孔外延時網(wǎng)路在地鐵減振爆破施工中的應(yīng)用

趙康林，王書峰，喻偉峰，楊宏射

(1.中鐵隧道集團(tuán)二處有限公司，河北 三河 065201；2.青島市市政工程管理處，山東 青島 266000)

城市地鐵暗挖隧道周邊環(huán)境日益復(fù)雜，爆破振動安全風(fēng)險越來越被重視,傳統(tǒng)礦山法隧道開挖方式已不適應(yīng)目前爆破振動安全的要求，因?yàn)樵摲椒ㄒ话悴捎每變?nèi)延時聯(lián)網(wǎng)爆破，但應(yīng)對減振爆破時，普通雷管段數(shù)有限的劣勢較為凸顯，需分多次爆破控制振速，這對安全、工期、效益等均不利。

目前，廣大學(xué)者在如何降低爆破振速方面做了大量的研究與試驗(yàn)工作，如龔敏等[1]通過定制雷管增加段別來控制爆破振速；李立功等[2]通過減振孔與水壓爆破以及延時爆破相組合的技術(shù)來控制隧道爆破振速；龔敏等[3]以實(shí)測雷管各段準(zhǔn)確延時范圍為基礎(chǔ)，針對性的進(jìn)行掏槽和分段設(shè)計(jì)來控制爆破振速；管曉明等[4]采用多級楔形掏槽與分部爆破以及孔內(nèi)外延時來控制爆破振速；杜小剛等[5]通過監(jiān)測振速、動態(tài)調(diào)整爆破設(shè)計(jì)；歐仙榮[6]通過電子雷管起爆來控制振速；張俊兵等[7]通過預(yù)裂爆破和預(yù)留光爆層方法結(jié)合不同的掏槽方式來控制爆破振速；閆鴻浩等[8]通過調(diào)整掏槽孔、擴(kuò)槽孔和輔助孔的位置來控制爆破振速；王軍濤等[9]采用大直徑掏槽控制爆破振速；石洪超等[10]通過掏槽孔間隔裝藥與孔內(nèi)分段延時起爆達(dá)到減振效果。

總體而言，目前爆破振動控制研究基本圍繞在孔內(nèi)延時分段的基礎(chǔ)上優(yōu)化爆破參數(shù)，打設(shè)減振孔等輔助措施的范圍內(nèi)。為此，在青島地鐵8號線閆～南區(qū)間爆破開挖施工中，結(jié)合前人研究的成果和地鐵工程實(shí)踐，并在應(yīng)用常規(guī)雷管前提下，通過對孔內(nèi)及孔內(nèi)外同時延時聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用總結(jié)基礎(chǔ)上，借鑒明挖隧道的爆破經(jīng)驗(yàn)，采用孔外延時起爆網(wǎng)路方式，圍繞現(xiàn)場實(shí)踐應(yīng)用進(jìn)行改進(jìn)，效果較好。

1 工程概況

青島地鐵8號線閆～南區(qū)間采用“礦山法+雙護(hù)盾TBM法”施工，受周邊環(huán)境限制，TBM采用側(cè)向平移始發(fā)，在始發(fā)井與區(qū)間正線之間設(shè)置47.3 m長平移橫通道(見圖1)。橫通道需垂直下穿中航37號廠房，南側(cè)臨近中航科技樓、前哨大酒店，西側(cè)下穿周口路，北側(cè)臨近閆家山村民房(見表1)。

圖1 閆～南區(qū)間始發(fā)平移橫通道周邊環(huán)境
Fig.1 Surrounding environment of the horizontal passage of the initial translation in the Yan-Nan section

表1 閆～南區(qū)間始發(fā)井周圍礦山法段周邊建(構(gòu))筑物

Table 1 Buildings (structures) around the mine section around the starting shaft in the Yan-Nan section

序號建筑物名稱結(jié)構(gòu)型式層數(shù)與爆區(qū)相對位置與隧道結(jié)構(gòu)外皮距離/m備注爆破振動安全允許標(biāo)準(zhǔn)/(cm·s-1)1閆家山村(待拆遷)砌磚結(jié)構(gòu)1后盲洞上方16.65無地下室0.52中航37號廠房及配房框架結(jié)構(gòu)1橫通道上方9.04無地下室1.53中航科技樓框架結(jié)構(gòu)6弧形導(dǎo)洞上方17.60無地下室1.04前哨大酒店框架結(jié)構(gòu)5弧形導(dǎo)洞上方19.99無地下室1.5

橫通道斷面的尺寸為：寬×高=15.8 m ×13.44 m，拱頂覆土埋深約9 m，圍巖為IV1-IV2-V級，巖體節(jié)理發(fā)育，較為破碎，采用CRD工法開挖(見圖2)。

圖2 始發(fā)橫通道結(jié)構(gòu)斷面尺寸
Fig.2 Cross-section size of the structure of the original transverse passage

2 橫通道控制爆破設(shè)計(jì)

根據(jù)周邊情況確定爆破施工方案，橫通道CRD工法開挖步序?yàn)椋篒→II→III→IV→V→VI。先錯距爆破開挖橫通道上部I、II部，采用YT-28型手持式風(fēng)動鑿巖機(jī)短臺階開挖，乳化炸藥直徑φ32 mm，炮孔直徑d=42 mm，不耦合系數(shù)1.31；上臺階采用二級復(fù)式垂直楔形掏槽，分級楔形掏槽可逐步減小爆破夾制作用，分散單孔藥量的集中度，以求獲得較大的掏槽空間，降低爆破振動，必要時中間設(shè)置φ150 mm中空減振孔2個[7]。周邊孔間距a拱=500 mm，邊墻a墻=550 mm，光爆層厚(最小抵抗線)W=600 mm，相對距E/W=0.8，輔助孔間距650～700 mm，排距600～650 mm，炮孔鄰近系數(shù)m≈1.0，裝藥集中度0.2～0.4 kg/m，炸藥單耗≈1.05 kg/m3，炮孔深度考慮循環(huán)進(jìn)尺(IV級段0.75 m，V級圍巖段0.5 m)，并考慮炮孔利用率0.95，確定炮孔深度為IV級0.80 m，V級0.55 m，底板孔較掘進(jìn)孔深10～20 cm，裝藥結(jié)構(gòu)采用孔底集中裝藥，孔口填塞長度不小于20 cm，采用機(jī)械加工成品炮泥，確保填塞質(zhì)量。下臺階利用上臺階臨空面爆破。IV圍巖I部炮孔布置參數(shù)如圖3所示。

注：1～17表示毫秒雷管段別
圖3 IV圍巖I部炮孔及雷管段別布置
Fig.3 Layout of I blasthole and detonator section in IV surrounding rock

3 孔外延時網(wǎng)路及效果分析

先期暗挖隧道爆破采用孔內(nèi)延時 “一把抓”聯(lián)網(wǎng)方式，但分段數(shù)量有限，因?yàn)閼?yīng)對減振爆破時，可用延時分段的總計(jì)只有18個段別，如斷面過大，炮孔數(shù)過多，則需分次爆破以降低齊爆藥量Q。同時需嚴(yán)格控制同段別聯(lián)網(wǎng)孔數(shù)，聯(lián)網(wǎng)孔數(shù)過多操作繁瑣，增加聯(lián)網(wǎng)時間，容易出錯造成盲炮及傳爆雷管腳線炸斷，超振及二次處理風(fēng)險較大，另外分次爆破擾動圍巖，進(jìn)尺受限，降效嚴(yán)重，不利于隧道開挖風(fēng)險及進(jìn)度控制。

而孔內(nèi)、外同時延時雖較孔內(nèi)延時分段數(shù)量增加，但該網(wǎng)路既要考慮孔內(nèi)分段，又需考慮孔外聯(lián)網(wǎng)分段，操作較孔內(nèi)延時聯(lián)網(wǎng)更加繁瑣，更易出錯，導(dǎo)致爆破振速超標(biāo)。

3.1 網(wǎng)路設(shè)計(jì)

經(jīng)應(yīng)用總結(jié)孔內(nèi)延時、孔內(nèi)外同時延時爆破的優(yōu)缺點(diǎn)，借鑒明挖隧道爆破中常用的孔內(nèi)高段位雷管起爆、孔外低段位接力延時的起爆網(wǎng)路方式，改用單獨(dú)孔外延時方式聯(lián)網(wǎng)：孔外依舊使用MS3雷管，孔內(nèi)統(tǒng)一均采用MS20雷管，事先理論計(jì)算出最大單段齊爆藥量Q，對應(yīng)確定掏槽孔、輔助孔、周邊孔，最大一次簇聯(lián)炮孔孔數(shù)，嚴(yán)格以掏槽孔→輔助孔→周邊孔順序，對應(yīng)孔外采用MS3雷管依次將各分簇串聯(lián)成網(wǎng)，按最大齊爆藥量控制簇聯(lián)孔數(shù)，僅通過孔外串聯(lián)聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)延時爆破(見圖4)。

注：圖中數(shù)字表示雷管段別
圖4 橫通道I部上孔外延時網(wǎng)路
Fig.4 Delay circuit outside the upper hole in the first part of the transverse passage

但孔外延時聯(lián)網(wǎng)方式仍受孔外段別串聯(lián)數(shù)量限制，需通過理論計(jì)算，確保孔外MS3雷管全部引爆后，孔內(nèi)第一發(fā)雷管方才引爆炸藥，防止孔外導(dǎo)爆管斷線造成傳爆失敗，計(jì)算方式：孔外串聯(lián)段別數(shù)量n=孔內(nèi)雷管延時時間/孔外雷管延時時間(考慮延時誤差精度)。以本工點(diǎn)為例，孔內(nèi)均采用MS20雷管，則n=(2000-150)/(50+10)=30.8≈31(考慮延時精度誤差)，對比孔內(nèi)延時大大增加分段數(shù)量，可有效提高一次爆破斷面面積。

3.2 應(yīng)用效果

孔外延時聯(lián)網(wǎng)方式總體操作簡單，無需考慮孔內(nèi)各個段別，僅需考慮孔外串聯(lián)時簇聯(lián)炮孔孔數(shù)即可，其最大分段可達(dá)31段，最大限度的滿足分段減振起爆要求，振速控制效果較孔內(nèi)延時及孔內(nèi)外延時良好(見表2)，其仍按照光爆順序爆破，爆破成型效果良好，很大程度上避免了分次鉆孔、分次爆破對圍巖的擾動，利于隧道風(fēng)險及超、欠挖控制，但因主要靠孔外毫秒雷管分段延時，孔外雷管數(shù)量較其他聯(lián)網(wǎng)方式消耗明顯增加較多。

表2 橫通道爆破7個循環(huán)振速監(jiān)測

3.3 應(yīng)用問題及改進(jìn)措施

1)應(yīng)用問題

在前期應(yīng)用過程中，孔外延時聯(lián)網(wǎng)方式多次發(fā)生傳爆失敗、爆破成型差等問題，經(jīng)過分析，主要原因是隧道開挖為垂直斷面，孔外導(dǎo)爆雷管節(jié)點(diǎn)保護(hù)難度較大，爆炸產(chǎn)生的鐵皮碎屑容易割斷其他未傳爆的導(dǎo)爆管線，造成傳爆失敗(見圖5)；其次是孔內(nèi)外段別用錯、裝填不牢、連接質(zhì)量不高、未嚴(yán)格按照既定裝藥參數(shù)裝藥等情況，導(dǎo)致孔內(nèi)提前爆破，傳爆失敗或振速超標(biāo)。

圖5 孔外延時傳爆現(xiàn)狀
Fig.5 Situation of delay explosion transmission outside the hole

孔外延時因孔外串聯(lián)組數(shù)較多，傳爆失敗概率較其他聯(lián)網(wǎng)方式高，但好在孔內(nèi)雷管段別均為MS20，處理相對孔內(nèi)延時、孔內(nèi)外延時聯(lián)網(wǎng)簡單，但風(fēng)險依然存在，必須采取防護(hù)措施，盡量避免斷響事件。

明挖土石方爆破導(dǎo)爆管節(jié)點(diǎn)保護(hù)采用砂石覆蓋、蓋紙板、壓石頭等措施；暗挖隧道爆破斷面為垂直面，斷面下部的節(jié)點(diǎn)可放置地面保護(hù)，但斷面上部節(jié)點(diǎn)無法覆蓋和充分防護(hù)。

2)改進(jìn)措施

針對孔內(nèi)外段別用錯問題，在裝藥聯(lián)網(wǎng)過程中，分別設(shè)專人負(fù)責(zé)孔內(nèi)、孔外雷管發(fā)放連接，避免用混，完成聯(lián)網(wǎng)后，技術(shù)員需認(rèn)真復(fù)查網(wǎng)路。

針對聯(lián)接質(zhì)量不高問題，考慮起爆電線要求較高，稍微破皮就影響傳爆，優(yōu)先選用導(dǎo)爆管進(jìn)行傳爆。同時，簇聯(lián)節(jié)點(diǎn)捆綁長度在15～20 cm，用黑膠布纏繞幾層，捆牢固，一般簇聯(lián)導(dǎo)爆管不超過15根，如超過則需對應(yīng)增加雷管，并均勻分布其四周，防止斷響事件。四通使用時注意防水，避免浸泡進(jìn)水。

針對孔內(nèi)雷管填塞不牢問題，雷管采用反向裝填，炸藥裝填采用PVC管頂緊至孔底，孔口按要求填塞炮泥。

針對振速超標(biāo)及成型較差問題，在每循環(huán)裝藥前，對工人進(jìn)行爆破交底，詳細(xì)說明周邊孔、輔助孔、掏槽孔具體裝藥參數(shù)，并強(qiáng)調(diào)相應(yīng)各類炮孔串聯(lián)孔數(shù)要求及串聯(lián)順序，過程加強(qiáng)盯控，做好網(wǎng)路復(fù)查，確保爆破順序正確。

針對部分導(dǎo)爆管節(jié)點(diǎn)無法防護(hù)問題，采用打設(shè)防護(hù)孔的防護(hù)措施。具體為，在斷面適當(dāng)位置打設(shè)15～20 cm深的防護(hù)孔，將串聯(lián)節(jié)點(diǎn)塞入防護(hù)孔，并在防護(hù)孔外塞紙殼或炮泥防護(hù)。防護(hù)孔位置需考慮串聯(lián)節(jié)點(diǎn)實(shí)際位置設(shè)置，一般中間設(shè)置兩個用以防護(hù)掏槽孔傳爆節(jié)點(diǎn)，其他根據(jù)需要靈活設(shè)置，可利用內(nèi)圈炮孔充當(dāng)防護(hù)孔(見圖6)。經(jīng)現(xiàn)場應(yīng)用實(shí)踐，反饋良好，很好的避免了傳爆失敗。

圖6 孔外延時串聯(lián)節(jié)點(diǎn)塞入防護(hù)孔防護(hù)措施
Fig.6 Protective measures for inserting protective holes into delay series joints outside the hole

4 結(jié)語

通過借鑒隧道明挖爆破的經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過現(xiàn)場實(shí)踐應(yīng)用總結(jié)，將孔外延時聯(lián)網(wǎng)技術(shù)成功應(yīng)用到了地鐵暗挖隧道減振爆破中，對比其他常規(guī)延時聯(lián)網(wǎng)方式，孔外延時聯(lián)網(wǎng)操作更簡單，適用斷面及振速要求更高的爆破工程，可最大程度減低分次爆破頻次，滿足減振要求，進(jìn)度及成本可控，單段爆破藥量可直接通過串聯(lián)炮孔孔數(shù)靈活調(diào)整，但應(yīng)用時須做好串聯(lián)節(jié)點(diǎn)防護(hù)、網(wǎng)路復(fù)查等工作。綜上，常規(guī)雷管孔外延時聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在地鐵隧道減振爆破的應(yīng)用，具有一定的參考和應(yīng)用指導(dǎo)價值。