優化爆破參數進行地鐵車站隧道控制爆破

何　闖， 王海亮

(山東科技大學礦山災害預防控制省部共建教育部重點實驗室， 山東 青島　266590)

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優化爆破參數進行地鐵車站隧道控制爆破

何闖， 王海亮

(山東科技大學礦山災害預防控制省部共建教育部重點實驗室， 山東 青島266590)

摘要：為減小爆破振動速度和提高炮眼利用率，以青島地鐵2號線車站主體Ⅰ部上臺階的爆破開挖為背景，從理論上分析了由于掏槽區域爆破效果差引起爆破振動過大，由于掏槽眼不對稱、掏槽區域布置不當、掏槽眼間排距過大、輔助眼排距過大、未封堵炮孔等原因造成炮眼利用率較低。結合理論計算和工程前期施工經驗對楔形掏槽參數進行了優化，同時在校核單段最大起爆藥量時考慮了多自由面的影響。結果表明： 優化后的復式楔形掏槽使炮眼利用率提高到90.5%，爆破振動速度控制在0.7 cm/s以內。

關鍵詞：青島地鐵； 隧道； 楔形掏槽； 爆破振動； 炮眼利用率； 爆破參數

0引言

楔形掏槽是斜眼掏槽中較易掌握的掏槽方式，它可以充分利用掌子面唯一的自由面,以較少炮孔消耗和炸藥消耗獲得較大的掏槽面積和槽腔體積[1]。因此，楔形掏槽已被國內外學者廣泛研究和應用。文獻[2]論述了楔形掏槽的發展歷程和楔形掏槽布孔參數及裝藥參數；文獻[3]運用層次分析法分析了影響楔形掏槽的因素所占比重；文獻[4]通過數值研究和試驗研究對復式楔形深孔掏槽爆破方法的可行性進行了論證。目前，國內外對于楔形掏槽方多集中在掏槽爆破理論方面，且楔形掏槽大多應用在煤礦巖巷掘進爆破中，而對地鐵隧道爆破楔形掏槽的研究較少，沒有考慮爆破振速對楔形掏槽參數的影響，更沒有對爆破現場掏槽效果不佳的原因進行分析，未對隧道爆破中的楔形掏槽參數優化。本文以青島地鐵2號線車站主體Ⅰ部上臺階的爆破開挖為背景，從理論和實踐的角度分析了造成楔形掏槽效果不佳的原因，結合理論計算和工程前期施工經驗對楔形掏槽參數進行了優化。

1工程背景

青島地鐵2號線延安路站總體為暗挖單拱雙層結構，車站中心里程處拱頂覆土約17 m，全長160 m。車站主體開挖斷面寬23.44 m，高18.37 m，采用雙側壁導坑法施工。車站西側為冠業大廈29層樓，要求振速控制在1.0 cm/s。采用2臺TC-4850測振儀測振，測點位于冠業大廈負1層。

首先開挖的車站主體 Ⅰ 部采用上下臺階法施工，下臺階開挖進度滯后于上臺階約10 m。上臺階開挖斷面寬7.97 m，高3.91 m，斷面面積19.5 m2，圍巖等級Ⅳ～Ⅴ，已開挖長度29.5 m。冠業大廈距離車站主體 Ⅰ 部上臺階水平距離15.1 m，垂直距離17.1 m。車站主體與冠業大廈的平面及剖面位置關系如圖1所示。

圖1　車站與冠業大廈的平面及剖面位置關系(單位： m)

Fig. 1Plan and cross-section of the Metro tunnel and Guanye Mansion (m)

2爆破現狀及原因分析

2.1爆破現狀

車站主體Ⅰ部上臺階的爆破開挖采用YT28型氣腿式鑿巖機鉆眼，炮孔直徑42 mm。雷管采用第一系列毫秒延期塑料導爆管雷管，所用段別為1、3～20共19個段別。炸藥為2號巖石乳化炸藥，規格為φ32 mm×200 mm，每卷0.2 kg。掏槽采用復式楔形掏槽，分2次爆破，第1次爆破斷面部分長8.00 m，高1.90 m，開挖面積13.1 m2。導爆管網路傳爆聯接方式為簇聯。現場炮眼布置見圖2。爆破參數見表1。出渣后的爆破效果如圖3所示。為節約爆破循環用時，Ⅰ部下臺階與Ⅰ部上臺階Ⅰ區域一次起爆，爆破順序為: 下臺階、上臺階Ⅰ區域，之間用第19段雷管進行孔外延期。因此，從1.7 s以后，為上臺階Ⅰ區域的爆破數據，如圖4所示。

掏槽區域的中心線處爆破進尺0.5 m，掏槽部分爆破進尺0.8 m，周邊眼及底眼發生“沖炮”，炮眼完好，未取得爆破進尺。最大爆破振速達0.98 cm/s，接近1.0 cm/s的控制要求。

2.2原因分析

2.2.1振速過大的原因分析

由圖4可知，最大振速出現在2.1 s，1.7～2.3 s爆破數據普遍偏大，可見，振速偏大為掏槽區域的爆破所致。據已有研究[5]： 振速峰值一般出現在掏槽眼爆破過程中。當掏槽區的碎石能順利拋出，則給予未作用于巖石的那部分爆炸能量向空氣自由面的溢出空間，從而可以降低爆破振動[6]。而此次爆破由于掏槽未爆開，后續的爆破沒有足夠的自由面，爆炸過程中，發生巖石擠實現象，未作用于巖石的那部分爆破能量難以溢出，故爆破振動較大。

圖中1～19代表雷管段別，Ⅰ～Ⅱ代表分次的起爆區域。

炮孔名稱段別眼數傾角/(°)炮孔深度/m單孔裝藥量/kg單段最大起爆藥量/kg一級掏槽1、3455、601.22、1.280.20.4二級掏槽4～7860、702.30、2.230.61.2輔助眼8～1632901.800.42.4周邊眼13～1911951.810.30.9底眼8、10、11、13、15～1816951.810.41.6

圖3　爆破效果

2.2.2炮眼利用率低的原因分析

1)掏槽眼不對稱。由圖2可知，第一級掏槽眼角度相差5°，第二級掏槽眼角度相差10°。而掏槽眼的傾角是影響楔形掏槽爆破的主要因素，權值達到11.15%[3]。據已有資料[7]，當掏槽眼不對稱布置時,在巖體內生成的裂隙要弱于對稱布置,導致爆破漏斗體積小，爆破效果差。因此，引起本次爆破失敗的首要因素是掏槽眼不對稱導致掏槽效果差，進而導致后續的爆破沒有充足的自由面，使整個爆破效果差。

圖4　爆破振動數據的三矢量合成圖譜

2)掏槽區域布置不當。由于掏槽區域的中心線距隧道左側拱腳4.28 m，工人在施打左側掏槽眼時，氣腿式鑿巖機的使用受隧道左側斷面的限制，角度不易掌握，造成兩側掏槽眼角度不一。原有的掏槽區域設計不根據現場施工器械、隧道斷面尺寸進行合理設計，是導致掏槽失敗的又一個因素。

3)掏槽眼間排距大。由圖2可知，一級掏槽眼間距1.6 m，排距0.6 m，二級掏槽眼間距2.2 m，排距0.45 m。根據掏槽眼裝藥量的經驗公式

Q=SLbq/N。

(1)

將各值代入，計算得Q=0.86 kg，即掏槽眼理論裝藥量為0.86 kg/孔，而實際裝藥量為一級掏槽0.4 kg/孔，二級掏槽0.6 kg/孔。故本次爆破失敗的原因是掏槽眼裝藥量不足，而掏槽眼裝藥量不足是因為掏槽眼眼數少、間排距大和爆破區域大造成的。若加大裝藥量又易造成超振，故應增加掏槽眼數，適當縮短掏槽眼間排距和爆破區域。

4)輔助眼排距過大。由圖2可知，最先爆破的輔助眼與二級掏槽眼的眼底最小水平間距為1.13 m。對于淺孔爆破，當此間距超過1 m時，最先爆破的輔助眼的最小抵抗線大，易造成“沖炮”。

5)未封堵炮孔。不堵塞炮孔會造成孔口飛石和較大空氣沖擊波，合理的堵塞會延長炸藥在炮孔中的作用時間，提高炸藥能力的利用率，使得巖石可以得到充分破碎[8]。實際施工中未封堵炮孔，造成底眼、周邊眼、部分輔助眼在自由面不足的情況下產生“沖炮”。

3爆破參數優化

由于拱頂部分圍巖等級為Ⅴ級且巖體存在滑層，掏槽部分的爆破易引起滑層失穩，故不宜進行全斷面一次爆破，所以斷面仍分2次爆破。淺埋隧道的炮眼深度主要受爆破振動和施工器械的限制。考慮到振速控制在1 cm/s，鑿巖機械為氣腿式鑿巖機，故炮眼深度未作調整，仍為1.8 m。所有炮孔炮泥封堵長度0.5 m。

根據前期爆破效果，第 Ⅱ 爆破區域各炮眼的間排距均未作調整，輔助眼間排距為600 mm，周邊眼間距為500 mm。第 Ⅱ 爆破區域各炮孔單孔裝藥量為0.3 kg。孔內雷管為三孔一段(即3個炮孔共用1個段位)。

3.1掏槽區域參數優化

根據2.2.2的原因分析，為便于工人打眼，將整個掏槽區域中心線向右偏移，距隧道左側拱腳4.69 m。根據式(1)，將掏槽區域的高縮短為1.3 m，其斷面面積縮小為9.5 m2。斜眼掏槽的孔間距目前還沒有較好的理論計算公式,大多依照經驗參數取值[9]。根據前期爆破經驗，一級掏槽眼增設1對，間距1.0 m，排距0.35 m；二級掏槽眼間距1.6 m，排距0.3 m。根據臺階爆破的現有理論[10]： 掏槽眼傾角θ=60～75°，楔形掏槽時取較大值。故一級掏槽眼傾角65°，二級掏槽眼傾角75°，各炮孔裝藥量不變，經計算，滿足式(1)。

3.2其他炮孔參數優化

最先爆破的輔助眼距離二級掏槽眼的間距縮小為350 mm，眼底水平間距變為850 mm。根據前期施工經驗，為防止輪廓欠挖，周邊眼間距縮短為400 mm。掏槽區域的底眼間距縮小為400 mm，更有利于整個掏槽完成爆開，其他底眼間距500 mm，各炮孔裝藥量不變。優化后的炮眼布置如圖5所示，爆破參數如表2所示。

3.3單段最大起爆藥量的安全驗算

對掏槽眼裝藥量和輔助眼裝藥量進行爆破振動安全驗算。根據薩道夫經驗公式

(2)

經計算，單段最大起爆藥量

圖5　優化后的炮眼布置圖(單位： mm)

炮孔名稱段別眼數傾角/(°)炮孔深度/m單孔裝藥量/kg單段最大起爆藥量/kg一級掏槽1、3、46651.100.20.4二級掏槽5～88752.070.61.2輔助眼9～1733901.80.42.4周邊眼15～208951.810.30.6底眼9、11、14、15、17～2017951.810.41.6

輔助眼最大單段起爆藥量為2.4 kg，據有關資料[11]，自由面數量對爆破振動強度的影響非常明顯: 3個自由面爆破的振動速度是2個自由面爆破的1/3～2/3，是單個自由面爆破的1/6～1/3。由于輔助眼爆破時已存在2個自由面，巖石夾制作用比只有1個自由面的掏槽炮眼小，在相同的單段裝藥量爆破時產生的爆破振動速度較小。對輔助眼的單段裝藥量適當增加，并進行試爆與爆破振動檢測后，結果表明： 輔助眼單段裝藥量為2.4 kg時，爆破振動速度可以控制在1.0 cm/s內。

4結論和建議

車站主體Ⅰ部與車站主體Ⅳ部應用優化后的復式楔形掏槽參數，完成了20個循環，共計掘進32.5 m。期間最大振速為0.70 cm/s，平均炮眼利用率達90.5%，取得了良好的爆破效果。為更好的應用此復式楔形掏槽技術，提出以下建議：

1)在振動爆破振動速度符合要求的情況下，可增加炮眼深度，從而增加爆破進尺，加快工程進度。

2)在設計輔助眼單段最大裝藥量時，不應只依據薩道夫斯基公式進行校驗，還應考慮掏槽眼爆破所提供的新的自由面對爆破振速的影響。一般可適當增大輔助眼的單段最大裝藥量。

3)當斷面圍巖穩定性好時，可采用全斷面一次爆破。參照本設計中布孔裝藥方式，第Ⅱ爆破區域的孔外延期雷管采用20段，隨同第Ⅰ爆破區域的孔外延期雷管一起起爆，實現全斷面一次爆破。

4)本文楔形掏槽的參數優化過多地依據現場試驗的結果得出結論，存在一定的局限性。當圍巖等級或爆破振速要求變化時，楔形掏槽參數也將再次進行調整。后續研究可通過數值模擬方法對楔形掏槽各參數進行研究，進一步驗證現場試驗結果，并量化不同圍巖等級和爆破振動速度楔形掏槽參數，以期更好地指導工程實踐。

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中烏合作“中亞第一長隧”有望2016年上半年竣工

由中鐵隧道集團有限公司承建的“中亞第一長隧”——烏茲別克斯坦卡姆奇克隧道，有望于2016年上半年完工。作為“絲路咽喉”工程將對推動中烏經濟合作乃至整個中亞地區的合作具有重要意義。

據了解，全長122.7 km的烏茲別克斯坦“安格連—琶布”鐵路是新絲綢之路經濟帶鐵路網的重要組成部分，被列為烏茲別克斯坦的“總統一號工程”。其中，中鐵隧道集團承建的19.2 km長的卡姆奇克隧道是全線的重點控制性工程，是中亞第一長隧道，是目前中烏經濟合作領域單個最大工程。2013年7月，中鐵隧道集團與項目建設方簽訂項目設計施工總承包合同，合同總造價 4.55 億美元。當前，隧道工程量已完成90%，項目進展順利。“安琶”鐵路建成后，不僅將改變烏茲別克斯坦境內運輸需繞道他國的窘境，而且能夠將塔什干到費爾干納州的鐵路運輸距離縮短100 km，節約時間近2 h， 也將為開展“一帶一路”沿線經濟合作提供便利。

作為烏茲別克斯坦“總統一號工程”中的關鍵性項目，卡姆奇克鐵路隧道受到烏方高度關注。烏茲別克斯坦以一條流經隧道到首都塔什干的河流為名，把這條隧道正式命名為卡姆奇克隧道，寓意對“互聯互通”的渴望。

在2年多的時間中，來自中鐵隧道集團的建設者經受了上千次巖爆考驗，用過硬的專業技術贏得了烏茲別克斯坦社會各界的贊許。目前，該項目已進入打通“最后一公里”的收官階段，并有望于2016年上半年竣工。

(摘自 中國中鐵隧道集團有限公司 http://www.ctg.ha.cn/tabid/67/InfoID/28779/frtid/79/Default.aspx2016-01-06)

Optimization Analysis on Blasting Parameters for

Blasting Control of Metro Station Tunnels

HE Chuang, WANG Hailiang

(KeyLaboratoryofMineDisasterPreventionandControl,ShandongUniversityofScience&Technology,

Qingdao266590,Shandong,China)

Abstract:The utilization rate of blasting holes is usually influenced by asymmetry of cutting holes, irrational layout of cut zone, large spacing among cut holes, large spacing among assistant holes and non-stemming of the blasting holes. In order to improve the utilization rate of blasting holes and minimize the blasting vibration velocity, some factors are analyzed based on the blasting excavation of Zone 1 of top heading of Metro station on No. 2 Line in Qingdao. In this paper, the parameters of wedge-shaped cut are optimized by means of theoretical calculation and construction experience. In addition, multiple free surface is taken into consideration to check the maximum individual ignition explosive quantity. The results show that the utilization rate of blasting holes was improved to 90.5%, and the blasting vibration velocity was limited within 0.7 cm/s by the compound wedge-shaped cut used.

Keywords：Qingdao Metro; tunnel; wedge-shaped cut; blasting vibration; utilization rate of blasting hole; blasting parameter

中圖分類號：U 452

文獻標志碼：B

文章編號：1672-741X(2016)01-0097-05

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.01.015

作者簡介：第一 何闖(1990—)，男，河北邯鄲人，山東科技大學采礦工程專業在讀碩士， 研究方向為隧(巷)道爆破、隧(巷)道支護等。E-mail: 584650078@qq.com。

基金項目：山東科技大學研究生科技創新基金項目(YC150304)

收稿日期：2015-03-24; 修回日期: 2015-05-27