復雜環(huán)境下地鐵基坑鉆爆開挖預裂減震技術(shù)

唐開富, 郭桂喜

(中國中鐵股份有限公司， 廣東廣州 510308)

1 工程概況

1.1 工程簡介

南石路站是廣州軌道交通十一號線第25座車站，車站基坑明挖段長326.2m，標準段寬為20.3m，最大開挖深度為25.9m。基坑開挖采用明挖順做法施工，鉆孔灌注樁圍護+鋼管(混凝土)支撐聯(lián)合圍護，基坑內(nèi)管井降水，車站圍護結(jié)構(gòu)如圖1所示。基坑開挖采取鉆爆開挖與機械開挖相結(jié)合的方式，根據(jù)地勘資料顯示，開挖巖體大部分為中風化泥質(zhì)粉砂巖。

圖1 車站圍護結(jié)構(gòu)剖面

1.2 施工周邊環(huán)境

車站站位所在地塊絕大部分位于已拆遷的廣州紙廠原廠區(qū)范圍內(nèi)，場地較為平整。周邊現(xiàn)狀：車站西端位于南石路以東廣州自行車飛輪廠用地內(nèi)，地勢局部比廣紙地塊低1m左右；站位中部北側(cè)為海珠區(qū)棣園村1～3層住宅；車站西端南側(cè)附近有一座110kv變電站，變電站圍墻距離主體基坑最近約為6.5m；變電站西側(cè)有一處高壓線塔，線塔距離主體基坑約10m。南石路周邊建筑物調(diào)查情況見表1，周邊環(huán)境詳見圖2、圖3所示。由此可見該地鐵車站基坑施工周邊環(huán)境復雜，開挖爆破振動控制與圍巖穩(wěn)定是工程施工中安全監(jiān)控的難點和重點。

圖2 周邊環(huán)境現(xiàn)狀

圖3 周邊環(huán)境平面示意

1.3 鉆爆開挖要求

(1)由于爆破開挖基坑周邊環(huán)境比較復雜，基坑開挖要求進行精心爆破設計并采取降震措施，依照GB6722-2014《爆破安全規(guī)程》中相關(guān)規(guī)定，結(jié)合實際情況，將爆破振動速度控制在4.0cm/s以內(nèi)。

(2)保護圍護結(jié)構(gòu)的安全。

(3)爆破后巖石塊度均勻，利于巖渣裝運。

2 鉆爆開挖方案

基坑開挖遵循“豎向分層、縱向分段、先支后挖、由中間向兩端推進”的施工原則，上部覆土和強風化松散巖層優(yōu)先采用機械開挖，下部堅硬巖則采用爆破開挖。在開挖期間預留出渣車輛通道，以便于渣堆裝運。根據(jù)開挖基坑周邊環(huán)境與施工要求，嚴格控制該地鐵車站基坑鉆爆開挖引起的爆破地震動強度，并保證施工周邊人員與建(構(gòu))筑物安全是施工監(jiān)控的難點和重點。因此，選擇適當?shù)你@爆施工工藝、嚴格控制單段最大起爆藥量以及合理選擇爆破參數(shù)和起爆網(wǎng)路，并在施工過程中加強爆破振動監(jiān)測，是基坑開挖爆破設計與施工中優(yōu)先考慮的問題。經(jīng)施工方案比較分析，該地鐵基坑開挖采用淺孔臺階松動爆破方案，主爆區(qū)起爆網(wǎng)路采用孔內(nèi)、孔外聯(lián)合網(wǎng)路，開挖邊界部位采用預裂爆破，以最大限度地將爆破地震波強度降到安全許可限度內(nèi)。考慮到施工現(xiàn)場照明線路較多，并且雜散電流較強，爆破器材選用國產(chǎn)新型導爆管雷管，以確保基坑鉆爆開挖施工安全。基坑開挖爆破遵循多打孔、少裝藥、多分段的施工原則，充分利用地震波的時空疊加相干作用，將爆破地震強度降低到最小。

表1 南石路站周邊建筑物統(tǒng)計

3 爆破設計

根據(jù)基坑開挖方案和爆破振動控制要求，開挖爆破區(qū)兩側(cè)墻打超前預裂孔，以阻隔爆破地震波的傳播，降低爆破震動對周邊建筑物的擾動。根據(jù)施工進度計劃、施工條件和設計的孔網(wǎng)參數(shù)，爆破工作線垂直車站基坑軸線布置，由中間向兩端推進。爆破施工要求所用炸藥不含任何有毒物質(zhì)，爆炸性能穩(wěn)定，炮煙少，因此炸藥選用具有抗水性能的2#巖石乳化炸藥，藥卷直徑為32mm，藥卷密度為0.95～1.1g/cm3，爆速不小于3 200m/s。

3.1 主爆孔爆破參數(shù)

(1)開挖深度：一般地分層開挖深度(即臺階高度)H=3.0m，實際依據(jù)地形進行調(diào)整。

(2)孔深與超深：孔深L=H+h，并隨地形變化而變化，其中超深h為開挖深度的0.1～0.15倍，實際取h=0.3m。

(3)炮孔直徑：孔徑D按鉆孔設備確定，D=70mm。

(4)底盤抵抗線：根據(jù)巖性和臺階高度選取，底盤抵抗線Wd=(0.4～1.0)H，經(jīng)試爆取Wd=2.2m。

(5)孔距和排距：孔距a=(1.0～2.0)Wd，為施工方便，實際取a=2m，排距b=a/m，m為炮孔密集系數(shù)，取m=1.15，則b=1.8m。

(6)炸藥單耗q：根據(jù)巖性和巖石爆破塊度要求，經(jīng)過試爆，該項目砂質(zhì)泥巖中q=0.20kg/m3。

(7)單孔裝藥量：單孔裝藥量按公式Q=qabL計算確定，單孔裝藥量應根據(jù)現(xiàn)場孔深及自由面情況進行調(diào)整。

(8)填塞長度：填塞長度L′=(0.8～1.0)Wd。

(9)裝藥結(jié)構(gòu)：采用連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)。

炮眼布置采用梅花型，每次爆破5 排，每排孔數(shù)依開挖區(qū)域面積調(diào)整確定。在開挖區(qū)域兩側(cè)邊線位置各布置1排預裂孔，炮孔布置如圖4所示。

圖4 炮孔布置與起爆網(wǎng)絡

3.2 預裂孔爆破參數(shù)

預裂孔直徑與主爆孔相同，即D=70mm。預裂孔的超深應大于主爆孔底部的垂直方向破裂半徑，根據(jù)經(jīng)驗公式確定，即h0>(10～20)D[2]，實際取h0=0.7m。預裂孔采用不耦合裝藥結(jié)構(gòu)，其不耦合系數(shù)為2.2，孔內(nèi)藥卷由導爆索串聯(lián)連接后接毫秒延期導爆管雷管，以實現(xiàn)微差爆破。預裂孔線裝藥量按如下經(jīng)驗公式計算：

qx= 0.034 × [σc]0.63[a]0.67

(1)

式中：qx為預裂孔線裝藥密度(kg/m)；σc為巖石極限抗壓強度(MPa)；a為預裂炮孔間距(m)。

按如下經(jīng)驗公式確定：

a= (8～12)D

(2)

式中炮孔直徑D=70mm，則其預裂炮孔間距應為56～84cm，實際取值60cm。開挖巖石的極限抗壓強度為38.5MPa，經(jīng)計算取qx=0.24kg/m。預裂孔填塞長度為0.6～0.8m。

3.3 起爆網(wǎng)絡

為有效控制爆破地震效應和爆破飛石，車站基坑開挖爆破網(wǎng)路采用孔內(nèi)、孔外聯(lián)合延時網(wǎng)路，優(yōu)先起爆預裂孔，然后起爆主爆孔。主爆孔采用中心V型起爆，起爆器材選用新型國產(chǎn)高精度導爆管雷管，孔內(nèi)延期時間為250ms，孔外延期時間為9ms，排間延期時間為25ms，預裂孔超前第一個主爆孔100ms起爆。為嚴格控制單段最大起爆藥量，起爆點兩側(cè)炮孔延期時間錯開8ms，以保證各個炮孔逐次接力起爆。炮孔布置與起爆網(wǎng)路如圖3所示。

4 預裂減震效果分析

4.1 爆破振動控制

該基坑開挖工程要求爆破振動速度控制在4.0cm/s以內(nèi)，于是爆破施工需嚴格控制單段最大起爆藥量。單段最大起爆藥量依據(jù)薩道夫斯基爆破振動速度公式進行測算：

(3)

式中：v為爆破振動速度(cm/s)；Q為單段最大起爆藥量(kg)；R為爆源中心到被保護對象的距離(m)；K、a為與地質(zhì)條件等有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)。

根據(jù)現(xiàn)場爆破振動監(jiān)測數(shù)據(jù)回歸分析，對于垂直振動方向，K=89.2，a=1.59，則保護對象所允許的最大單段藥量見表2。

表2 被保護對象所允許的最大段裝藥量

由此可見，爆破近區(qū)單段許可的最大起爆藥量為2.30kg，而基坑開挖爆破中實際單段最大起藥量為2.16kg，說明裝藥設計符合爆破振動控制要求。

4.2 減震效果驗證

在爆破施工過程中，分別在4處重點被保護對象近爆區(qū)各點布置TC-4850型爆破測振儀，對爆破振動速度進行監(jiān)測，所測最大爆破振動速度范圍見表3。

表3 監(jiān)測點最大爆破振動速度范圍

可見，該車站爆破開挖中所測得的爆破振動速度均遠小于工程要求的爆破振動速度，符合基坑爆破安全施工標準，確保了基坑鉆爆開挖不會對周邊建(構(gòu))筑物帶來危害。

5 結(jié) 論

(1)研究了復雜環(huán)境條件下城市地鐵車站基坑鉆爆開挖的合理施工方案，該方案大幅度降低爆破振動效應，進而能夠防止基坑開挖爆破施工對周圍建筑物和圍巖等的破壞。

(2)該地鐵車站明挖段爆破開挖工程爆破效果表明，基坑爆破所采用的孔內(nèi)、孔外延時的立體爆破網(wǎng)路不僅嚴格控制了單段最大起爆藥量，實現(xiàn)炮孔的相繼接力起爆。而且使爆破地震波在時間和空間上峰谷疊加，顯著降低爆破震動強度和控制爆破飛石，這是復雜環(huán)境下行之有效的爆破控制技術(shù)，實現(xiàn)了基坑鉆爆開挖的安全與高效。測點爆破振動監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，與單孔或排間起爆方式相比，采用立體爆破網(wǎng)路可使爆破振動峰值降低近35 %。

(3)在城市復雜環(huán)境下的爆破施工中應用預裂爆破技術(shù)是降低爆破震動強度的有效措施。預裂爆破在主爆區(qū)與被保護對象之間形成的預裂縫阻隔了爆破地震波的傳播，從而有效保護施工區(qū)的周邊建筑物。

(4)預裂爆破與孔內(nèi)、孔外延時的立體爆破網(wǎng)路的聯(lián)合使用實現(xiàn)了復雜環(huán)境下地鐵車站明挖段基坑鉆爆開挖的減震技術(shù)。