孔外延期網(wǎng)路在隧道側(cè)穿危樓爆破中的應(yīng)用研究

尹文綱, 王海亮, 張祖遠(yuǎn), 張富強(qiáng)

(1. 中鐵三局集團(tuán)有限公司，山西 太原 030000; 2. 山東科技大學(xué)礦山災(zāi)害預(yù)防控制省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山東 青島 266590； 3. 江西省水利投資集團(tuán)有限公司， 江西 南昌 330029)

0 引言

目前，在隧道爆破中，隧道所處環(huán)境振速要求不嚴(yán)格時，普通導(dǎo)爆管雷管以其20個段別足以使隧道斷面從掏槽眼到輔助眼再到周邊眼實(shí)現(xiàn)一次性全斷面起爆或以較少的次數(shù)逐次起爆。但是，當(dāng)隧道所處環(huán)境對振速要求嚴(yán)格時，單段最大起爆藥量受到限制，炮眼間排距必須相應(yīng)減小，而普通導(dǎo)爆管雷管只有20個段別，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能布滿斷面所有炮孔，因此，分次起爆的次數(shù)也就相應(yīng)增加。目前，優(yōu)化起爆網(wǎng)路是減少起爆次數(shù)的主要手段之一。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對導(dǎo)爆管起爆網(wǎng)路進(jìn)行了一些研究。文獻(xiàn)[1]對導(dǎo)爆管起爆網(wǎng)路的可靠性進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[2-3]對導(dǎo)爆管雷管孔外延期在中深孔爆破中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[4-5]應(yīng)用了大段別孔外延期技術(shù)對爆破網(wǎng)路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，減少了因雷管段別限制而增加的爆破次數(shù)，降低了爆破所需時間。蔡路軍等[6]通過工程探索研究，提出了為降低爆破振動效應(yīng)需減少爆破單響藥量并且相鄰段爆破間隔時間應(yīng)大于50 ms的觀點(diǎn)。薛憲彬等[7]針對城市地下工程爆破振動易產(chǎn)生較大危害的問題，提出了合理的間隔時間、孔外延期和孔內(nèi)分級爆破技術(shù)等振動控制措施。目前，對于復(fù)雜環(huán)境下的隧道爆破，如何在確保起爆網(wǎng)路可靠的同時降低爆破振速并提高施工效率，成為目前工程施工中的一大難題。

本文以青島地鐵2號線芝泉路站1號風(fēng)道側(cè)穿危樓的鉆爆施工為背景，在振速控制要求為0.5 cm·s-1的條件下，通過現(xiàn)場爆破試驗(yàn)及實(shí)測數(shù)據(jù)的分析，提出了利用20段普通導(dǎo)爆管雷管在多組之間進(jìn)行孔外延期，并結(jié)合每組內(nèi)部利用3段普通導(dǎo)爆管雷管進(jìn)行孔外延期的起爆網(wǎng)路，以期為類似復(fù)雜環(huán)境下的隧道爆破提供指導(dǎo)。

1 工程概況

青島地鐵芝泉路站1號井風(fēng)道開挖跨度為13.2 m，開挖高度為15.2 m，長度為23.58 m，采用6部“CRD法”施工。風(fēng)道中板以上主要為中等風(fēng)化花崗巖，局部位于強(qiáng)風(fēng)化花崗巖下亞帶處，中板以下主要為微風(fēng)化花崗巖。風(fēng)道南側(cè)為延安路172號居民樓，居民樓外邊線距離風(fēng)道開挖邊線7.5 m，居民樓與1號風(fēng)道縱向位置關(guān)系如圖1所示。根據(jù)青島建學(xué)建筑工程司法鑒定所的鑒定結(jié)論可知，172號居民樓為危樓，爆破安全允許振速v≤0.5 cm·s-1。1號風(fēng)道開挖順序?yàn)棰佟凇邸堋荨蕖Ｓ蓤D1可知，1號風(fēng)道實(shí)施爆破開挖的難點(diǎn)在于控制好風(fēng)道①部的爆破振動速度，故本文選取1號風(fēng)道①部作為試驗(yàn)段進(jìn)行爆破試驗(yàn)。

圖1 1號風(fēng)道與172號居民樓縱向位置關(guān)系圖(單位： mm)

Fig. 1 Cross-section showing relationship between ventilation channel No. 1 and residential building No. 172 (unit: mm)

2 風(fēng)道①部爆破參數(shù)

風(fēng)道①部作為最先實(shí)施爆破開挖的部分，在確定最終的爆破開挖參數(shù)前，進(jìn)行了多次試炮。最初選定的循環(huán)進(jìn)尺為1.0 m，采用復(fù)式楔形掏槽，周邊眼間距為300 mm,輔助眼間排距為400 mm，單孔裝藥量為0.2 kg，兩孔一段起爆，爆破效果良好，但測得爆破振速為1.0～1.5 cm·s-1，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了爆破安全允許振速。為進(jìn)一步降低爆破振動速度，以“多打眼、少裝藥、多段起爆”為原則[8-9]，重新設(shè)計鉆爆參數(shù)，取循環(huán)進(jìn)尺為0.5 m，采用大直徑中空孔直眼掏槽，中空孔直徑為150 mm，周邊眼間距為300 mm，輔助眼間排距減小為350 mm。具體炮眼布置如圖2所示。

除尺寸標(biāo)注外，阿拉伯?dāng)?shù)字均代表雷管段別。

圖2風(fēng)道①部炮眼布置(單位： mm)

Fig. 2 Arrangement of blasting holes in part 1 of ventilation channel (unit: mm)

根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，為了降低爆破振動，就必須最大限度地減小單段最大起爆藥量。針對本工程，為了使爆破振速低于0.5 cm·s-1，按照前期試炮經(jīng)驗(yàn)，必須采取單孔單段起爆的方法，單段最大起爆藥量按薩道夫斯基公式計算[10]。

式中：R為爆源與需要保護(hù)的建筑物之間的距離，考慮最不利因素，取拱頂至測點(diǎn)距離為20 m；Qmax為齊發(fā)爆破時的總藥量或延期爆破時的單段最大起爆藥量；V為保護(hù)對象所在地質(zhì)點(diǎn)振動安全允許速度，本工程為0.5 cm·s-1；K、α分別為與爆破點(diǎn)至計算保護(hù)對象間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)，根據(jù)前期試炮數(shù)據(jù)線性回歸，取K=200、α=1.6。

經(jīng)計算，單段最大起爆藥量Qmax=0.106 kg，實(shí)際取Qmax=0.1 kg。

2.1 起爆網(wǎng)路

目前的城市隧道爆破中，通過孔外延期網(wǎng)路實(shí)現(xiàn)分段起爆已得到廣泛應(yīng)用。由圖2可知，本工程要實(shí)現(xiàn)單孔單段起爆，需通過9組1～20段分次起爆。本工程將同一大斷面分為9個部分進(jìn)行起爆，每組1～20段雷管起爆的部分定義為分?jǐn)嗝妗樘岣弑菩剩瑴p少起爆次數(shù)，采用孔外延期技術(shù)對起爆網(wǎng)路進(jìn)行設(shè)計，將圖2中的9個分?jǐn)嗝婷?個斷面為一個分區(qū)一次起爆，共進(jìn)行A、B、C、D、E 5個分區(qū)的5次爆破。其中，A-1分?jǐn)嗝嬗?段簇聯(lián)，A-2分?jǐn)嗝嬗?0段簇聯(lián)，然后將引爆雷管1段和20段簇聯(lián)，單獨(dú)起爆。孔外延期起爆網(wǎng)路示意圖如圖3所示。實(shí)際裝藥連接時只要保證A-1分?jǐn)嗝嬷凶詈笃鸨诳着cA-2分?jǐn)嗝媸醉懪诳组g隔時間在30～50 ms以上，基本可避免爆破振動波的疊加[4,11]。其余各分區(qū)網(wǎng)路連接方法與A區(qū)一致。

阿拉伯?dāng)?shù)字表示炮孔中的雷管段別。

圖3孔外延期起爆網(wǎng)路示意圖

Fig. 3 Sketch of outer-hole delay detonating circuit

2.2 爆破振速

通過采用大直徑中空孔直眼掏槽、降低循環(huán)進(jìn)尺、減小單段最大起爆藥量和炮眼間排距等措施，確定爆破參數(shù)，并利用圖3所示的孔外延期起爆網(wǎng)路進(jìn)行爆破試驗(yàn)，在圖1所示測點(diǎn)位置放置TC-4850爆破振動智能監(jiān)測儀，在里程1FD00+1.5～+6.4連續(xù)進(jìn)行10個循環(huán)的爆破試驗(yàn)并監(jiān)測，測得每次爆破振速峰值。爆破振速峰值波形圖如圖4所示。開挖循環(huán)數(shù)與振速峰值的關(guān)系曲線如圖5所示。由圖5可知，采用上述爆破方案，基本將民房基礎(chǔ)處質(zhì)點(diǎn)的爆破振動速度控制在0.5 cm·s-1以下，平均振速峰值為0.346 cm·s-1，但也存在個別炮次超振的情況。經(jīng)分析可知，出現(xiàn)個別炮次超振的原因是鉆眼質(zhì)量不佳。由于工人疏忽大意，鉆取的個別炮孔超過設(shè)計孔深20 cm以上，使得小藥量在孔深較大的炮眼中起爆自由面不充分，受巖石夾制作用，爆炸能量大部分以振動波的形式傳遞到地表質(zhì)點(diǎn)。實(shí)際施工中，嚴(yán)格控制好鉆孔質(zhì)量也是爆破振動控制的關(guān)鍵。

2.3 存在問題

在采用上述爆破方案后，爆破振動得到有效控制，證明了爆破參數(shù)選取和起爆網(wǎng)路設(shè)置的合理性。但是，隨著試驗(yàn)階段的結(jié)束，開挖工程開始正常進(jìn)行，起爆網(wǎng)路的局限性開始顯現(xiàn)。由于試驗(yàn)階段的重心是調(diào)整爆破參數(shù)，達(dá)到降振的目的，而正常開挖施工以后，重心調(diào)整到工程進(jìn)度上。采用圖3所示的起爆網(wǎng)路，將風(fēng)道①部分成圖2所示的A、B、C、D、E 5個分區(qū)進(jìn)行5次起爆，爆破開挖用時過長，特別是A分區(qū)第1次起爆后，爆落的渣石常常在尚未起爆的B分區(qū)堆積，部分碎石片堵塞B分區(qū)的底板眼;在起爆B分區(qū)時，通常要動用挖掘機(jī)進(jìn)行扒渣，部分底板眼還必須進(jìn)行吹孔，耗費(fèi)大量的時間。每循環(huán)分5次起爆，工人需通過深28 m豎井的安全梯上下攀爬5次到達(dá)爆破工作面，加上每次爆破后需通風(fēng)等待炮煙消散，裝藥爆破平均總耗時4.5 h，施工效率達(dá)不到進(jìn)度要求。

圖4 爆破振速峰值波形圖

圖5 開挖循環(huán)數(shù)與振速峰值的關(guān)系曲線

Fig. 5 Relationship between excavation cycles and vibration velocity peaks

3 改進(jìn)網(wǎng)路

為了提高施工效率，就必須將裝藥爆破的總用時減小，因此，應(yīng)進(jìn)一步調(diào)整爆破參數(shù)。由分析可知，炮孔間排距、循環(huán)進(jìn)尺、單孔裝藥量等參數(shù)一旦變化，將直接影響爆破振速的大小，而這些參數(shù)經(jīng)試驗(yàn)確定，減振效果基本符合安全允許振速的要求，且爆破用時過長的主要原因是爆破次數(shù)過多，所以，改進(jìn)起爆網(wǎng)路、減少起爆次數(shù)[12]是提高施工效率的關(guān)鍵。

起爆次數(shù)過多的原因有2個： 一是每次通過孔外延期只起爆2個分?jǐn)嗝妫鸨诳讛?shù)量有限；二是在必須單孔單段起爆的前提下，風(fēng)道①部使用1～20段普通導(dǎo)爆管雷管受到段數(shù)限制，分區(qū)過多。針對以上原因，提出了一種新的起爆網(wǎng)路，即利用20段普通導(dǎo)爆管雷進(jìn)行多組之間的孔外延期，同時利用3段普通導(dǎo)爆管雷管在每組內(nèi)部之間進(jìn)行孔外延期。改進(jìn)后的起爆網(wǎng)路如圖6所示。

阿拉伯?dāng)?shù)字代表炮孔中的雷管段別。

圖6改進(jìn)后的起爆網(wǎng)路

Fig. 6 Improved detonation network

由圖6可以看出，改進(jìn)后的起爆網(wǎng)路正是針對起爆次數(shù)過多的原因進(jìn)行的優(yōu)化，有如下特點(diǎn)。

1)利用20段雷管孔外延期一次起爆的組數(shù)增加為3組，實(shí)際施工中可根據(jù)需要進(jìn)一步增加起爆組數(shù)，只要保證前一起爆區(qū)的最后一個炮孔早于后一起爆區(qū)的首響炮孔起爆，且時間間隔在50 ms以上即可。同時，為保證后起爆部分能夠順利起爆，需要盡量避免先起爆部分崩落的石塊砸斷后續(xù)尚未被引爆的導(dǎo)爆管。可采取的措施有：①將后續(xù)起爆部分的導(dǎo)爆管向遠(yuǎn)離先起爆部分的方向收緊，并緊貼巖壁；②采用炮被、硬紙殼等遮蓋物將后起爆的部分導(dǎo)爆管遮蓋；③后續(xù)起爆部分的引爆雷管盡量采用雙發(fā)，以防止傳爆中斷，確保可靠引爆。實(shí)踐證明，采取上述措施后，基本可以避免盲炮的產(chǎn)生。

2)利用3段普通導(dǎo)爆管雷管進(jìn)行了每組內(nèi)部之間的孔外延期，即布置雷管時，第11段到第20段從原來的單孔單段布置增加到兩孔一段布置，在捆扎雷管時，先從11～20段重復(fù)段別中分別抽出一段用3段簇聯(lián)，再把3段與剩余的1～20段用起爆雷管簇聯(lián)，如圖6所示。利用3段雷管在每組內(nèi)部之間孔外延期，可使每個分?jǐn)嗝娑嗖贾?～10個炮孔。同時，由于3段雷管名義延期時間為50 ms，而從11段雷管開始到第20段，每兩相鄰段別之間名義延期時間都在90 ms以上，相同段別增加1個3段延期后，正好可以錯開起爆時間，理論上可以實(shí)現(xiàn)逐孔起爆。各段名義延期時間見表1。

需要注意的是，普通導(dǎo)爆管雷管延期時間存在誤差，且段別越大，誤差越大[13]。采用孔外3段延期，只是從理論上避免了串段和重段的可能，實(shí)際上，如果11～20段誤差剛好在50 ms左右，炮孔就會同時起爆。所以在布置11～20段時，盡量布置在比自身段別小2段以上的炮孔之后，以充分利用先響炮孔創(chuàng)造的自由面，盡可能降低爆破振速。

表1孔外3段延期后各段名義延期時間

4 改進(jìn)起爆網(wǎng)路后的工程應(yīng)用

4.1 改進(jìn)起爆網(wǎng)路后的炮眼布置

風(fēng)道①部采用每組內(nèi)部之間孔外3段延期后，每個分?jǐn)嗝婵啥嗖贾?～10個炮孔，從而使風(fēng)道①部分?jǐn)嗝鎮(zhèn)€數(shù)從9個減少到6個，具體炮眼布置見圖7。從圖7可以看出，每3個分?jǐn)嗝鏋橐粋€分區(qū)，只分了A、B兩分區(qū)，每個分區(qū)一次起爆3組，只需要2次即可完成1個循環(huán)的爆破開挖，且第1次就可將斷面下半部分全部起爆，避免了原網(wǎng)路易堵塞底板眼的弊端。應(yīng)用此起爆網(wǎng)路后，爆破效果良好，爆破開挖用時比原來節(jié)省了2 h，提高了施工效率。

4.2 改進(jìn)起爆網(wǎng)路后的爆破振速

風(fēng)道①部采用改進(jìn)的起爆網(wǎng)路后，在里程1FD00+8.5～+13.7進(jìn)行了10個爆破開挖循環(huán)試驗(yàn)，并在圖1所示的測點(diǎn)位置進(jìn)行了爆破振動監(jiān)測，測得每次爆破振速峰值如圖8所示。由圖8可知，采用改進(jìn)的起爆網(wǎng)路，基本將172號居民樓基礎(chǔ)處質(zhì)點(diǎn)的爆破振動速度控制在0.5 cm·s-1以下，平均振速峰值為0.364 cm·s-1，與原起爆網(wǎng)路爆破振速基本持平。可采用改進(jìn)的起爆網(wǎng)路后并未發(fā)現(xiàn)有振動疊加的現(xiàn)象。

除尺寸標(biāo)注外，阿拉伯?dāng)?shù)字均代表雷管段別。

圖7改進(jìn)起爆網(wǎng)路后的炮眼布置(單位： mm)

Fig. 7 Arrangement of blasting holes after detonation circuit improvement (unit: mm)

圖8 起爆網(wǎng)路改進(jìn)后開挖循環(huán)數(shù)與振速峰值的關(guān)系曲線

Fig. 8 Relationship between excavation cycles and vibration velocity peaks after detonation circuit improvement

5 結(jié)論與建議

隧道近距離側(cè)穿危樓爆破開挖時，爆破振速要求嚴(yán)格，單段最大起爆藥量及普通導(dǎo)爆管雷管段數(shù)受限，需要進(jìn)行分次起爆。本文針對起爆次數(shù)過多的問題，經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，提出了一種適用于隧道側(cè)穿危樓爆破的新型起爆網(wǎng)路，得出以下結(jié)論：

1)隧道近距離側(cè)穿居民樓時，減小循環(huán)進(jìn)尺和炮眼間排距、采用單孔單段進(jìn)行分次爆破的方法可有效降低爆破振速。

2)風(fēng)道①部利用20段普通導(dǎo)爆管雷管進(jìn)行多組之間的孔外延期，同時利用3段普通導(dǎo)爆管雷管在每組內(nèi)部之間進(jìn)行孔外延期，使起爆次數(shù)從原來的5次減少到2次，每循環(huán)爆破開挖用時節(jié)省2 h，提高了施工效率。

3)通過現(xiàn)場振動監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，一次起爆3個分?jǐn)嗝妫瑫r在每個分?jǐn)嗝孢M(jìn)行孔外3段延期，可使改進(jìn)后的起爆網(wǎng)路爆破平均振速峰值較原起爆網(wǎng)路提高5%，且未發(fā)現(xiàn)有振動疊加的現(xiàn)象。

4)振速要求嚴(yán)格條件下的爆破開挖仍是工程施工中的一大難點(diǎn)，本文以青島地鐵現(xiàn)場試驗(yàn)為依據(jù)，提出了適用于本工程的普通導(dǎo)爆管分次爆破起爆網(wǎng)路，但存在一定的局限性。對于改進(jìn)后的起爆網(wǎng)路是否會產(chǎn)生振動疊加現(xiàn)象，還需通過HHT變換理論等方法對延期時間進(jìn)行進(jìn)一步識別，提供更準(zhǔn)確的判斷依據(jù)，從而更好地指導(dǎo)工程施工。