復雜環境下深基坑砂巖爆破

劉國軍

(1.甘肅省化工研究院有限責任公司，蘭州 730020；2.甘肅蘭金民用爆炸高新技術有限責任公司，蘭州 730020；3.甘肅省民用爆炸工程技術研究中心，蘭州 730020)

1 工程概況

隨著城市的不斷發展擴大，城市用地越來越緊張，為了滿足發展的需要，城市建設只能在高度和向地下找空間；伴隨著樓房高度的不斷增加，深基坑開挖已經是高層建設必不可少的環節，且基坑開挖深度越來越大，但是城市深基坑開挖周邊環境極為復雜，如何在深基坑爆破開挖中確保周邊環境的安全是深基坑開挖不可忽視的環節。蘭州名城廣場項目總占地面積約53 000 m2，建設用地面積約51 000 m2。開挖基坑深25 m，且基坑邊坡坡度較大，基坑周長1 200 m，根據工程地質調查及現場鉆探揭露，在基坑開挖過程中基坑由南至北高5～8 m不等需大面積開挖的泥質砂巖，機械開挖施工困難，需采用爆破方式進行開挖，爆破總方量約15萬m3。

1.1 工程環境

此次深基坑爆破開挖位于蘭州市鬧市區，周邊環境極為復雜，基坑北面緊鄰南濱河東路主干線及黃河濕地公園、黃河；西面為市民休閑娛樂廣場—霍去病廣場和雁灘黃河大橋，緊鄰G30高速公路黃河大橋；南面為蘭州市天水北路北口交通樞紐、天水北路高速收費站，距離開挖基坑30 m為3～4層普通民居，天慶家園小區、甘肅省高速公路管理處等；爆破周圍環境如圖1所示。

圖1 爆破環境Fig.1 Blasting environment

1.2 巖石結構特點

基坑開挖主要為中密～密實狀態的卵石和大厚度的第三系風化泥質砂巖層，場地地基物理力學性質整體較好，但局部地段受風化程度、成巖性等因素的影響，其性質存在差異性。自上而下分別為素填土1.5～2.2 m、雜填土2.3～6.2 m、粉細砂0.6～1.5 m、卵石4.0～12.8 m、中砂0.6～1.2 m、強風化泥質砂巖1.5～4.0 m、中風化泥質砂巖3～6 m。本次爆破主要為強風化泥質砂巖和中風化泥質砂巖段。

1.3 工程難點

由于此次新建建筑屬于超高層建筑，開挖基坑深度較大，且周邊環境較為復雜，對基坑開挖質量要求較高。爆破施工必須確保深基坑邊坡及基坑基地巖石不受爆破擾動影響，爆破有害效應嚴格控制在有效范圍之內[1-2]。主要難點：①基坑開挖深度較大，防止由于爆破振動引起基坑邊坡(圍護樁和土釘墻)損傷；②保證深基坑地板基巖部分不受爆破擾動影響；③深基坑周邊為砂質巖性，確保爆破振動不會造成周邊地基下陷，保證周邊民房的安全；④開挖基坑周圍環境復雜，尤其是居民樓較多，人流、車流量密集，要嚴格控制爆破飛石超出基坑周界范圍；⑤城市大面積爆破施工，嚴格控制粉塵對周邊環境的影響。

2 爆破方案

2.1 爆破精細分區

由于本次基坑爆破開挖巖石屬于中密～密實狀態的卵石和大厚度的第三系風化泥質砂巖層，擬建建筑高度較高，爆破對基坑地基的保護要求較為嚴格，如果由于爆破造成基坑原巖擾動，達不到地基承載力，將直接影響建筑物的高度；在爆破前通過試爆，監測采用中深孔爆破對地基的擾動深度超過1.5 m，采用淺孔爆破對地基的擾動深度小于0.5 m。在爆破安全防護參數指標不變的前提下，根據爆破周圍環境、現場施工條件及深基坑安全防護等，通過現場試驗，采取分層、分區、淺孔與深孔弱爆破的施工技術方案。爆破區內不同的爆點必須采取不同的爆破設計參數。

根據前期試爆相關監測數據，結合現場實際情況。決定開挖順序：基坑周邊8 m范圍內的爆破采用多打孔、少裝藥、小臺階淺孔爆破方式，開挖深度不大于1.5 m；基坑周邊8 m范圍外的爆破采用常規深孔爆破方式，開挖深度不大于5 m；為了減小爆破對基坑基底巖石的擾動，在爆破時，基坑底部預留500 mm保護層不進行爆破作業，待爆破結束采用人工或機械方式進行處理[3-4]。

2.2 爆破參數

①孔徑D：綜合現場施工條件、現有設備情況及施工安全的需要，穿孔設備選用小型履帶式淺孔鉆機。②最小抵抗線W：由于本次基坑開挖深度較大，為了保證爆破安全，同時滿足爆破效果，根據相關技術資料及施工經驗，取深孔W=2 m，淺孔W=1 m。③孔距a與排距b：為了保證爆破效果，降低爆破塊度，同時考慮到盡量降低單孔裝藥量，本次爆破采用大孔距小排距施工方案，一般孔距a=(1.0～1.5)W；排距b=W。④開挖深度H：本次基坑爆破開挖深度深孔不超過5 m，淺孔不超過1.5 m。⑤超深h1：根據《爆破安全規程》相關規定[3]，h1=(0.05～0.1)H，此處根據巖石性質深孔h1取0.5 m，淺孔h1取0.3 m。⑥鉆孔深度l：鉆孔深度為開挖深度加超深。⑦炸藥單耗q：該工程爆破開挖部分為砂巖或中風化砂巖，根據《爆破安全規程》及在市區相關工程施工經驗，深孔爆破炸藥單耗0.3 kg/m3，淺孔爆破炸藥單耗0.5 kg/m3；實際施工中，根據試爆情況及時進行調整[5]。⑧單孔藥量Q：根據公式Q=qabH計算。具體參數如表1所示。

表1 爆破參數

3 起爆網路

此次基坑爆破開挖周邊環境極為復雜，為了保證起爆網路的安全，起爆網路采用“非電毫秒延時塑料導爆管雷管”起爆系統。同時為了更好地控制爆破振動對基坑邊坡、周邊民房、高速公路高架橋、高速公路護坡等的安全，爆破網路連接采用逐孔起爆技術，嚴格控制單響起爆藥量，采用炮孔內裝MS11段高段位導爆管雷管，孔外接力用MS3段低段位導爆管雷管，排間MS5段順序起爆，每次起爆不超過4排；逐孔起爆網路如圖2所示。

圖2 起爆網路Fig.2 Initiation network

4 安全校核與防護

4.1 爆破飛石防護

爆破飛石距離是爆破目標表面介質在爆破沖擊波的推動下向四周激射飛散所致，因爆破區周邊環境較為復雜，爆破飛石的防護工作是保證爆破施工安全的關鍵因素之一。為了控制爆破飛石采取的措施：合理布孔，優化爆破參數，限定最小抵抗線和單孔藥量；精心施工，逐個檢查炮孔、孔位、孔深，確保填塞密實度和填塞長度；每次爆破作業，必須加強警戒，嚴防無關人員、車輛等進入警戒范圍內；為了保證爆破飛石安全，需采用加厚帆布、竹笆等進行覆蓋，重點部位采用土袋、砂袋等進行防護[6-7]。

4.2 爆破振動的評估

本次爆破振動重點保護對象為深基坑自身邊坡穩定性、深基坑地基，高速公路保證高架橋橋墩、普通民居及周邊砂質地基下陷等的安全。根據《爆破安全規程》[3]中規定，爆破振動對周圍建筑物破壞影響可采用下式計算：

(1)

式中：v為被保護物所在地質點振動速度，cm/s；k為與介質性質爆破有關的系數，100；k0為修正系數，取1；Q為延時爆破最大一段藥量，kg；R為爆破振動安全允許距離，m；α為衰減系數，α=2.0。

本次爆破周邊環境極為復雜，需要重點保護對象較多。根據計算，采用逐孔起爆技術，深孔爆破控制最大單響起爆藥量不超過10 kg，爆破對周圍建構筑物產生的振動速度小于國家相關標準規定的振動速度。為了保護爆破振動對深基坑邊坡及基底的擾動影響，采取如下措施：①在實際施工中，加強爆破振動監測，對回歸實際的K、α值，及時進行爆破參數的調整；②為了降低爆破振動對基坑地基擾動的影響，現場對基坑爆破部分進行現場監測，分析爆破前后地基分布力學性質的變化。按逐層爆破的方式，進行巖體波速測試，通過波速的衰減規律判定爆破開挖對地基巖體的損傷程度，及時調整爆破方案，盡可能使地基巖體不受擾動。同時，對各監測孔位均進行瞬態面波法測試，兩種方法相互驗證，互為補充，使所得監測結果真實可靠。爆破作業完成后，對主樓筏板基礎部分采用瞬態面波法測試，以便了解爆破作業對主樓筏板基礎部分的影響；③爆破前在基坑周邊布置1排減振孔，減振孔間隔1 000 mm，深度超過基坑開挖深度500 mm，孔徑為140 mm。

表2 爆破振速對比

4.3 爆破粉塵控制

在爆破工程中，爆破粉塵產生的主要途徑是鉆孔作業、爆破過程中巖石破碎產生的粉塵、爆破沖擊波引起的地表粉塵等。爆破粉塵是城市復雜環境下爆破作業的主要有害效應之一，為了防止爆破粉塵對周邊環境的影響。①鉆孔采用濕式鉆孔技術，裝藥回填采用細砂加水封堵方式降低鉆孔作業和爆破過程中巖石破碎產生的粉塵；②爆破前在基坑周邊每隔2 m提前架設水噴霧裝置，爆破時開啟裝置，使爆破作業現場形成水霧，有效地降低了爆破產生粉塵進一步擴散，將粉塵有效地控制在基坑范圍之內，達到了環保高效爆破作業的目的。

5 爆破效果

此次深基坑爆破開挖過程中，通過對爆破振動和地基擾動進行現場實地監測，及時調整爆破參數，采用淺孔和深孔相結合的弱爆破技術，基坑底部預留50 cm保留層，在50 d內成功完成深基坑15萬m3的爆破開挖任務。爆破對基坑底部巖石的擾動影響在允許范圍之內；同時通過現場濕式鉆孔作業和水噴霧裝置，有效地控制了城市復雜環境下爆破作業粉塵有害影響；采用預裂孔有效地保障了爆破振動深基坑邊坡及周邊建構筑物的安全，爆破取得圓滿成功，為在城市復雜環境下深基坑爆破開挖積累了一定的經驗。