長沙地鐵 2號線西湖公園-溁灣鎮區間隧道控制爆破技術

王雙龍

(中鐵十七局集團第六工程有限公司, 福建福州 350014)

長沙地鐵 2號線西湖公園-溁灣鎮區間隧道控制爆破技術

王雙龍

(中鐵十七局集團第六工程有限公司, 福建福州 350014)

長沙市地鐵 2號線西湖公園-溁灣鎮區間隧道長約 421 m,地質為強風化或中風化泥(砂)質板巖。介紹了在淺埋層和軟弱圍巖條件下的鉆爆法施工設計,按照“短進尺、多循環、弱爆破、強支護、勤監測”的施工方案和遵循“多打孔,少裝藥”的控制爆破原則,安全順利地下穿地面建(構)筑物,達到了少超、欠挖效果和節省投資、降低工程成本的目的。

軟弱圍巖;隧道掘進;鉆爆法;微差爆破

1 工程概況

長沙市地鐵二號線西湖公園站-溁灣鎮站區間(YDK3+562.03～YDK3+983.89)長 421 m,采用暗挖鉆爆法施工。西-溁區間隧道周圍環境如圖1 所示,隧道處在楓林一路北側人行道和山體下面,路面距隧道頂部 18 m左右。楓林一路北側從東至西沿線有武警醫院、湘海大酒店、3～4層磚混結構民宅等建筑物,距左側隧道中心線水平距離 3～10 m;楓林一路南側從東至西沿線有港灣賓館、西娜灣賓館、望城信用社、市交管處、加油站等建筑物,距右側隧道水平距離 25 m。

圖1 西-溁區間隧道平面周圍環境

西-溁區間隧道采用分離式單線洞馬蹄形斷面結構,開挖斷面尺寸為寬 6.30 m×高 6.60 m,開挖面積 34.5 m2,兩隧道線間距 7～13 m。隧道基巖為泥(砂)質板巖,隧道底板位于微風化和中風化層的Ⅳ、Ⅴ級圍巖,以Ⅳ級居多;隧道邊墻位于強風化層和中風化層的Ⅳ、Ⅴ級圍巖,各占一半;隧道拱頂位于強風化和中風化層中的 Ⅳ、Ⅴ級圍巖,以 Ⅴ級居多。

2 隧道開挖施工方案和鉆爆法方案

(1)開挖施工方案。西-溁區間隧道嚴格遵循“短進尺、多循環、弱爆破、強支護、勤監測”的開挖施工方案。隧道開挖采用短臺階法,洞身拱部超前3～5 m;然后拱部與洞身的下半部同時爆破開挖,洞身開挖后,立即進行噴錨支護;沿洞頂打設超前導管;在圍巖極風化、破碎、松散的情況下,采用微差控制爆破先打通拱部(開挖后馬上予以支護);采用微差控制爆破開挖下半部拉中槽、挖馬口并予以支護。

(2)鉆爆法施工方案。本區間隧道暗挖段鉆爆法要遵循多打孔、少裝藥的控制爆破技術原則。該巖石強度是屬破碎的軟弱圍巖(Rb＜30 MPa),為此該圍巖爆破設計的總體方案采用短臺階法施工,上、下臺階斷面均采用微差控制爆破技術:掏槽采用拋擲爆破;拱部采用光面爆破;邊墻采用預裂爆破;核心部分采用弱松動爆破,減輕爆破對圍巖的擾動,減輕振動強度,維護圍巖自身的穩定性,使隧道輪廓成形良好。

3 鉆爆法設計

3.1 鉆爆法藥孔參數設計

根據淺埋層和軟弱圍巖隧道的特點,隧道掘進順利進行的關鍵之一是上臺階循環進尺,為此,對上臺階設計了 0.8～1.0 m、1.2～1.5 m及 1.8 m 3種循環進尺。循環進尺為 1 m時藥孔參數如下:

炮孔直徑(D)為 42 mm;周邊孔間距 E=(10～16)D=45～55 cm;光爆層厚度 W=65～90 cm;當循環進尺 1.0 m時:掏槽孔孔深 1.2 m,輔助孔 1.0 m,周邊孔 1.0 m,底板孔 1.0 m;上臺階炮孔數量N=44個;單孔藥量見表1。

表1 上下臺階爆破參數

3.2 炮孔布置設計

上臺階炮孔布置:掏槽孔布設在上半斷面中央或巖性較軟地帶,其上臺階炮孔布置如圖2所示,上臺階布設炮孔約 44個。

圖2 上臺階爆破孔位布置(單位:m)

下臺階炮孔布置:通過多次試驗,優化后的炮孔設計及爆破參數見表1。

3.3 爆破網路設計

(1)微差時間。選定各段間隔時間應大于 100 ms。當上下臺階同時爆破時,上下臺階采用毫秒 7段的導爆管雷管聯接,以保證上下臺階錯開起爆間隔時間滿足振動波不疊加要求。

(2)起爆順序為掏槽孔-擴大孔-底板孔-周邊孔。輔助孔由里向外逐層起爆。

(3)起爆網絡及起爆。采取孔內微差,孔外大把扎的形式,單發導爆管雷管起爆的導爆管數不宜超過 20根,并且導爆管應均勻分布在雷管周圍,綁扎緊,而且雷管的聚能穴方向與導爆管傳爆方向相反。

(4)擊發針起爆。為了避免雜散電流的影響,采用擊發針起爆導爆管雷管再起爆非電網路。導爆管傳遞沖擊波激發起爆元件(即非電毫秒雷管)。

4 異常地段爆破的特殊處理

4.1 拱部軟巖洞身硬巖的爆破設計

西-溁區間隧道左右線有部分地段拱部為軟巖,洞身為硬巖的上軟下硬地層,如暗挖里程 ZDK3+570.634地段、暗挖里程 ZDK3+740.000～ZDK3+770.000地段就是這種結構。所以在鉆爆開挖中為了確保地面建筑物和地下構筑物的安全,防止隧道上方因振動引起的坍塌及洞內初期支護的振動破壞,必須對軟弱圍巖地層單獨進行爆破設計,具體方法是:在設計輪廓線上布置 1排直徑 40 mm,間距 30 cm的密孔,孔內不裝藥,靠近密孔的 1排為減弱加密炮孔,裝藥量為正常裝藥量的一半,間距 40 cm,其內側為正常裝藥孔,并同時起爆。

4.2 臨近建(構)筑物爆破震動安全校核

在里程 ZDK3+648.200有 Ф2.4 m的污水管,底部距隧道頂部 6.3 m,管埋深 6.5 m。在里程ZDK3+774.700處有高 3.5 m、寬 4.87 m的過街通道,底部距隧道頂部 9.5 m。在里程 ZDK3+685～ZDK3+780、ZDK3+910～ZDK3+978段有鄰近或穿越地面房屋。以上這些地段爆破容易造成污水管滲水、過街通道下沉、地面建筑開裂傾斜的現象。

(1)根據《爆破安全規程》(GB6722-2003)確定建(構)筑物地震波震速控制標準和爆破藥量。根據類似工程經驗,隧道上方陳舊房屋、污水管、過街通道、加油站等建(構)筑物保護對象采用的安全控制標準見表2。

以污水管為例:底部距隧道頂部 6.31 m,取污水管底部至隧道中心距 R=9.7 m,取污水管允許震動速度 V=5 cm/s,K=100、α=1.5,則:Qmax=其它建(構)筑物允許一次起爆藥量見表2。

表2 建(構)筑物的安全允許震速(Vmax)與一次起爆藥量(Qmax)的關系

以上部分計算數據表明必須采用毫秒延時爆破技術,嚴格控制最大一段起爆藥量。

(2)根據爆破震動實測數據線性回歸結果修正取值標準。區間隧道爆破時進行第三方爆破測震,根據爆破震動監測得到的測試數據,對爆破震動速度衰減主要是垂直震動速度進行了一元線性回歸和了二元線性回歸,得到爆破地震垂直震動速度傳播規律的薩氏公式:

代入相應參數后,其震動速度均小于表2數值。

5 爆破體會

本次隧道爆破掘進的主要問題是避免掘進過程中隧道塌方和控制爆破振動引起建(構)筑物破壞,爆破施工中的以下幾點確保了隧道掘進的順利進行。

(1)充分利用淺埋暗挖施工技術,減少爆破施工引起地面有害沉降。通過采用加長導管注漿形成超前棚架支護體系,結合鋼格柵網噴砼支護體系,提高大斷面掘進時縱向承載能力,控制洞室在開挖過程中初始地表沉降值;采用分部掘進支護技術,將大斷面施工化大為小,并在施工過程中做到逐環及時封閉,增強支護體系抗振能力,降低爆破振動對地面沉降疊加影響量值。

(2)必須采用微差控制爆破技術。實行多循環、短進尺(每循環進尺 0.8～1.5 m)、弱爆破、上下臺階分段微差延時起爆,減少最大分段藥量,將爆破振動降低到最低限值。并可保證每段起爆時間間隔大于 100 ms時,避免振波疊加。

(3)在爆破體與保護體之間鉆鑿不裝藥的單排、雙排減振孔降振非常明顯。

(4)當根據經驗公式,計算出一次爆破的最大裝藥量計裝藥量大于容許臨界振動速度,又無其他可靠降振措施時,循環進尺控制在 1.2 m以內,循環爆破方量小,一次爆破用藥量小。

[1] 汪旭光.爆破手冊[M].北京:冶金工業出版社,2010.

[2] 于亞倫.工程爆破理論與技術 [M].北京:冶金工業出版社,2004.

[3] GB6722-2003.爆破安全規程[S].

[4] 陳西霞,楊和平.城市地下工程淺埋暗挖與控爆技術應用[J].西部探礦工程,2009,5(增刊).

[5] 齊景岳.隧道控制爆破技術[J].隧道標準設計,2006,(11).

2011-07-04)

王雙龍(1979-),男,工程師,項目經理,主要從事工程技術工作。