城市軌道交通盾構區間基巖突起深孔爆破預處理技術

于飛YU Fei

（中鐵九局集團第四工程有限公司，沈陽 110001）

1 工程概況

本文列舉廈門地鐵4號線盾構區間。在此施工過程中，通過地勘探查，發現盾構區間（DK49+346.897-DK49+670.000）存在中微風化孤石及基巖突起，巖面侵入隧道全斷面、半斷面以上及半斷面以下。盾構機在面臨著地層上軟下硬或全斷面為中、微風化巖石情況下進行掘進工作，盾構姿態難以控制，安全風險性極大。本段的基巖處理時間較短、工期要求嚴，若采用沖孔碎巖技術，加之管線改遷費時費力，無法滿足工期要求。本次采用地面地質鉆機成孔技術，利用深孔爆破法對孤石和突起基巖進行預處理，將工期控制在可控范圍內，增強整體工程安全管理質量。考慮到管線保護問題，明確管線位置后，在無法正常施鉆的情況下進行開挖探溝工作，保證鉆孔間距在1.2m之內。如果部分孔位無法布設，在靠近管線的位置進行斜向鉆孔作業即可更好的保證爆破效果。區間盾構孤石及基巖爆破后，塊度最大邊尺寸小于30cm，滿足盾構機排渣要求。

2 施工工藝流程及操作要點

2.1 工藝流程

在地鐵盾構施工過程中運用深孔爆破預處理技術，初期階段的勘察工作是重中之重，通過初期勘察先探明線路中的孤石及基巖突起位置、大小、厚度、長度、巖性等要素，在路面上圍擋施工場地并相應疏解交通。在爆破作業過程，需要充分利用軟巖的臨空面，對由低向高處的鉆孔進行分組起爆。為了更好的控制爆破的震速，在高于兩米的巖面要采用不耦合間隔裝藥模式。爆破順序主要采用孔內多段毫秒延時爆破等技術措施，逐孔起爆。當采用多個工作面，微差分段爆破時，如局部出現孤石可以優先鉆孔裝藥破碎。在實施爆破后，結合監測控制系統來分析爆破振速，及時調整爆破參數。（圖1）

圖1爆破施工流程圖

2.2 操作要點

2.2.1 測量放線及管線調查、保護

在實際的深孔爆破預處理技術運用中，首先要確定測量放線的位置并進行管線調查保護。在地面放線時須確定鉆孔位置和范圍。鉆孔之前，要與相關單位進行有效溝通，避免重要管線受到影響。

2.2.2 爆破設計

2.2.2.1 爆破參數設計

①炮孔布置。

圖2盾構基巖突起炮孔布置示意圖

圖3盾構基巖突起炮孔梅花形布置示意圖

為了得到巖石最好的破碎效果，采用梅花形狀布孔。炮孔的孔距、排距較小，盾構巖石a=b=50～70cm，炮孔密集系數m=a/b=1～1.2，確保爆破后的巖石“裂紋區”相互重疊較多。盾構機設計直徑Φ6970mm，假設基巖突起占全斷面，隧道拱頂到地面的距離為16m。進行梅花形布孔，對微風化巖石炮孔距取a=b=60cm，對中風化巖石炮孔距取a=b=70cm。為了能把巖石全部破碎，不留有欠炸巖坎，因此超爆范圍在盾構機開挖面外，超炸范圍為1.0m。（圖2、圖3）

②炸藥單耗。

基巖突起位置在地表16m以下，即被爆巖石上有厚度16m的覆蓋層，該覆蓋層由雜填土、素填土、粘土、雜填石、孤石或部分基巖等土石構成，因被爆巖石被厚重壓蓋著；沒有臨空面。鑒于上面原因，利用先爆炸的藥包在巖體內激起的壓縮波從自由面反射形成拉伸波后，使應力波相互迭加，可增大巖石內的拉應力，增強了對巖體的破碎作用，提高了炮眼利用率，改善了爆破效果。通過爆破試驗，一般可取5.0～10.0kg/m3。微差爆破時先期起爆的裝藥為后繼裝藥創造了一個新的自由面，同時也在巖石中造成了一定的破壞，產生裂隙。在其他條件相同時，兩個臨空面比一個臨空面能降低炸藥單耗，提高了爆破效果。

2.2.2.2 鉆孔

地質鉆機用于在盾構線路的巖石上鉆孔。裝藥部分的爆破孔徑為90mm，為垂直孔。在鉆孔過程中，覆蓋層應使用PVC管保護孔。鉆孔至設計深度后，必須徹底清除孔中的礫石、沉積物及泥漿，并保持爆破孔暢通。記錄了鉆孔長度和巖石中的覆蓋層。爆破孔的位置和垂直度應準確，因此鉆孔時應采取以下措施。應使用全站儀等測量儀器和設備確定爆破孔的孔距和排距。當地質鉆機穿過覆蓋層進入巖石時，應減小地質鉆機的向下力和旋轉速度，以確保鉆機在遇到斜坡巖面或不規則巖面時不發生偏移，從而確保巖石中爆破孔的位置和垂直度。

2.2.2.3 裝藥

將乳化炸藥放入內徑為60mm的PVC管中，放置2~4枚雷管。裝藥長度大于待爆破巖層的厚度。炸藥底部（炮孔底部）填充50~100cm長的細砂配重，使裝藥能隨水自動下沉至炮孔底部，即裝藥不會在水孔中漂浮。用膠帶和其他材料堵住PVC管的兩端。

藥包加工完畢后，在炸藥上端的PVC管上對稱鉆兩個小孔，從兩個小孔中穿入細麻繩，形成一根雙股承重繩，總長度大于孔深2m，并在繩上綁上紅色小布條等明顯標記進行標記。

裝藥要有兩個人配合。一個人拿藥包，一個人拿著炮棍，慢慢按壓藥袋，使藥袋逐漸下降到鉆孔底部。炮棍也是一根PVC管制作，每根管長4m，每根管的一端都是擴口的。因此，PVC管可以直接相互連接，以達到所需的長度。每個炮孔裝藥完成后，可以拆卸和收回重復使用。

2.2.2.4 炮孔堵塞

藥包就位后，緩慢向炮孔內灌砂，封堵長度大于5m。

2.2.2.5 炮孔覆蓋

在盾構巖石爆破中，由于裝藥位于地下深處，不會產生飛石，但爆破后產生的高壓氣體可能會將炮孔中的泥漿壓出孔外。為了防止泥漿飛濺，炮孔需要架空保護和重型壓蓋，架空高度為0.6m。整體焊接鋼支撐籠用于架空，支撐籠底部焊接或加固，橡膠板綁在鋼筋網上，混凝土塊等重物堆放在橡膠板上。配重后每個支撐籠的重量大于2000kg。鋼支撐籠的尺寸為：長、寬、高=2.0m*2.0m*12m，與鋼筋、角鋼等焊接，用汽車吊堆放鋼支撐籠。

2.2.2.6 爆破網路

采用非電導爆管毫秒雷管，簇聯式。段延時的時間間隔為25~50ms，實現了孔或排之間的毫秒延遲啟動。每個炮孔配備2~4枚雷管，非電導爆管毫秒雷管網絡使用專用雷管引爆。一次起爆的孔數根據允許起爆段的最大裝藥量確定。

逐孔或逐排起爆方式，如圖4所示，圖中：J—逐孔起爆方式，K—逐排起爆方式，數字代表雷管段別號，即起爆順序。

圖4 逐孔、逐排起爆網路示意圖

爆破網絡連接完成后，確認所有人員均在危險區域外，通往爆破區域及鄰近區域的道路暫時封鎖后，發出起爆信號，進行起爆。

2.2.2.7 創建地下臨空面

由于地下盾構區間的孤石及基巖突起的爆破是在覆蓋層較厚、不開挖的情況下進行的，即沒有自由面，即使使用大量炸藥單耗，也很難完全破碎巖石，達到最長邊小于30cm的礫石爆破效果。因此，創建地下臨空面，為巖石的充分破碎創造了有利條件。具體方法如下：

創建基巖突起臨空面：在基巖突出物中取空孔（不裝藥），空孔位于第一排中心爆破孔附近，距裝藥爆破孔15~20cm，均勻布置2~4個空孔，空孔深度比裝藥爆破孔深1.0m，直徑大于100mm。被空孔包圍的爆破孔首先引爆，而其他爆破孔滯后并逐漸引爆，先后起爆的裝藥爆后破碎下來的巖塊在運動過程中發生碰撞，借助其動能再度引起破碎。同時由于碰撞能量消耗，巖塊運動的速度、拋擲的距離也得以減弱，這樣就使爆破下來的巖塊均勻，大塊率低，且拋擲的距離近，巖塊集中。如圖5所示。圖中1MS、3MS和5MS~13MS是毫秒雷管段別號。

圖5創建基巖突起臨空面的炮孔布置及起爆順序示意圖

2.2.3 爆破安全驗算

2.2.3.1 爆破飛石距離估算

爆破飛石預防難度較大，爆破飛石等對附近單位施工人員等的危害應尤其要引起高度重視。爆破飛石距離可采用下式進行估算：R=20Kn2W

其中，K為飛石系數，可取0.1~1.5；n為最大爆炸作用指數；W為最小抵抗線。

盾構孤石和基巖突起爆破，在地面16m以下，相對覆蓋層的炸藥單耗小于0.05kg/m3，屬于超弱松動爆破，表現為“內部作用藥包”形式，也就是地面沒有變化；因此不存在爆破飛石現象，但需對炮孔進行堵塞和孔口架空（留泄氣泄壓口）重型壓蓋。

2.2.3.2 爆破振動安全距離及相應最大段藥量

施工中，爆破振動不能損壞區間沿線（主要為在建翔安西路）路面兩側民房、架空線路、地下Φ100mm通信管線等建筑設施；因此必須嚴格限制最大段藥量。為此，下面依據《爆破安全規程》GB6722—2014的爆破振動速度計算公式，計算不同建筑物在不同距離允許的最大段藥量，以確保每個建筑物的安全。

式中：R－爆破地震安全距離，m；Q－炸藥量，kg，毫秒延時爆破取最大一段藥量；v－振動安全速度，cm/s；K、α－與爆破地點地形、地質等條件有關的系數和衰減系數，根據廈門地區花崗巖性質和以往經驗，可取K＝150、α=1.5。

爆破施工中所采用的最大段藥量，應根據實際觀測到的爆破振速數據進行調整。所設計的單孔最大藥量應符合規程的要求，否則減小炮孔深度、巖石爆破厚度，即受爆破振動影響最大的建（構）筑物，需采用減振孔、電子雷管等措施進一步降振；若仍達不到安全要求，在這些建筑物附近的巖石采用靜態破碎、人工機械破碎等非傳統爆破方式進行處理。

2.2.4 警戒及起爆

在進行起爆作業時，要對周邊進行警戒，爆破作業明顯位置應張貼爆破安全告示。在實際爆破作業中，以爆破中心周圍50m為安全警戒線，統一爆破警戒信號和起爆信號，并在準備階段派專業安全管理人員清理現場。在確認所有人員可以撤離安全區后，安全人員將在警戒線內發出信號指示，并通知爆破組長。預警工作完成后，可下達準爆破指令，順利完成起爆工作。

2.2.5 效果檢查

爆破振動的程度與特性很大程度上取決于爆破地點的介質特征。如果爆破所在地區地質比較堅硬，其振動的基礎頻率相對而言就比較高，振動維持的時間會顯著減少，振動的幅度會越來越低。如果爆破具體位置屬于松軟地質則以上幾種震動參數的變化就會出現相反趨勢。除此之外，還要考慮到爆破具體位置的自身情況，同樣會受到這個地點介質特性所影響，這樣就會使振動的周期以及振動大小等各方面出現變化情況，加入爆破振動效應以后，使振動波的傳播發生各項反常變化，并會對其預測造成很大影響。爆破效果查看主要是對巖石的塊度進行檢查的過程。在每一次爆破作業完成后，在相鄰炮孔間通過二次鉆孔取芯來檢驗被爆巖體塊度是否滿足30cm的要求。若發現超過30cm的巖柱則須利用相鄰的兩孔之間的檢查鉆孔進行重新裝藥工作，并對該孔周圍的巖石進行再次爆破，直至滿足塊度處理的要求。

3 結語

綜上所述，在一些地層軟硬不均的地段采用爆破預處理方式能夠縮短工期，有效避免管線改簽及占道辦理等問題，在保障管線安全的同時，提高盾構掘進速度，節約建設成本，提升社會經濟效益。該方法的實際應用為同類工程施工帶來良好的示范效應，可得到廣泛的推廣應用。