繁華城區超大型基坑精細化控制爆破技術研究

葛 強

（中鐵十七局集團有限公司 山西太原 030006）

1 引言

伴隨著城市基坑規模、深度的不斷發展，加之其復雜的周邊環境，對城市巖質深基坑工程控制爆破開挖提出了進一步的挑戰。高精度數碼電子雷管，基于其精準的延時控制，配合科學的孔網參數可以起到逐孔起爆地震波主振相分離反相疊加的效果，從而達到干擾降振的目的［1-2］，已經成為國內外的主流控制爆破方法。郭華杰等［3］研究得出了電子雷管起爆時孔間及排間的延期間隔時間，及聯合爆破時爆源間的最佳延期時間間隔。鐘冬望等［4］結合生產實際驗證了逐孔起爆時孔間合理延期時間的公式，并且試驗模擬證明設置合理的孔間延期時間，采用逐孔起爆技術能夠實現分段振動干擾相消，實現錯峰降振。王作強等［5］研究認為水間隔裝藥的綜合爆破效果優于空氣間隔裝藥，大塊減少，炸藥單耗降低；該技術的應用可節省炸藥10%～20%［6］。目前對基坑控制爆破的研究成果主要集中在爆破地震效應和爆破參數的分析方面，張志毅等［7］探索建立了爆源近、中區新的峰值質點振動速度計算公式。陳曉斌等［8］實驗認為爆破地震動遠近距離范圍條件下衰減經驗公式中的衰減指數與系數均存在較大差別，而且質點垂直方向的振動速度峰值最大。劉鶴冰等認為爆破振動對地表建筑物的影響與該處最大振動速度有密切的關系［9］。宗琪等［10］認為在巖石的松動爆破過程中，炮孔布置的合理密度系數m＝1～2之間爆破效果最佳。熊祖釗等［11］結合工程實例研究證明不耦合裝藥結構和開挖減振溝均可以有效地降低爆破振動峰值。實際爆破中理論研究遠遠未達到實際的工程實踐，理論還有很多不足的方面值得進一步的研究和分析，特別是在爆破振動的控制研究方面，還有很大探索空間。

重慶沙坪壩鐵路樞紐綜合改造工程站東路基坑爆破開挖項目，地處繁華鬧市區，周邊環境復雜，爆區水平豎直方向上均有待保護對象，基坑北側緊鄰多棟高層住宅，最近處只有9.7 m，基坑下方的軌道9號線沙小區間隧道洞頂與基坑最短距離僅為8 m，此外還有受影響的周邊道路和二期基坑樞紐結構。基于爆區的復雜環境，合理的爆破方案設計和爆破振動的控制研究顯得尤為重要。本文重點研究數碼電子雷管控制爆破參數、網絡設計，結合現場振動監測數據分析振動衰減規律，研究總結鬧市區巖質基坑開挖精細化爆破技術，為類似工程提供經驗參考。

2 工程概況與技術難點

2.1 工程概況

重慶沙坪壩交通樞紐綜合體包括綜合交通樞紐部分和物業開發兩部分，總建筑面積約776 654 m2，含綜合交通樞紐面積299 958 m2，物業開發面積約476 695 m2。該交通樞紐綜合體共用的建筑深基坑開挖范圍南北寬125 m，東西長560 m，平均開挖深度23 m，最深處達45 m，開挖面積約6×104m2，開挖方量約136×104m3。

該工程場地地形地貌簡單，場區巖土層從新至老依次為人工填土、粉質黏土、粉砂巖、泥巖、砂巖，整個場地砂、泥巖為互層關系，其主要物理力學參數見表1、表2。溝槽低洼處的第四系人工填土，含一定量孔隙水，砂巖僅局部含少量地下水，地下水不發育。

表1 土體主要物理力學性質指標統計

表2 巖石主要物理力學性質指標統計

樞紐工程站東路東段，起訖里程ZXK0＋860～ZXK1＋093，全長234 m。主要包含軌道交通9號線沙坪壩站基坑剩余部分長約41.1 m，寬約40 m，深度約34 m；站東路下穿道基坑長191.9 m，開挖寬約36m，深度約20 m；二期基坑施工時留置的基坑內主便道以及便道影響的-6、-7層基坑。該部分深基坑土石方開挖量約26×104m3，其中土方約3.5×104m3，石方約22.5×104m3。基坑北側由東向西受基坑開挖影響的主要建筑為華宇大廈E棟、D棟、C棟商住樓及已建成的軌道交通九號線沙坪壩至小龍坎區間隧道。平面布置和典型斷面見圖1。

圖1 站東路部分基坑平面布置及典型斷面圖

2.2 技術難點

本基坑周邊環境極其復雜，安全風險高。邊坡距離華宇高層最小水平距離僅9.7 m，爆破評估本工程屬于“城鎮十分復雜環境一般巖土 B級爆破”［12］，公安部門批復周邊建筑對爆破振速安全允許標準僅1 cm／s。爆破施工需確保周邊建構筑物、人員、車輛等安全；對圍巖擾動不影響邊坡穩定；同時盡可能降低對周邊環境的影響，爆破安全技術措施和管理要求非常高。

站東路施工總工期僅12個月，土石方開挖量達26×104m3，為確保結構工程有效工期，土石方開挖工期需進一步優化、壓縮。

3 基坑開挖方案的優化

3.1 原方案工效分析

按原方案采用普通電雷管控制爆破，單次最大爆破量只有50～60個孔，爆破方量約400 m3，每日爆破4次，方量約1 600 m3，按照工期要求每天出渣量要達到4 000～5 000 m3，需進行10～13次爆破。根據現場實際情況，只能在白天8：00～12：30和14：00～19：30時間段實施爆破，不能滿足每日爆破次數和出渣量。如增加單次爆破量，普通雷管又無法滿足爆破減震要求，會對周邊建筑結構安全造成嚴重影響。為加快施工進度，力爭2017年底與高鐵開通同步建成站東路并投入使用，需重新對本段土石方開挖施工方案進行優化。

3.2 優化方案

采取數碼電子雷管起爆技術解決普通非電導爆管雷管面臨的多孔同時起爆時振速疊加、振速超標、無法大規模起爆等問題，通過數碼電子雷管逐孔起爆技術措施可對臨近既有建筑物的振速、飛石、揚塵、噪聲等有效控制。因此，站東路基坑土石方采取數碼電子雷管爆破開挖技術。具體開挖方式：

（1）距離華宇大廈≤50 m范圍的區域爆破采用數碼電子雷管。

（2）距離華宇大廈＞50 m范圍的區域爆破采用電雷管。

此外工程非爆破開挖土石方量約4×104m3，其中機械開挖3.4×104m3，人工開挖約0.6×104m3。基坑開挖方式平面及剖面示意見圖2。

在基坑北側（臨近華宇地下室）設置5排減振孔，孔徑100 mm，間距200 mm，排距200 mm，呈梅花形布置，長度每邊大于基坑周邊長度0.5 m，每次鉆孔深度超過爆破深度1.5倍，爆破1層，用破碎錘鑿除（開挖）1層，采用多排減振孔與機械液壓錘鑿打同步施工。

3.3 開挖步驟

根據不同的開挖方式及基坑設計標高劃分施工區域和爆破順序，分3個高程范圍分層分區組織施工（見圖3）。

圖2 基坑采用不同開挖方式

（1）巖層分界線至高程236 m范圍，豎向分7～10層，平面分6個區進行施工，按①④、②⑤、③⑥的順序實施爆破。

（2）高程226.8～236.9 m范圍，豎向分4～5層，平面分5個分區進行施工，按①⑤、③④、②的順序實施爆破。

（3）高程219～226.8 m范圍，根據坑中坑分布分4個區進行爆破開挖。①軌道9號線站臺層基坑，分3～15層進場開挖；②軌道9號線-8層配套用房基坑，分3層進行開挖；③公寓式辦公樓A棟-8層基坑，分2層進行開挖；④站東路下穿道基坑內臨時便道，分1～10層進行開挖。

圖3 爆破開挖平面分區

4 精細化控制爆破參數設計

4.1 孔網參數

本段距離建筑物50 m范圍內的石方采用數碼電子雷管爆破開挖，臺階高度不大于2.8 m，孔網參數分為以下兩種情況：

（1）距東、北側建筑物10～30 m及距基底0.5～4 m范圍內，鉆孔直徑42 mm，臺階高度1.5～2 m，鉆眼深度1.7～2.2 m，炮眼間距≤1.2 m。

（2）距北側建筑物30～50 m及距基底＞4 m范圍內，鉆孔直徑42 mm，臺階高度2～2.5 m，鉆眼深度2.2～2.7 m，炮眼間距≤1.3 m。

不同臺階孔網參數如表3所示，裝藥結構見圖4。

表3_爆破孔網參數

圖4 裝藥結構

4.2 爆破網絡設計

選用數碼電子雷管和專用數碼電子雷管起爆器起爆，使用2＃巖石乳化炸藥。根據環境特點和振動控制的難易程度選取起爆順序和起爆方向：臨空面設在基坑南側，起爆順序由南向北起爆，起爆網絡采用單孔順序起爆。為保證間隔時間精確，采用數碼電子雷管單孔順序微差起爆系統數碼電子雷管起爆系統間隔時間可根據需要任意設置，精度誤差僅為1 ms。各雷管腳線并聯接入起爆主線上，本工程采用的延時時差是孔間17 ms，排間102 ms，見圖5。

圖5 數碼電子雷管單孔順序微差起爆網絡（單位：ms）

5 爆破振動

5.1 振動控制標準

振速控制根據爆破規程結合本工程特點，對周邊高層建筑物和地下地鐵9號線結構的爆破振動均控制在1.0 cm／s以內。

5.2 爆破振動監測方案

爆破振動監測儀器采用TC-4850型爆破振動記錄儀，為獲得爆區周邊介質的地震波傳播規律，沿爆區中心與保護物的方向上布置一條測線，按距爆破點 25、30、35、40、45 m布設，在不同距離測得振動速度。

5.3 監測結果

通過對爆破期間實際監測到的爆破質點振動數據作為樣本進行整理，經過對數據的分類、篩選，選取16組數據采用薩道夫斯基公式進行回歸分析（見表 4）。

表4_監測數據樣本

建立函數模型：Y＝C＋αX

采用回歸軟件分析結果見圖6。

圖6 K、α值回歸結果

根據回歸公式，α＝1.84；C＝2.31進而求得k＝102.31＝204。

通過對場地地質條件指數和衰減系數的計算，可以得到該場地條件下的地震波傳播規律為：

本次實際爆破k、α值選取基本合理。爆破振動均控制在1.0 cm／s以內，距離建筑物50 m范圍內的數碼電子雷管爆破開挖范圍，結合爆破振動衰減規律，可得最大單響藥量q＝2.7 kg。

將估算結果、實測結果及實際爆破控制振速進行對比（見表5）。

表5_振速對比 cm／s

可以明顯看到，計算結果和實測結果均滿足本次爆破安全振動要求。但是根據本次回歸分析結論得出的振動數據較實際監測數據有了更進一步的降低，更偏安全。因此對原有爆破方案進行調整。

6 工程效果

基坑從2017年3月開始施工，同年6月全部爆破結束，整個爆破施工歷時90 d，前后大小爆破上百次，每次爆破方量約1 500 m3，平均每月完成爆破、挖裝、清運12×104m3，爆破塊度符合裝運要求，滿足現場運力要求。爆破高程符合設計要求，滿足整體工期要求。

施工過程中的振動監測數據結果顯示，合理的爆破參數結合一系列的減振措施，減振效果明顯，降振值達到了40%，小于工程周邊建筑實際控制振速，基坑圍護結構及鄰近的邊坡安全。飛石影像資料監測記錄表明爆破飛石得到了有效控制與防護，爆破前后對場地的噴霧灑水有效降低了爆破灰塵。達到了經濟效益和施工絕對安全雙向目標，得到業主及周邊住戶的一致好評。

7 結論

合理的控制爆破技術是實現爆破施工高效益、高質量、低危害的有效辦法。通過對沙坪壩鐵路樞紐綜合改造工程站東路基坑控制爆破開挖工程方案優化以及后期結合實際情況對爆破參數和網路的優化總結，結合本工程的施工過程及技術難點，對于鬧市區的基坑爆破主要做以下幾點總結：

（1）多打孔少裝藥、單次逐孔起爆錯峰振動，避免多排起爆能有效降低爆破振動。

（2）采用微差爆破能有效控制一次起爆最大藥量，把爆破振動控制在有效范圍內，確保了周邊建筑和設施的安全。

（3）落實加強現場振動監測，根據工程實施過程中的實際變化情況及時進行調整，保證爆破振動控制在允許范圍內，避免引起與周邊居民及相關單位的糾紛。