城市軌交隧道豎井快速爆破技術的應用研究

田 磊

（江蘇省礦業工程集團有限公司，江蘇 徐州 221000）

隨著城市建設的高速發展，土地的開發已由地表逐漸轉向地下。在巖石層較淺城市地鐵建設施工中都會遇到巖石爆破，為了加快隧道貫通，通常在預設地鐵站之間加設施工用豎井來完成隧道雙向掘進施工。本文通過系統開展豎井控制爆破施工技術研究，制定中心區域預處理微差爆破優化方案。

1 工程概況

徐州市軌道交通2 號線一期工程中心醫院站～淮塔東路站區間， 起止里程右K10+834.237～K11+729.773，區 間 長 約896m。在右K11+392 設置一座臨時施工豎井，豎井內徑6m×8m，深36.8m。

豎井位于解放南路奎山公園東南部，與淮塔烈士陵園北門斜相望約110m，其間的解放南路位于兩景區之間，距豎井口約60m，車流量、人流量較大。井口東側與在建的別墅區相距約40m、圍墻30m，井口北側、西側為奎山公園空曠地帶，整體爆破環境較為復雜。周圍環境見圖1。

圖1 豎井周圍環境圖

根據地質勘探資料顯示：豎井從上至下依次為雜填土（2m）、黏土（6.5m）、中風化灰巖（28.5m）。中心醫院站～淮塔東路站區間主要涉及⑿1-3、⑿4-3 中風化灰巖。區域巖體總體強度較高，等級Ⅲ～Ⅳ級。地質條件情況見表1。

表1 豎井地質條件情況

2 爆破方案選擇及其機理

目前行業內井巷（含豎井）掘進一般是用炮孔深度小于5m、炮孔直徑小于50mm 的淺孔爆破，其爆破作業最大的特點是只有一個自由面，因此炮孔深度受到一定限制。由于巖石夾制作用限制，每次爆破炮孔利用率較低，而且爆破產生裂縫對下一工作面鉆孔和爆破作業施工帶來不安全因素。

本項目采取中心區域預處理微差爆破法。其原理是在爆破作業工作面中心鉆一空孔，空孔直徑Φ105mm，深度1.2m，中心1m2區域布置4 個Φ40mm 炮孔，深度1.5m。對這4 個炮孔裝藥預先爆破、清理爆破石方，形成臺階爆破需要的自由面，同時對剩余工作面區域進行鉆孔，采用毫秒延期雷管微差起爆逐排爆破方法，最終取得較低的爆破危害效應和較好的炮孔利用率。

在中心區域4 個炮孔裝藥爆破時，預先在炮孔底部鋪設10cm 空氣墊，對空氣沖擊波起阻滯作用，降低爆炸對孔底下部巖石的破壞作用。

3 爆破參數設計

擬選用淺孔弱松動控制爆破方法，同時加強炮孔覆蓋防護。主要鉆爆參數有孔徑、孔間距、緩沖長度、超深等。

3.1 鉆孔參數設計

在井巷掘進爆破工作面上的炮孔，中間部位的炮孔稱為掏槽孔。由于Ⅲ-Ⅳ級圍巖整體性較好，選取分層爆破臺階1.2m，孔距1m，排距1m。布孔共7 排，每排9 個孔，每作業面上共計63 孔。圖中，中間5 個孔為預處理炮孔，包括1 個中心空孔及4 個楔形孔。5 個掏槽孔除中心孔垂直鉆孔外，其周邊4 個孔向中心方向傾斜，傾斜角度為80 度。為不損傷圍巖和護壁，周邊孔多用垂直孔[1]，所以其余58 個孔均為垂直鉆孔，超深10cm。布孔示意圖和預處理炮孔斷面圖分別見圖2 和圖3。

3.2 單孔裝藥量的確定

每孔裝藥量按下式計算：

式中：

q-單位炸藥消耗量，與深孔臺階爆破單位炸藥消耗量相比，淺孔臺階爆破的炸藥單耗值應大些，巖石堅固性系數f 為6～8 時，q=0.65～0.73kg/m3；

a-孔距，m；

H-臺階高度，m；

W-最小抵抗線，m。

其中， 中心區域掏槽孔： 單孔裝藥量Q1=0.53kg。

輔助孔：單孔裝藥量Q2=0.43kg。

周邊孔：為了降低周邊孔對井壁的擾動，裝藥量按照輔助孔的0.8 倍計算，單孔裝藥量Q3=0.8×Q2=0.34kg。

圖2 豎井爆破作業布孔圖（單位：cm）

圖3 豎井開挖單層臺階高度及預處理炮孔斷面圖（cm）

3.3 起爆網路的設計和原理

豎井掘進爆破，多采用電雷管起爆網路和導爆管雷管起爆網路。

在電雷管起爆網路中，串聯網路由于工作條件差易發生拒爆現象，在豎井掘進中極少采用。在并聯網路中，隨著雷管并聯組數目的增加，起爆電流也增大，必須采用高能量起爆電源。

導爆管雷管起爆網路多采用接力式簇聯網路，即用一發或兩發電雷管，也可用電激發針激發一發或兩發導爆管雷管引爆若干發捆綁孔內導爆管雷管。由于導爆管雷管具有良好的抗雜散電流性能，因此在捆綁連線工作時，可以同步進行吊放爬梯和覆蓋防護用炮被，有利于提高施工速度。

綜合考慮選用導爆管雷管微差起爆網路，具體為同一圈炮孔內每4 ～5 個連續炮孔依次裝填MS1段、MS3 段、MS5 段、MS7 段導爆管雷管，每10個孔內雷管使用兩發導爆管雷管綁扎，最后用高能脈沖起爆器激發起爆針起爆。

3.4 爆破有害效應控制優化

本工程中爆破容易產生的危害效應包括爆破振動、爆破空氣沖擊波及噪聲、爆破個別飛散物和爆破粉塵等。根據《爆破安全規程》中的規定，對爆破振動、爆破飛石等爆破危害進行安全校核、優化設計，盡可能減少爆破危害效應[2]。

3.4.1 爆破振動的控制

根據《爆破安全規程》推薦采用爆破振動的計算公式：

式中：

v-地面質點峰值振動速度，cm/s；

Q-炸藥量（齊爆時為總裝藥量，延遲爆破時為最大一段裝藥量），kg；

R-觀測（計算）點到爆源的距離，m；

K、α-與爆破點至計算點間的地形、地質條件有關的系數和衰減系數，根據本工程的實際情況，中等堅硬巖石K取值200，α取1.6。

根據《爆破安全規程》中爆破振動安全允許標準，本項目振動速度控制值為2.5cm/s，本項目最近需保護建筑物距離爆源中心30m。由上述已知參數，通過振動速度計算公式可推算出一次爆破最大用藥量，即：

由計算結果可知，一次齊爆允許最大裝藥量為7.30kg。而設計每段延期炮孔最多5 個，單孔裝藥量0.43kg，總裝藥量為2.15kg，僅為允許最大裝藥量的29%，爆破振動速度遠小于安全規程控制值。

實測顯示，采用毫秒延期微差爆破，限制一次爆破的最大起爆藥量，是降低爆破振動效應的有效手段。

3.4.2 爆破空氣沖擊波及噪聲的控制

炸藥在巖石中爆炸，高溫高壓的爆炸產物就從巖石破裂瞬間沖入周圍空氣中，強烈地壓縮臨近的空氣，使其壓力、密度、溫度突然升高，形成空氣沖擊波[3]。除產生空氣沖擊波外，還會發出聲響形成噪聲。本項目采取防護措施如下：

（1）采用毫秒延期技術，來削弱空氣沖擊波的強度，降低爆破噪聲的初始能量。

（2）避免在地面敷設雷管等爆炸物，將裸露地面的雷管用沙、土掩蓋。

（3）加強孔口填塞質量和炮被覆蓋措施。

（4）采用水封爆破。爆破時在覆蓋物上再放置水袋。

3.4.3 爆破個別飛散物的控制

爆破時，個別飛石的飛散距離受地形、風向和風力、堵塞質量、爆破參數等的影響，一般按如下公式計算：

式中：

Rf-爆破飛石的安全距離，m；

n-爆破作用指數（標準拋擲爆破n=1.0，加強拋擲爆破n>1.0，減弱拋擲爆破或加強松動爆破1>n>0.75，松動爆破n≤0.75），本工程n取0.75；

W-最小抵抗線，本工程為1.0m；

Kf-安全系數，一般為1～1.5。

經計算Rf=20×1×0.752×1=11.25m。從計算結果可以看出，個別飛石影響較小，但考慮到地處鬧市區域和巖石存在斷層情況，本項目實際采取的措施有：

（1）適當調整裝藥位置，通過間隔裝藥用炮泥填塞軟弱層防止弱面形成飛石。

（2）裝藥前有水孔采用高風壓吹水，防止炸藥上浮，造成填塞長度過小，導致沖炮產生飛石。

（3）采用強度高、質量大、韌性好的橡膠炮被，交叉放置將爆區覆蓋嚴密。

4 應用效果

每次爆破后，經現場清運碎石整理，實際測量爆破深度，除少數臺階爆破深度小于1m 外，炮孔利用率基本達到85%以上，已完全達到預期爆破效果。每次爆破測量結果見表2。

從測得的爆破深度數據可以看出，每次爆破開挖炮孔利用率接近80%，前三次主要由于表層巖石風化程度高，節理發育所致。

5 結 語

工程施工技術直接影響工程的質量和進度，選擇工期短、投資少、安全可靠、綠色環保的設計、施工方案具有重要現實意義。本工程采用中心空孔及預處理措施，形成新的爆破自由面，減少待爆巖石的夾制作用，使炮孔的利用率提高，縮短了施工周期，實現了降噪降振。此種爆破技術在城市中心類似工程爆破對提高工程進度和施工安全具有參考借鑒意義。

表2 爆破深度監測結果

炮孔利用率9 1.02 1.30 78.5%10 1.02 1.30 78.5%11 1.03 1.30 79.2%12 1.02 1.30 78.5%13 1.04 1.30 80.0%14 1.03 1.30 79.2%序號 單次臺階爆后開挖深度/m炮孔深度/m