放，產(chǎn)生飛石、根底和大塊、甚至出現(xiàn)“帶炮”的拒爆現(xiàn)象，容易造成對爆破有害效應(yīng)控制的失敗及惡化爆破效果[6-7]。爆破時溶洞的存在，同時能夠在一定程度上減小爆破對巖體的位移擾動,對溶洞周圍的巖體起到二次擠壓破碎的作用，以及爆破振動速度經(jīng)過溶洞后有疊加放大作用[8]。

基于溶洞地質(zhì)特點，爆破采用“VCR法”技術(shù)原理進(jìn)行[9]。鉆孔直接穿透巖溶頂蓋巖層，裝藥時，利用套袋裝藥法，在炮孔底端填塞預(yù)定長度，使炮孔形成以巖溶洞體為臨空面。對處在巖溶區(qū)內(nèi)的炮孔，采用套袋間隔裝藥結(jié)構(gòu)。間隔裝藥的間隔段設(shè)置在巖溶空隙間區(qū)，長度以保證炮孔臨空巖溶抵抗線比爆破設(shè)計炮孔抵抗線大30～50 cm為準(zhǔn)。裝藥袋以聚乙烯塑料薄膜等柔性材料制成，其直徑與炮孔直徑相適配，長度略長于炮孔長度、可滿足裝藥操作為宜。間隔材料選用鉆孔巖屑、沙土等惰性材料，當(dāng)需滿足爆破減塵、降塵時，將孔口填塞長度的2/3和間隔長度段套裝內(nèi)裝水的水袋，構(gòu)成水柱間隔裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行水袋爆破，進(jìn)而利用爆破出來的水霧進(jìn)行捕降爆塵[10]。爆破裝藥采用人工方式，運用“掉裝法”進(jìn)行。溶洞區(qū)洞體頂蓋巖層爆破的炮孔，按“裝袋—填塞炮孔底部—裝藥—在炸藥上部填塞炮孔”的程序進(jìn)行裝藥；遭遇巖溶或裂隙采用套袋間隔裝藥的炮孔，按照“套袋—底部裝藥—間隔填料裝填—上部裝藥—孔口填塞”的步驟進(jìn)行裝藥(見圖3)。裝藥過程中應(yīng)確保裝藥與填塞的長度及質(zhì)量與設(shè)計要求相符。

圖3 裝藥結(jié)構(gòu)

3.4 起爆及安全防護技術(shù)

爆破對周邊造成危害的主要因素是爆破振動和爆破飛石。文獻(xiàn)[11-13]表明，在其他參數(shù)基本不變的情況下，地震波傳播距離相同時，大藥量爆破產(chǎn)生的地震波振幅強、優(yōu)勢頻率較低，小藥量爆破產(chǎn)生的地震波振幅弱、優(yōu)勢頻率較高，而一般建筑物的固有振動頻率均較低。因此，同等條件下大藥量爆破相比小藥量爆破，對建筑物的危害更大些。采用延時起爆的方法，降低爆破振動效應(yīng)。爆破最理想的消振、降振效果，便是設(shè)置合理的間隔時間，使后一段雷管起爆產(chǎn)生的地震波與前一段雷管起爆產(chǎn)生的地震波的波峰波谷相互疊加與干涉，致使爆破地震波振動趨零。

研究表明[14]，采用延時起爆技術(shù)，如果前、后段雷管起爆的時間間隔大于前段的衰減時間，則地震波疊加可能性小，疊加后振幅變化不大；如果前、后段雷管起爆的時間間隔小于前段的衰減時間，則可能存在振動的疊加，但因相位不同，延時爆破質(zhì)點疊加振動速度的振幅變化較大。本工程爆破減振試驗進(jìn)一步顯示，延時起爆前、后段雷管起爆的時間間隔控制在13～17 ms，對爆破降振效果明顯。

本工程爆破安全防護主要是對爆破飛石的防護。針對安全敏感度不同的施工區(qū)位，采用不同的防護技術(shù)(見圖4)。對于安全敏感區(qū)，采用“砂袋+鋼板+砂袋”三層防護法進(jìn)行防護，即2～3個砂袋(每袋20～30 kg)壓蓋炮孔孔口，砂袋上再加壓2～3 mm厚的鋼板，鋼板再用壓砂袋壓??；對于非安全敏感區(qū)，采用“安全網(wǎng)+砂袋”防護方法進(jìn)行防護，即用安全網(wǎng)將爆區(qū)全覆蓋，在安全網(wǎng)上用多個砂袋將每個炮孔的孔口壓嚴(yán)實。安全網(wǎng)用“HDPE網(wǎng)+多層鐵絲篩網(wǎng)+HDPE網(wǎng)”覆疊縫制而成。

圖4 爆破安全防護

3.5 爆破參數(shù)

開挖施工采用“梅花”布孔的松動淺孔臺階控制爆破，炸藥選用φ32 mm乳化炸藥藥卷。通過試驗，優(yōu)化的鉆孔、裝藥等爆破主要技術(shù)參數(shù)[4,7](見表1)。當(dāng)炮孔采用間隔裝藥結(jié)構(gòu)時，現(xiàn)場試驗表明，孔內(nèi)裝藥量按“孔底段∶孔口段=13∶7”的質(zhì)量配比進(jìn)行裝藥是合適的。

表1 爆破參數(shù)

4 爆破效果

通過采取上述爆破關(guān)鍵技術(shù)，并“錯峰”安排爆破時間，克服了工程施工難點，達(dá)到了施工有序、進(jìn)展順利、工效明顯的工程目的。在爆區(qū)周邊50 m范圍內(nèi)布置數(shù)十個振動檢測點、爆破域周界架設(shè)攝像儀進(jìn)行同步檢測、影像記錄。統(tǒng)計顯示，通過應(yīng)用上述爆破關(guān)鍵技術(shù)，爆破時距爆區(qū)5 m處的振動速度值從未超7 cm/s(單次最大為6.79 cm/s)，爆區(qū)緊鄰京廣線鐵路，最近距離為50.61 m處的振動速度值從未超1.3 cm/s(單次最大為1.19 cm/s)；爆破飛石與爆塵從未溢出過基坑外，飛石最大飛散距離不足30 m(單次最大為25.6 m)。

爆破施工未對周邊環(huán)境及重要保護對象帶來任何危害，未對現(xiàn)有京廣線的正常營運造成任何影響。

5 結(jié)語

1)小孔徑、小藥卷、小進(jìn)尺、多循環(huán)的“三小一多”施工方法，按自上而下的開挖施工順序，以臺階分級、爆破分層多循環(huán)的方式，進(jìn)行松動淺孔臺階控制爆破，既可按環(huán)境與場地的需要，靈活組織和控制施工，滿足安全要求，又能根據(jù)工程進(jìn)度，合理地擴大施工規(guī)模，適應(yīng)性較強。

2)采用以聚乙烯塑料薄膜等柔性材料制成的裝藥長袋進(jìn)行炮孔套袋裝藥，操作簡單、靈活、可靠，可適配多種裝藥結(jié)構(gòu)。

3)利用“VCR”爆破技術(shù)原理對溶洞洞體頂蓋巖層進(jìn)行爆破，可實現(xiàn)在其巖體自重作用下向下垮落，達(dá)到安全爆破破巖目的。

4)針對巖溶地質(zhì)進(jìn)行松動淺孔爆破，采用數(shù)碼電子雷管實施減振延時起爆，前、后段雷管起爆的時間間隔控制在13～17 ms，對爆破降振效果明顯。