地鐵車站深基坑爆破開挖振動控制技術

劉高飛

(中鐵十七局集團有限公司，山西太原030006)

地鐵車站深基坑爆破開挖振動控制技術

劉高飛

(中鐵十七局集團有限公司，山西太原030006)

長沙地鐵2號線西延線工程一車站基坑開挖方量大，工期緊，周邊緊鄰住宅區，交通流量大。采用深孔爆破與淺孔爆破相結合的爆破方式。為控制爆破開挖振動，通過現場試驗和數值模擬分析，總結出了微差爆破的最佳間隔時間和減振孔設計參數。通過采用毫秒延時起爆和減振孔相結合的綜合爆破振動控制技術，保證了周邊建筑、圍護結構和止水帷幕的安全，加快了施工進度。

地鐵 基坑 微差爆破 減振孔 振動控制

1 概述

長沙地鐵2號線西延線工程土建施工2標梅溪湖東站位于既有雷鋒西大道上。基坑開挖深度20 m，寬度21 m，長度200 m。巖層埋深淺，石質堅硬，基底基本位于元古界板溪群中、微風化板巖，開挖方量達8.4萬m3，工期僅3個月。為滿足工期要求，爆破方案采用深孔爆破與淺孔爆破相結合，以深孔爆破為主。基坑周邊緊鄰航發錦繡家園小區和麓陽和景小區，水平距離最小為13 m，交通流量大，爆破作業風險高，必須采用爆破開挖振動控制技術。

為了確保爆區結構物及周圍環境的安全，必須嚴格控制爆破振動和飛石。從國內外相關研究爆破振動危害控制的文獻來看，采用以下技術措施可以降低爆破地震效應:①采用低爆速、低密度的炸藥或減小裝藥直徑;②控制單響最大藥量;③預裂隔振帶或減振溝;④選擇最小抵抗線方向;⑤采用微差延時起爆技術;⑥增加布藥的分散性和臨空面;⑦選擇合理的裝藥結構。

為了安全高效地完成該爆破開挖工程，通過現場試驗和數值模擬分析總結出了一套適用于本工程的減振技術。

2 減振試驗

本次驗主要分析微差爆破技術以及減振孔對爆破減振效果的影響，因此具體采用如下2組試驗:①測試微差爆破技術對減振效果的影響，主要研究毫秒延時起爆時間間隔對爆破動力響應的影響;②研究減振孔(溝、縫)對爆破開挖減振效果的影響，試驗分析減振孔深度和具體位置對整體減振效果的影響。

振動監測使用了2臺四川拓普測控科技有限公司生產的NUBOX-6016智能振動監測儀和1臺UBOX5016爆破振動智能監測儀。速度傳感器采用垂直向速度傳感器PS-4.5和水平向速度傳感器PSH-4.5。

采用BM View專用分析軟件實現設備控制、參數設置、波形顯示、數據讀取等功能，根據薩道夫斯基經驗公式進行爆破振動的分析、統計、管理。

3 試驗測試結果分析

3.1 微差爆破減振效果分析

采用相同的爆破環境、爆破規模及爆破參數，分4排爆破，每排5孔，采用排間微差起爆，每段藥量均為50 kg，具體爆破參數為:孔徑φ=78 mm;孔深l= 5.0 m;孔距a=3.0 m;排距b=2.5 m;單耗q=0.27 kg/m3;單孔藥量Q=10 kg。

以上爆破參數不變，僅調整起爆間隔，對間隔時間Δt分別為25，50，75，110和150 ms 5種爆破工況進行振動測試分析。采用孔內、孔外結合的爆破網路，孔內為MS12段，孔外分別為MS2，MS3，MS4，MS5，MS6。每個工況進行6組平行試驗，測振點距爆心20 m，測試結果見表1。

由表1可知，5種工況的最大爆破振動速度分別為1.31，0.82，0.71，0.93，1.05 cm/s。隨著延時起爆時間間隔增加，振動速度先降低再增加，存在一個最佳的毫秒延時起爆時間間隔區域，即間隔時間在50～75 ms時可達較為理想的減振效果。主振頻率和持續時間在這一區間沒有明顯的變化。

表1 不同間隔時間振動參數統計

3.2 減振孔減振效果分析

爆破振動波的傳播特征主要取決于介質的波阻抗特性，當振動波到達不同介質分界面時，由于波阻抗特性的不同，振動波將發生反射和透射，所以爆破振動波經過減振孔后爆破振動強度降低。

研究炸藥爆炸時減振孔對爆破振動傳播的影響，具體涉及的參數主要有減振孔直徑D、深度H，減振孔離炮孔之間的距離L。采用數值模擬的方法加以研究，數值模擬軟件采用大型非線性有限元/有限差分軟件AutoDYN。

在對模型進行網格剖分時，模型的尺寸大小應力求精確。在建模時采用了變網格技術，其中最小網格尺寸為5 mm。為了減少計算量，提高計算精度，盡量使建立的模型空間尺寸較小，考慮到計算時間的問題，可以把整個模型簡化為二維平面對稱模型。數值模型初始狀態如圖1所示。為了記錄減振孔后某位置處爆破振動幅值，采用設置示蹤點(如圖1中的1～7號點)的方法來記錄炸藥爆炸后該處參量的變化情況。

圖1數值模型初始狀態

圖2 為炸藥爆炸后幾個典型時刻壓力云圖。可知:①0.4 ms時炮孔左側的沖擊波傳播到巖石上表面處，在右側由于減振孔的存在，阻斷了周邊沖擊波向右側傳播，同時反射回一拉伸波。②0.8 ms時炮眼底部部分沖擊波繞過減振孔底部向右側繼續傳播。③1.2 ms時右側沖擊波繞過減振孔并傳播到巖石表面，但其強度與炮孔左側同樣距離處相比明顯減弱，僅為左側的20%～30%。在減振孔左側的1.5～2.0倍孔深范圍內其振動強度更低，僅是其外側(2.0倍孔深以外)的5%～10%。

從圖2可見，減振孔(連續的)可將炮眼側面的地震波阻斷，炮眼底部的地震波則是繞過減振孔底部向右側繼續傳播，其減弱強度與孔深有關。由此可以得出:減振孔可以較好地降低爆破地震波，但其效果與減振孔的連續性和孔深有關，連續性越好，側向波被阻斷得越好，深度越深則底部波被阻斷得越好。

圖2 炸藥爆炸后典型時刻壓力云圖

4 爆破方案

4.1 方案確定原則

根據以上試驗及數值分析結果采用減振孔和微差起爆等減振措施，選用爆破開挖可以保證基坑圍護結構及周邊環境安全。爆破開挖須遵循以下要求:

1)為減小爆破對邊坡的振動破壞，也為了控制爆破大塊率，便于裝渣施工，采用非電毫秒雷管進行毫秒微差爆破，應用小排距、大孔距梅花形的布眼方法，每次爆破3～5排。

2)爆破開挖時嚴防爆破振動造成止水帷幕和圍護結構破裂，更不允許爆破動力直接破壞鉆孔圍護樁的樁腳，造成圍護樁失穩，整體垮塌。為此，在必要時距圍護樁邊0.5～1.0 m鉆鑿1～2排減振孔實現卸壓控爆，以保證圍護結構安全穩定。

3)結合基坑開挖方案，分層分段進行爆破開挖，每次爆破深度盡量不超過5 m。

4.2 爆破參數

在原有爆破方案設計的基礎上，根據理論分析和數值模擬計算結果，為了控制爆破飛石、爆破振動以及保護基坑邊坡穩定性，爆破施工采用掏槽孔、主爆孔以及減振孔相結合的方式。施工時預留保護層，爆破與機械開挖相結合，毫秒延時起爆，嚴密防護，從而體現定量化的爆破設計，精細化的管理與施工。具體爆破參數如下。

1)掏槽爆破參數

為防止飛石并增加主爆區的臨空面，主體爆破前在基坑兩端先進行掏槽爆破。中深孔掏槽爆破參數為:φ=78 mm，L=5.5 m，a=2.5 m，b=2.0 m，q= 0.4 kg/m3，Q=10 kg。

2)主爆孔爆破開挖

在主爆區，采用中深孔爆破，由兩掏槽區向中間分層爆破，使得爆破飛石向基坑中部拋擲，臺階高度為4.5 m。具體參數為:L=5.0 m，a=3.0 m，b=2.5 m，q=0.25 kg/m3，Q=10 kg。

4.3 爆破安全控制

1)減振孔設計

為了保護臨近河道堤岸和已施作完成的基坑止水帷幕，除了采用微差起爆減振外，還采用減振孔減振。在距邊坡1.5 m處平行于邊坡線開鉆減振孔，具體參數為孔徑100 mm，孔距30 cm，采用雙排交錯布置，孔深22 m(一次打到底板下2.0 m)。這樣又形成了1.5 m寬的邊坡保留防護帶。主區爆破完成后，再采用機械破碎或淺眼爆破開挖保留部分。

2)微差起爆網路

采用非電毫秒延期雷管起爆，由前文分析可知，毫秒延時起爆時間間隔在50～75 ms時爆破振動控制較好，所以這里采用孔內延時與孔外延時相結合的方法，即孔外MS3或MS4、孔內MS12，實現每孔1個段別的逐孔起爆。

3)爆破飛石防護

掏槽爆破時，爆破飛石有向上拋擲的可能，因此需采取重型覆蓋防護，即在爆破區炮孔上蓋砂袋，上層再覆竹夾板或用廢舊輪胎制作的炮被。主體爆破時由于多了側向臨空面，爆破參數設計合理就可控制飛石，為防萬一，可在上層覆一層炮被。

5 結論

1)通過現場多次試驗，采用以上優化后的爆破方案進行施工，在距爆破區最近的圍護樁樁頂處測得的爆破最大振速為2.192 cm/s(允許振速為5.0 cm/s)，在附近房屋處測得的最大振速為0.602 cm/s(允許振速為1.0 cm/s)，最大振速是估算值的50%～60%，并遠小于爆破規程規定值，說明爆破開挖對周邊建筑危害較小。

2)通過采用毫秒延時起爆和減振孔減振相結合的綜合爆破振動控制技術，很好控制了爆破振動，在保證周邊環境的安全的同時，保證了圍護結構和止水帷幕。施工時增加了每次爆破的規模，一次爆破方量可達500 m3，是淺眼爆破的6～10倍，且不易飛石。爆破方案在保證安全的同時，大大加快了施工進度，節約了成本，取得了良好的經濟和社會效益。

［1］杜明玉，阮慶松，彭進強，等.地鐵車站深基坑施工對周圍環境影響評價分析［J］.鐵道建筑，2013(4):80-82.

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［3］張志毅，王中黔.交通土建工程爆破工程師手冊［M］.北京:人民交通出版社，2002.

［4］肖采平.爆破工程與環境保護［C］//第七界工程爆破學術會議論文集.新疆:新疆柯文出版社，2001.

［5］王海亮.鐵路工程爆破［M］.北京:中國鐵道出版社，2001.

(責任審編李付軍)

TU94+1

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.12.17

1003-1995(2015)12-0063-03

2015-07-17;

2015-07-29

劉高飛(1970—)，男，高級工程師，工程碩士。