不同爆破方法相結(jié)合的硬巖基坑開挖施工技術(shù)*

劉作巖,蘇 杭,韓麗麗,孫培富,白曉宇

(1.青島中建聯(lián)合集團(tuán)有限公司,山東 青島 266100;2.青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院,山東 青島 266520)

0 引言

隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展,城市基坑施工除了對(duì)基坑自身穩(wěn)定保持高標(biāo)準(zhǔn)之外,對(duì)周邊建筑物沉降變形也要進(jìn)行嚴(yán)格控制。硬巖深基坑施工,不僅要考慮開挖深度、地下水位變化、基坑防滲等問題,還要考慮基坑底部石方的爆破處理［1］。爆破過程中產(chǎn)生的振動(dòng)效應(yīng)會(huì)影響鄰近建(構(gòu))筑物的穩(wěn)定,從而危害人民的生命安全［2］。已有學(xué)者對(duì)基坑爆破開挖開展了研究［3-6］。楊桂桐［7］采用Sarma法對(duì)我國(guó)高邊坡爆破開挖動(dòng)力穩(wěn)定性進(jìn)行了研究和分析,基于極限平衡理論并運(yùn)用條分法計(jì)算出表示邊坡穩(wěn)定性的動(dòng)態(tài)安全系數(shù)。陳文宇等［8］結(jié)合有限元數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果,得到了基坑爆破開挖對(duì)鄰近建筑物的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律。王薇等［9］基于橘子洲車站基坑實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果,分析了不同炮孔布置方式的爆破差異。馬海鵬等［10］對(duì)長(zhǎng)沙某基坑石方爆破開挖區(qū)域開展了試驗(yàn)研究,根據(jù)多次試爆數(shù)據(jù)總結(jié)出符合基坑開挖區(qū)實(shí)際情況爆破振速的計(jì)算公式,提出并采用了爆破振動(dòng)的綜合控制措施。任慧敏等［11］采用連續(xù)-非連續(xù)數(shù)值模擬方法(CDEM)分析不同延遲時(shí)間及炮孔距離對(duì)爆破效果的影響,提出優(yōu)化炮孔間距的有效方法。史鵬等［12］對(duì)深圳地鐵某基坑施工進(jìn)行數(shù)值模擬,分析爆破施工對(duì)周邊建筑的影響規(guī)律,并得到爆破施工的炸藥單耗量控制值。

在硬巖地層深基坑工程中,由于巖層整體性較好,需采用爆破方式開挖,傳統(tǒng)的爆破方法容易對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性造成不良影響,甚至威脅基坑周邊建筑物的安全穩(wěn)定,難以得到廣泛應(yīng)用,亟需開發(fā)針對(duì)硬巖地層的爆破方法［13］。廖建東［14］針對(duì)大連地鐵5號(hào)線山花街站基坑,對(duì)CO2爆破致裂技術(shù)進(jìn)行提煉和創(chuàng)新,總結(jié)出該技術(shù)的具體施工工藝流程?？紫槿穑?5］結(jié)合理論實(shí)踐和現(xiàn)有技術(shù)經(jīng)驗(yàn),在精細(xì)化爆破應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)做了大量研究,總結(jié)出相應(yīng)的施工流程。秦曉偉［16］指出,裝藥量和起爆順序是控制爆破影響的關(guān)鍵參數(shù)。趙銀超［17］針對(duì)TB水電站工程,采用復(fù)合消能爆破方法對(duì)硬巖基坑進(jìn)行爆破開挖,并通過大量現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證了基坑開挖采用復(fù)合消能爆破的可行性。

以上研究大多采用單一的微差爆破［18］、淺孔爆破［19］等對(duì)硬巖基坑進(jìn)行開挖,難以滿足復(fù)雜環(huán)境下基坑安全高效的開挖要求,且大部分均未考慮施工對(duì)周邊建筑物特別是文保建筑的影響。本文基于青島市博物館擴(kuò)建工程項(xiàng)目,綜合考慮周邊環(huán)境與工程地質(zhì)條件,采用不同爆破方法相結(jié)合的基坑開挖施工方法,在保證鄰近既有文保建筑安全穩(wěn)定的前提下,實(shí)現(xiàn)了硬巖基坑土石方開挖高效施工。

1 工程概況

青島市博物館擴(kuò)建工程建筑面積55 561.35m2,其中地上面積31 998.32m2,地下面積23 563.03m2。地形北高南低,原始地面標(biāo)高6.410～11.760m,最大高差5.35m。整個(gè)地下車庫(kù)有6個(gè)基底標(biāo)高,開挖深度3.00～18.58m。該擬建場(chǎng)地北臨苗嶺路,南依梅嶺東路至香港東路,西側(cè)與秦嶺路接壤,東側(cè)與云嶺路相連,交通極為便利?；颖眰?cè)邊緣輪廓線距離博物館老館地下1層庫(kù)房基礎(chǔ)邊線約7.00～15.80m;西側(cè)距最近的排污管線約6.00m;南側(cè)距最近的用地紅線約5.30m;東側(cè)距室外擋土墻基礎(chǔ)邊線約9.00m。

土石方工程施工主要包括土方開挖、石方爆破及土石方清運(yùn)施工,其中土方開挖部分的工程量為41 000m3,石方開挖部分的工程量為138 000m3。

2 土石方開挖

本工程土方開挖部分采用分層開挖的施工方法,每層開挖厚度根據(jù)支護(hù)設(shè)計(jì)圖紙錨桿位置確定,每層開挖后層底標(biāo)高低于支護(hù)錨桿0.5m,分層厚度2.0～2.5m,分6～8層進(jìn)行開挖,如圖1,2所示。

圖1 基坑直立開挖分層Fig.1 Layering for vertical excavation of foundation excavation

2.1 土石方開挖施工

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,結(jié)合地質(zhì)勘察報(bào)告,本工程土石方開挖劃分為4個(gè)施工區(qū)域,并根據(jù)支護(hù)段中每道錨桿的標(biāo)高分層開挖。根據(jù)本工程支護(hù)設(shè)計(jì),基坑采用放坡直立開挖方式,4-4,6-6,8-8支護(hù)單元采用直立開挖,開挖斷面如圖1所示;1-1,2-2,3-3,5-5,7-7支護(hù)單元采用坡頂放坡,基坑下部采用垂直開挖方式,開挖斷面如圖2所示。分層開挖深度根據(jù)支護(hù)錨桿位置確定。

圖2 基坑放坡直立開挖分層Fig.2 Layering for vertical excavation of foundation excavation slope

1)第1層開挖 本層土層以雜填土為主,可直接將松土運(yùn)至指定堆放地點(diǎn)。為了給鉆孔設(shè)備的放置和鉆孔施工留下足夠的工作面,該層開挖至第1層錨桿布置位置以下1m。開挖完該層所有支護(hù)部分的工作面后,挖掘機(jī)應(yīng)退到開挖范圍的中心部分,然后再進(jìn)行剩余土方開挖。

2)第2層開挖 本層開挖以支護(hù)工作面的第2層錨桿深度下0.5m為基準(zhǔn),根據(jù)各支護(hù)段錨桿位置的不同,開挖深度也會(huì)發(fā)生變化。挖掘機(jī)將所有錨桿工作面開挖完畢,再次進(jìn)入中心開挖范圍內(nèi)進(jìn)行場(chǎng)內(nèi)土石方的開挖外運(yùn)。在現(xiàn)場(chǎng)土石方開挖過程中,由于部分區(qū)域被開挖至風(fēng)化巖石,因此在該層施工過程中,需要推土機(jī)將強(qiáng)風(fēng)化的巖石進(jìn)行松動(dòng)。必要時(shí),推土機(jī)將松散的強(qiáng)風(fēng)化巖石塊推至挖掘機(jī)的裝載位置,提高工作效率。

2.2 土方開挖技術(shù)措施

土方開挖前先繪制土方開挖圖,對(duì)各項(xiàng)技術(shù)措施進(jìn)行周密部署,并在預(yù)留工作面上設(shè)置寬度不小于1 000mm的排水溝。

1)基坑降水措施 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)水文條件和支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用集水明排降水措施。在坡頂設(shè)置截水墻。截水墻的作用是防止地表水排入基坑,采用水泥磚砌筑,高度320mm,寬度240mm,使用M10水泥砂漿砌筑和抹面,截水墻具體砌筑方法如圖3所示。在每層開挖坑底設(shè)排水溝和集水井,排水溝高300mm,寬300mm,集水井直徑1 000mm,深1 000mm,間距30～40m,排水溝和集水井采用與截水墻同樣規(guī)格的水泥磚砌筑,設(shè)置在與建筑物基礎(chǔ)邊緣≥0.5m處,距離坡腳≥300mm,集水坑布置在基坑轉(zhuǎn)角處,排水溝排水坡度0.1%～0.2%,坡向集水坑,如圖4所示。

圖3 截水墻做法Fig.3 Water cut-off wall practice

圖4 排水溝做法Fig.4 Drainage practice

2)基坑開挖 在保證各挖土機(jī)間距不小于10m、作業(yè)區(qū)域互不干涉的情況下,可采用多臺(tái)機(jī)械同時(shí)開挖,縮短工期。挖土方向?yàn)樽陨隙?逐層進(jìn)行。

3)人工配合清坡 采用少量人力在機(jī)械開挖盲區(qū)(邊角、溝槽)將松土轉(zhuǎn)移機(jī)械作業(yè)半徑范圍內(nèi),再通過機(jī)械運(yùn)輸至指定堆放地點(diǎn)。

4)土石方清運(yùn) 及時(shí)清運(yùn)已挖出的土方,在基坑邊側(cè)臨時(shí)堆土?xí)r,臨坡距離≥3m,堆土高度不超過1.5m,以保證邊坡穩(wěn)定。

3 爆破開挖

本工程巖石部分采用靜態(tài)爆破、微差爆破和破碎錘破碎。由于受博物館內(nèi)文物的影響,不影響博物館正常開放,基坑開挖應(yīng)嚴(yán)格控制爆破振速,減少振動(dòng)傳遞。場(chǎng)地北側(cè)在老館1/2范圍內(nèi)采用靜態(tài)爆破+破碎錘,南側(cè)采用微差爆破+破碎錘。

3.1 靜態(tài)爆破

靜態(tài)爆破施工工藝流程：施工前準(zhǔn)備→設(shè)計(jì)布孔→測(cè)量定位→鉆孔→裝藥→進(jìn)入下一循環(huán)。

1)施工前準(zhǔn)備 爆破前需要了解擬建場(chǎng)地的工程與水文地質(zhì)條件。并根據(jù)爆破對(duì)象的實(shí)際情況(巖石性質(zhì)、節(jié)理、走向等)確定鉆孔參數(shù)、鉆孔分布和破碎順序。沿北側(cè)基坑邊設(shè)置坑底4m寬減振溝,減振溝深度到基礎(chǔ)墊層底,減振溝按支護(hù)設(shè)計(jì)分層施工、分層支護(hù),另一側(cè)分臺(tái)階按1∶0.5放坡,減振溝由東側(cè)開始,按爆破方案分層分段爆破、出渣、支護(hù),減振溝設(shè)置好后再進(jìn)行大面積爆破施工,減振溝設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 減振溝剖面(單位：m)Fig.5 Vibration reduction trench profile(unit：m)

2)設(shè)計(jì)布孔 首先要確定多個(gè)臨空面,保證破碎對(duì)象與空氣充分接觸,破碎效果更好,鉆孔方向與臨空面平行。參考巖石硬度布孔,孔距和排距的大小與巖石硬度呈負(fù)相關(guān),具體布置如表1所示。

表1 孔距與排距布置Table 1 Layout of hole spacing and row spacing

3)鉆孔 鉆孔直徑選擇須合理,鉆孔過小或過大都達(dá)不到預(yù)期破碎效果,鉆頭直徑可根據(jù)擬建場(chǎng)地工程地質(zhì)情況而定。鉆孔內(nèi)余水和余渣須吹洗干凈,防止鉆孔產(chǎn)生的碎屑與藥劑混合影響藥劑效力發(fā)揮。

4)裝藥 在藥劑中加入30%的水(質(zhì)量比)攪拌成流塑態(tài)(攪拌后有自由水)后,立即注入孔內(nèi)并確保藥劑密實(shí)。針對(duì)超長(zhǎng)鉆孔,可多分幾次倒入,再逐段搗實(shí)。若巖石出現(xiàn)開裂現(xiàn)象,可向裂縫中加水,支撐藥劑持續(xù)反應(yīng),獲得更好的效果。

3.2 石方微差爆破

3.2.1爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

1)最大允許單段裝藥量設(shè)計(jì)

爆破規(guī)模按式(1)確定：

Q=R3(V/K)3/α

(1)

式中：Q為單段藥包質(zhì)量(kg);R為控制點(diǎn)到爆源位置的距離(m);V為控制點(diǎn)地質(zhì)振動(dòng)速度,本工程取V≤1.5cm/s;K,α為與爆破點(diǎn)地質(zhì)有關(guān)的系數(shù),取值范圍如表2所示,本工程取K=250,α=1.8。

表2 不同巖性的K,α取值Table 2 K and α of different lithologies

2)最大允許單段裝藥量計(jì)算

根據(jù)擬建場(chǎng)地工程地質(zhì)條件并選取合適的參數(shù),計(jì)算出理論最大允許單段裝藥量如表3所示。

在實(shí)際施工過程中,為了加強(qiáng)對(duì)控制點(diǎn)的保護(hù),需對(duì)單段最大裝藥量進(jìn)行調(diào)整,如表4所示。

表4 實(shí)際控制最大單段裝藥量Table 4 Actual control maximum single charge

3.2.2爆破設(shè)計(jì)

參考GB 50201—2012《土方與爆破工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》,結(jié)合類似條件下爆破施工的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),本次石方微差爆破的爆破參數(shù)選擇如表5所示,其鉆孔具體布置如圖6所示。

表5 石方微差爆破設(shè)計(jì)參數(shù)Table 5 Design parameters of rock millisecond blasting

圖6 縱斷面鉆孔布置(單位：cm)Fig.6 Vertical section of drilling layout(unit：cm)

3.2.3爆破網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

采用非電毫秒微差起爆網(wǎng)絡(luò),并按照不同距離以及相應(yīng)單段最大裝藥量分段,在最大區(qū)段起爆的劑量不能超出安全允許值,網(wǎng)絡(luò)連接方式使用并聯(lián)網(wǎng)路。具體施工方法及爆破網(wǎng)絡(luò)如圖7,8所示。

圖7 爆破網(wǎng)絡(luò)連接平面Fig.7 Blasting network connection plan

圖8 爆破網(wǎng)絡(luò)連接剖面Fig.8 Blasting network connection section

3.2.4爆破施工工藝

本工程石方微差爆破施工工藝流程如圖9所示。

圖9 石方微差爆破施工工藝流程Fig.9 Construction process of stone millisecond blasting

1)布孔 根據(jù)本工程的爆破設(shè)計(jì)方案進(jìn)行布孔,布孔時(shí)應(yīng)避免布設(shè)在巖石風(fēng)化較為嚴(yán)重的區(qū)域。為保證各炮孔的爆破方量大致均勻,炮孔方向調(diào)整時(shí),炮孔方向盡可能微調(diào)。

2)鉆孔 根據(jù)所設(shè)計(jì)的爆破參數(shù)進(jìn)行鉆孔,炮口間距相互平行,鉆孔角度鉛直,各炮口高度齊整。各炮口深度偏差應(yīng)控制在不超過炮孔設(shè)計(jì)深度的5%,若出現(xiàn)鉆孔太淺、少孔或孔距過大時(shí)必須按規(guī)定進(jìn)行補(bǔ)鉆。

3)清孔 炮孔成型后,清理炮孔內(nèi)的雜質(zhì),并檢查炮孔深度、孔距、排距等是否按爆破參數(shù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4)裝藥填塞 既要嚴(yán)格按照實(shí)際最大單段藥量設(shè)計(jì)進(jìn)行裝藥,又要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況(軟層、裂縫等)隨時(shí)調(diào)整裝藥量和裝藥結(jié)構(gòu),甚至取消裝藥,并適當(dāng)增加相鄰炮孔中的藥量。為防止出現(xiàn)盲炮,炸藥的引爆雷管必須牢固地植入藥包中。將填塞物裝入炸藥上方炮孔進(jìn)行填充,填塞材料的種類取決于炮孔的含水情況：當(dāng)炮孔無水時(shí),可用細(xì)砂和土作為填塞材料;當(dāng)炮孔有水時(shí),則采用粗砂作為填塞材料。為保證填塞密實(shí),需要邊填塞邊將填塞物搗實(shí)。

5)聯(lián)網(wǎng) 采用并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接,并嚴(yán)格控制起爆的延時(shí)時(shí)間和單段藥量,安裝后應(yīng)及時(shí)檢查網(wǎng)絡(luò)連接是否通暢。

6)起爆 根據(jù)起爆信號(hào)的發(fā)出立刻進(jìn)行起爆。

7)安全檢查 對(duì)于可能產(chǎn)生遲爆、炮煙等威脅人身安全的原因,需要留一定的爆后觀察時(shí)間。爆后觀察內(nèi)容主要包括：盲炮、邊坡堆積狀況、鄰近建筑物及一些永久設(shè)備(包括天然氣管道)損壞情況、爆破器材的剩余。

8)解除警戒 起爆后,查看區(qū)域內(nèi)有沒有盲炮或其他危險(xiǎn)隱患,方可匯報(bào)請(qǐng)示解除警戒。

4 結(jié)語

1)地質(zhì)條件不良及周邊建筑變形控制要求較高的情況下往往需要采取多種爆破施工方法配合使用來滿足基坑的順利開挖。單一的爆破方式難以滿足基坑巖石爆破開挖高效快速施工和周邊文保建筑的安全。

2)鄰近文保建筑的開挖區(qū)域采取靜態(tài)爆破,對(duì)遠(yuǎn)離建筑物的開挖區(qū)采用微差爆破技術(shù),并通過爆破參數(shù)設(shè)計(jì)嚴(yán)格控制微差爆破最大單段裝藥量,有效減輕了爆破過程中產(chǎn)生的振動(dòng)波對(duì)臨近基坑的文保建筑物產(chǎn)生的不良影響。

3)鄰近建筑物基坑邊設(shè)置坑底減振溝,既能減小對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響,又能保護(hù)鄰近基坑博物館及場(chǎng)館內(nèi)的文物,為國(guó)內(nèi)類似地區(qū)基坑工程開挖施工提供參考和借鑒。

4)采用靜態(tài)爆破與微差爆破相結(jié)合的硬巖基坑施工技術(shù),在保證周邊建筑安全的同時(shí)又能實(shí)現(xiàn)基坑安全高效施工。