城市軌道交通復雜環境下明挖區間控制爆破技術——以徐州軌道交通1號線一期振興路站—徐州東站明挖區間為例

朱明勇

(徐州市城市軌道交通有限責任公司， 江蘇 徐州　221000)

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城市軌道交通復雜環境下明挖區間控制爆破技術
——以徐州軌道交通1號線一期振興路站—徐州東站明挖區間為例

朱明勇

(徐州市城市軌道交通有限責任公司， 江蘇 徐州221000)

摘要：為了在自身地質條件復雜，且外部存在交叉作業、無法實施封閉爆破施工的條件下，控制露天爆破振動及飛石對周邊構建筑物的影響，以徐州軌道交通1號線一期地下市政工程振興路站—徐州東站明挖區間爆破控制為例，采取減震帶措施降低振速35%；主爆區通過嚴格控制同響最大裝藥量，合理布設炮孔和設計裝藥參數，使炮眼利用率超過90%；邊坡采用預裂爆破技術成型較好，殘眼率85%，超挖不超過15 cm；采取堵塞覆蓋措施，有效控制了爆破飛石；通過聯合警戒防護，避免了交叉施工、人群車輛繁多的風險；歷時6個月開挖完成20萬m3，取得了良好的進度、安全和成本效益。結果證明所采用的技術方法合理、安全，能夠確保鄰近高層建筑物的安全。

關鍵詞：軌道交通； 明挖區間； 復雜環境； 控制爆破； 建筑物安全

Controlled Blasting Technology for Cut-and-cover Metro Tunnel in

0引言

目前，國內露天淺孔、中深孔爆破技術較成熟，主要用于礦山開采、野外爆破施工。工程建設者、學者們對野外露天爆破技術進行了許多卓有成效地研究及技術創新。文獻[1]主要闡述深孔爆破飛石及振動控制措施；文獻[2]主要闡述邊坡預裂爆破成型質量控制；文獻[3]主要闡述通過挖溝槽降低爆破震動的研究。但在城市軌道交通建設中，特別是在周邊環境復雜區域修建區間隧道時，一般采用礦山法或者盾構、TBM掘進，很少有整個區間采用明挖露天爆破施工的經驗。徐州市城市軌道交通1號線一期地下市政工程振興路站—徐州東站站明挖區間，地處經濟開發區，場區地表為灰巖，同期周邊還有在建樓房，采用明挖爆破法開挖。本文通過結合減震措施、淺孔臺階爆破、預裂爆破和警戒防護等一系列綜合技術措施，總結出了一種在城市區進行明挖爆破施工控制的有效方法。

1工程概況

徐州市城市軌道交通1號線一期地下市政工程振興路站—徐州東站站明挖區間長874 m，放坡開挖深度12.7～15 m，寬度22.9～42.4 m，場區地表為灰巖，開挖范圍為中風化巖層，強度等級59 MPa，爆破量約25萬m3。區間線路穿越正在開發建設的房地產用地范圍，線路右側平行布滿了13棟正在建設的高層樓房，樓房為筏板基礎，已建層數6～23層不等，基礎距離爆破區間15 m(見圖1)，周邊環境復雜，與房建交叉施工干擾極大(見圖2)。

圖1　區間明挖與建筑物關系平面圖

Fig. 1 Plane sketch showing spatial relationship between cut-and-cover tunnel and buildings

圖2　區間鄰近在建樓房實景

Fig. 2Buildings under construction adjacent to the cut-and-cover tunnel

區間開挖范圍勘察施工的59個鉆孔中見溶洞31個，鉆孔見洞率52.54%，場區溶洞多以硬塑黏性土充填，結構致密性較差，透水性較強。地質坡面見圖3。

2施工方法及技術措施

本工程爆破作業為連續高強度生產，工期緊、安全問題突出、環境保護要求高。選定緊鄰建筑物側邊坡部位2 m范圍先采用預裂爆破形成減震帶(爆破后巖體不清除)，再采用淺孔臺階爆破開挖中間巖體，鉆孔采用YT28風鉆配合φ90 mm潛孔鉆機鉆眼，采取人工裝藥、聯線起爆方式施工。

圖3　區間地質縱斷面圖

Fig. 3Longitudinal profile of geological conditions of the cut-and-cover tunnel

爆破作業流程如下： 施爆區構建筑物調查—清除施爆區土層和強風化巖面—爆破設計審批—放樣布孔—鉆孔—炮孔檢查—裝藥范圍警戒—裝藥連線—預警(人員清理疏散)—起爆—清除瞎炮—解除警戒。

2.1爆破器材的選擇

乳化炸藥采用小藥卷φ25 mm(單節長20 cm，質量為150 g)、φ70 mm節裝乳化炸藥(單節長35 cm，質量為1.2 kg)以及粉狀炸藥；雷管采用3、9段非電毫秒雷管；其他還需導爆管、導爆索、起爆器和竹片等。

2.2同響最大裝藥量控制

根據薩氏公式

v=K(Qm/R)α。

式中：v為振動速度，cm/s；K、α為場地系數(與地形、地質條件有關的系數和衰減指數)；Q為同段起爆藥量，kg；R為爆心距,m；m為裝藥指數，取1/3。

通過爆破前試爆確定場地系數按α=1.7、K=230考慮；允許振速v按文獻[4]爆破振動安全允許標準的新澆大體積混凝土初凝至3 d允許振速上限2.0 cm/s控制；爆心距按距離房建基礎15、20、25、30、35和40 m計算；允許同響最大裝藥量見表1。

表1　允許同響最大裝藥量

2.3爆破參數設計

根據作業特點按減震帶預裂爆破、主爆區淺孔臺階爆破進行爆破參數設計，減震帶與主爆區分區見圖4。

2.3.1預裂爆破參數

1)炮孔間距根據經驗公式a=(8～12)，式中D為鉆孔直徑，取40 mm；則a=(8～12)×40=320～480 mm；硬巖取大值、軟巖取小值，本設計選用400 mm。

2)不耦合系數根據經驗公式取D/d=40/25=1.6。

圖4　減震帶與主爆區分區示意圖

Fig. 4Schematic diagram of vibration damping zone and main blasting zone

3)線裝藥密度按文獻[5]長江科學院經驗公式計算，q線=0.034(σ壓)0.63×(d)0.67= 0.348，式中：q線為一炮孔的線裝藥密度，kg/m；σ壓為巖石極限抗壓強度，MPa；d為鉆孔直徑。

4)孔底裝藥一般取線裝藥量的3～4倍，裝藥長度1.0～1.5 m。因緊鄰構建筑物需控制振速，孔底不多裝藥，采用等間距均勻裝藥，但孔底超深主爆區0.5 m。

5)一般在預裂孔與主爆孔之間布設緩沖孔。本工程采用緊鄰綠地建筑物側預裂孔先爆破(超前主爆孔區50 m)，再進行主爆區鉆孔裝藥爆破，故不設緩沖孔。

經計算沿設計坡面角度采用YT28風鉆鉆φ40 mm孔，鉆孔間距40 cm/個，深度4.0 m，排距60 cm，共裝5卷，每卷150 g，單孔總裝藥量0.75 kg?？變人幘聿捎脤П鞔摚淄庋訒r逐孔起爆。

2.3.2主爆區淺孔臺階爆破參數

爆破孔依據最大單響起爆藥量的控制要求，主爆區淺孔臺階爆破的主要參數有孔徑、抵抗線、孔深、間距、排距、堵塞長度、裝藥量。淺孔臺階爆破要素見圖5[6]。

1)孔徑D。采用潛孔鉆機鉆孔，孔徑D為90 mm。

H—臺階高度；L—炮孔深度；l—裝藥長度；h—超深；W—最小抵抗線；W0—底盤抵抗線；B—孔邊距。

(a)

a—孔距；b—排距。

(b)

圖5淺孔臺階爆破要素示意圖

Fig. 5Schematic diagram of shallow hole bench blasting

2)孔深L。L≤5.0 m；設計H取3.5 m；鉆孔超深h=(0.15～0.35)W0，取h=0.25×2 m=0.5 m；則L=H+h=3.5+0.5=4 m。炮孔利用率87.5%。

3)底盤抵抗線W0。W0=(0.4～1.0)L，取W0=0.5×4.0 m=2.0 m。

4)間距a。a=(1.0～2.0)W0，設計a=1.0W0=2.0 m。

5)排距b。b=(0.8～1.0)a，取b=0.8a=1.6 m。

6)堵塞長度L2。L2=(1/2～1/3)L，取L2=1/2L=2.0 m。

7)單耗q。根據施工現場巖石的硬度情況，一般取q=0.25～0.5 kg/m3，本工程取q=0.45 kg/m3。

2.4布孔

計算得出預裂爆破布孔參數見表2，淺孔臺階爆破布孔參數見表3。

表2　預裂爆破參數表

表3　淺孔臺階爆破參數表

2.5裝藥和堵塞

預裂爆破孔采用軸向不耦合間隔裝藥，藥卷采用竹片固定，預留空氣柱間隔，為了充分利用空氣柱的緩沖、均壓作用，采用正向起爆[7]，炮孔無需堵塞。軸向不耦合間隔裝藥見圖6。

圖6　軸向不耦合間隔裝藥示意圖

Fig. 6Schematic diagram of axial non-coupling discontinuous charging

主爆區淺孔臺階爆破孔均采用孔底向外連續裝藥。為了保證爆破效果,炮孔用鉆孔返出石粉填塞并搗實，以確保堵塞質量。

2.6連線

爆破網絡為非電毫秒雷管孔外延時逐孔起爆, 延期毫秒雷管可跳段使用，段位間隔時間不小于100 ms，能避免震速峰值地震波相疊加而加大爆破振動[8]。為了使爆破達到最佳效果，采用炮孔反向起爆，即將雷管置于炮眼最底層藥卷上進行引爆。預裂爆破網絡連接見圖7，淺孔臺階爆破網絡連接見圖8。

2.7爆破減震技術

2.7.1選擇合適的爆破器材

通過優選炸藥，使炸藥與巖石的波阻抗盡可能匹配，以最大限度發揮炸藥效率，達到減小裝藥量的目的。在國內不少工程項目施工中，通過與廠方合作，優選炸藥，取得了良好的效果。

2.7.2控制同段最大裝藥量的振動速度

爆破振動速度與同段起爆的裝藥量有關，也與裝藥結構和各炮眼起爆順序和間隔有關，與總裝藥量無關，綜合各種因素嚴格控制裝藥量，以達到控制震速的目的。

圖7　預裂爆破孔外延時逐孔起爆網絡圖

圖8　淺孔臺階爆破孔外延時逐孔起爆網絡圖

2.7.3合理的起爆順序和時間間隔

采用分段非電毫秒雷管通過孔外延時逐孔起爆，選擇各段間隔時間不小于100 ms，以避免爆破震速重疊，控制爆破震速在允許值內。

2.7.4采取減震帶措施

能有效降低爆破震速，在減震帶形成后進行多次爆破試驗，單響最大裝藥量1.8 kg，在采取了減震帶側距離20 m和未采取任何措施的另一側20 m處，同時埋設振速監測儀，得出按以上減震帶參數能衰減約35%的振速[9]。未采取減震帶措施振速監測圖見圖9(2014年5月12日未采取任何措施段監測)，采取了減震帶措施振速監測圖見圖10(2014年5月12日減震帶段監測)。

圖9　未采取減震帶措施振速監測圖(1.9 cm/s)

Fig. 9Vibration velocity measured when no vibration damping zone is arranged (1.9 cm/s)

圖10　采取減震帶措施振速監測圖(1.2 cm/s)

Fig. 10Vibration velocity measured when vibration damping zone is arranged (1.2 cm/s)

2.8邊坡預裂爆破成型技術

為了保證邊坡成型質量控制超欠挖，選定采用預裂爆破技術，竹片等間距固定裝藥，孔內藥卷采用導爆索串聯起爆，炮眼利用率90%，炮孔殘眼率達到85%以上，超欠挖控制在15 cm以內。邊坡預裂爆破邊坡效果見圖11。

圖11　預裂爆破邊坡效果照片

3安全技術措施

3.1溶洞風險及處理措施

開挖范圍存在大量溶洞，若溶洞處理不當，爆破裝藥會出現串孔、藥量不均等問題，從而造成局部爆破威力過大的危險。因此，需采取以下技術措施：

1)開挖前分層采用地質雷達掃描開挖范圍的地質情況，對異常區域進行標識，采取鉆孔驗證。若發現溶洞，應提前進行注漿處理。

2)爆破鉆孔過程中一孔一表，詳細記錄鉆孔是否存在地下水、破碎夾泥和地下溶洞。存在地下水的區域采用防水藥卷裝藥，破碎夾泥區域少裝藥加強堵塞和覆蓋，地下溶洞根據區域大小選擇不裝藥或者注漿處理。

3.2爆破飛石風險及控制措施

爆破易產生飛石，飛石易造成周邊人員、構建筑物傷害。根據文獻[10]可采取以下技術措施：

1)采用鉆孔產生的石屑、碎石封堵炮孔，炮孔封堵長度為孔深的1/3，且不小于1 m，堵塞嚴密。

2)炮孔口壓制砂袋。

3)在爆破范圍覆蓋一層炮被，炮被采用汽車輪胎橡膠皮編制。

4)炮被上方采用鋼絲繩整體連接，鋼絲繩四角錨固牢固。

3.3爆破振動對構建筑物安全風險及控制措施

如果爆破振動過大，會對周邊在建樓房結構造成破壞，需采取以下技術措施：

1)在爆破開工前及后續爆破過程中，委托第三方調查、更新周邊構建筑物的外觀質量，對樓房自身存在質量缺陷的部位進行共同見證、拍照存檔。

2)在綠地樓房側，順邊坡先爆破形成一條減震帶，以衰減振動的傳播。

3)通過試爆確定場地系數K、α值，根據不同爆心距計算不同部位的單響最大裝藥量。

4)技術員跟班監督，采用定量裝置每孔裝藥，做好每孔記錄，避免隨意裝藥、少裝、超裝。

5)采用孔外延時逐孔起爆連線方式，仔細檢查連線是否正確。

6)每炮進行振速監測，監測點埋設在最近受保護建筑物基礎上。

7)在樓房混凝土澆筑至終凝前不得進行爆破施工。

3.4安全警戒風險防護措施

安全警戒不到位，易造成周邊人員傷亡和建筑物損傷，需采取以下防護措施：

1)爆破安全規程規定爆破警戒范圍為200 m，實際根據裝藥量大小計算拋擲距離及沖擊波安全距離。

2)裝藥警戒。城市施工火工品由民爆公司配送，當火工品到場后，開始警戒，裝藥時采用警戒帶隔離警戒防護，由安全員巡守，非作業人員不得進入警戒范圍。

3)預警信號。當裝藥完成、清點火工品后，爆破總指揮發出預警信號，預警信號采用廣播喇叭通知，開始爆破范圍內的清理工作(具體做法如下： 在每個區域爆破前，勘察現場后選定爆破警戒點，形成警戒防護網絡，每個崗位制定專人值守，持對講機與爆破總指揮聯系；爆破總指揮按順序詢問每個警戒點人員到位情況，得到確認；爆破總指揮按順序詢問每個警戒點人員疏散情況，得到確認)。

4)起爆信號。當爆破總指揮確認具備安全起爆條件后，采用對講機通報倒計時發出起爆指令，由爆破員得到指令后起爆(起爆員緊跟總指揮)。

5)起爆后由爆破員進入爆破警戒范圍內檢查盲炮、瞎炮，當確認安全后，告知總指揮，由總指揮發出解除爆破警戒信號。在此之前，崗哨不得撤離，不允許非檢查人員進入爆破警戒范圍。

4結論與討論

在城市復雜周邊環境條件下，通過嚴格控制同響最大裝藥量，合理布設炮孔和設計裝藥參數，采取減震帶措施，未對周邊構建筑物造成影響；邊坡采取預裂爆破技術成型質量較好；采取堵塞覆蓋措施，有效控制了爆破飛石；通過聯合警戒防護，避免了交叉施工、人群車輛繁多的風險。但是，在實施過程中，基坑主爆區全幅斷面采用豎直打眼爆破，存在爆破后出渣與邊坡網錨噴支護工序組織困難的問題，與已完成的研究工作相比，本文主要闡述城市周邊復雜環境下分區域采取不同爆破參數施工(主要為預裂爆破、淺孔臺階爆破不同爆破參數)，以及預裂爆破控制邊坡成型質量，并形成隔離帶，通過實踐證明該地層及減震帶參數能衰減約35%的振速。通過采取文中措施，歷時6個月開挖完成20萬m3，取得了良好的進度、安全和成本效益。下一步徐州市城市軌道交通徐州東站站將鄰近京滬高鐵施工，如何控制爆破振動及飛石防護，以及不影響高鐵運行線設施的安全是后續研究的方向。

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Complicated Environment: Case Study on Running Tunnel from

Zhenxinlu Station to Xuzhoudong Railway Station of Line 1 of

Xuzhou Rail Transit System

ZHU Mingyong

(XuzhouUrbanRailTransitCo.,Ltd.,Xuzhou221000,Jiangsu,China)

Abstract:The running tunnel from Zhenxinlu Station to Xuzhoudong Railway Station of Line 1 of Xuzhou Rail Transit System is constructed by cut-and-cover method. The running tunnel is located in complicated geological and surrounding environment, therefore controlled blasting is carried out to minimize the impact of the vibration and flying stones on the adjacent buildings. Vibration zone is arranged, which reduces the vibration velocity by 35%; the maximum charging quantity of single blow in the main blasting zone is strictly controlled and the blast hole parameters and the charging parameters are properly determined, which ensures more than 90% blast hole utilization ratio; pre-splitting blasting technology is adopted for the slopes, which ensures 85% blast hole trace ratio and less than 15 cm overbreak; effective stemming and covering measures are taken, which brings the flying stones under effective control; comprehensive warning and protection measures are taken, which minimizes the safety risks on the surrounding environment. In the end, 200 000 m3rocks have been excavated within 6 months, and satisfactory construction progress, safety and cost efficiency have been achieved. The practice shows that the technologies adopted are rational and effective.

Keywords:rail transit; cut-and-cover tunnel; complex environment; controlled blasting; building safety

中圖分類號：U 455

文獻標志碼：B

文章編號：1672-741X(2015)12-1315-06

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2015.12.013

作者簡介：朱明勇(1969—)，男，江蘇沛縣人，2001年畢業于南京理工大學，思想政治教育專業，本科，高級工程師，現從事工程管理工作。

收稿日期：2015-03-17; 修回日期: 2015-07-10