某地鐵基坑爆破技術

王立飛 殷松松

（1、武漢地鐵橋隧管理有限公司，湖北 武漢 430000 2、武漢地鐵集團有限公司，湖北 武漢 430000）

爆破技術是巖土工程施工中常用的技術之一，它是利用炸藥爆炸時產生的巨大能量，使整塊巖石破碎成塊，然后再使用工具將石塊清運出去，達到降低工程施工難度的效果。由于爆破作業具有不確定性和高度的危險性，因此為了兼顧施工安全和爆破效果，必須要加強爆破技術管理。在掌握巖石爆破相關理論的基礎上，結合工程實際情況合理設計爆破方案，同時嚴格加強現場技術管理和安全管理，才能讓巖土工程項目順利建設完成。

1 巖石爆破基本理論

1.1 爆破漏斗

巖石爆破時，爆炸氣體產生的沖擊波和反射拉伸波會對巖石造成兩種形式的破壞：其一是導致巖石形成大量裂隙，使原本完成的巖體破碎；其二是造成巖石拋擲，以爆炸點為中心形成漏斗狀的爆破坑，即爆破漏斗，如圖1 所示。

圖1 爆破漏斗及其主要參數

結合圖1 可知，爆破漏斗的關鍵參數有：W 表示最小抵抗線，是爆炸點與自由面之間的垂直距離，在W 處巖體變形最為明顯，破碎效果最好；R 和r 分別表示爆破作用半徑和爆破漏斗半徑；H 和h 分別表示爆破漏斗最大深度和爆破漏斗可見深度。除了上述參數外，爆破漏斗張開角θ 和爆破作用指數n 也是影響巖石爆破效果的重要參數，其中n 取決于爆破漏斗半徑和最小抵抗線，可表示為：

1.2 爆破時巖石破壞特征

根據藥包排布形式的不同，可分為“單排多藥包”和“多排多藥包”兩種基本形式。當相鄰的2 個藥包同時爆炸時，在炮孔連心線上應力集中，爆破效果進一步加強。多炮孔爆破時，裝藥密度系數（ρ）是決定爆破效果的核心因素，其計算公式為：

式（2）中a 表示相鄰2 個炮孔之間的距離。結合工程實際，若ρ≥2，在爆炸點處可以出現兩個彼此獨立的爆破漏斗，雖然爆破面較大，但是底部破碎效果不理想；當ρ 在[1,2]之間，可以產生一個爆破漏斗，底部破碎效果有所改善；當ρ 在[0.6,1]之間，可以產生一個底部破碎充分的爆破漏斗；當ρ＜0.6 時，爆破漏斗半徑較小，巖石拋擲現象明顯。因此，在巖石爆破時為了達到最理想的爆破效果，應當使ρ 的取值范圍在0.6～1.0 之間。

1.3 爆破裝藥量計算

單孔裝藥量也是影響爆破效果的重要因素，關于裝藥量的計算方法有多種，比較典型的是Vauban 公式：

上式中Q 表示裝藥量，單位為kg；q 表示單位體積巖石用藥量，單位為kg/m3；V 為爆破漏斗的體積，單位為m3。若現場藥包采用集中布置，此時爆破作用指數n=1，根據式（1）可得r=W，則爆破漏斗體積V 為：

故標準投擲爆破的裝藥量Q 的計算公式為：

2 基坑爆破技術的應用

2.1 工程概況

某地鐵起止樁號為ZK22+160～ZK24+480，全長2320m（雙線）。其中地鐵站施工中因為基坑開挖作業需要，使用到爆破技術。該地鐵站總建筑面積10411m2，基坑長度208.5m，標準段寬度19.4m，總開挖土石方量預計61000m3。結合地質勘查資料，工程范圍內巖土結構自上而下分別為雜填土、素填土、淤泥質粘土、粉質黏土、殘積土、弱膠結泥質砂巖、中風化巖。

2.2 爆破方案設計

根據工程設計要求，地鐵站基坑開挖深度在16.44m～20.10m 之間。首先使用挖掘機等設備將表層松軟土挖開，大概挖至12m 左右后，可以到達中風化巖層。使巖層完全裸露后，根據爆破方案標記出炮孔位置，復核孔位后使用鉆機進行鉆孔。檢查炮孔成型情況，孔口及孔壁無開裂，孔徑、孔深、孔斜率等參數均符合要求后，清理炮孔內的殘渣。然后按照設計好的裝藥量填塞炸藥，準備爆破。本次工程中，預裂爆破孔徑為76mm，淺孔爆破孔徑為42mm，孔深0.4m，其他如炮孔角度、底盤抵抗線等關鍵參數的設計如表1 所示。

表1 淺孔臺階爆破的參數設計

需要注意的是，為避免基坑爆破時產生的沖擊波會造成外延面的拉裂，進而影響到基坑壁的穩定性，本工程中還使用到了預裂爆破方法。在基坑施工區域與非施工區域之間進行預裂爆破，讓爆區巖面與非爆區巖面之間產生裂縫，這樣進行基坑巖石爆破時不會對外側巖面產生沖擊影響，從而保證了工程安全。

2.3 起爆網路設計

本次工程中采用“孔內延時、孔外微差”的起爆設計。經過現場測算后，綜合考慮爆破效果和爆破安全，將孔外微差間隔設定為50-175ms。在起爆方式上，選擇了導爆管復式連接形式的非電起爆網路，設計延時100ms。另外，鑒于該地鐵站周邊還有其他建筑物，為減少爆破作業對既有建筑物的影響，現場爆破作業時選擇1-2 孔響的起爆方式。根據設計方案，一次起爆的炮孔數量≤30 個，一次起爆總藥量≤90kg。在這一標準下，起爆炮孔的具體數量還應綜合考慮爆破位置、工作面大小、地形地質等因素，最終確定拉槽爆破區域內起爆炮孔為26個，普通淺孔松動爆破區域內起爆炮孔36 個。現場施工人員采取“雙人制”作業模式，根據設計方案完成起爆網路的連接。對孔外傳爆雷管進行覆土，起爆順序與邊坡呈垂直角，可以降低爆破地震波對外坡圍巖的擾動。各個區域的起爆網路設計如圖2 所示。

圖2 起爆網路示意圖

2.4 起爆前的安全檢查

為保證基坑爆破作業安全，在正式起爆前還應開展必要的安全檢查，具體檢查事項如下：逐項檢查現場的起爆器材，保證能夠正常投入使用；重點檢查起爆網路聯接是否正確，必須嚴格按照爆破設計方案方案進行聯結；對于可能會對起爆網路產生破壞的位置，應當采取針對性的保護措施，避免爆破期間因為起爆網路問題而導致爆破中斷；敷設起爆網路時，必須嚴格執行“雙人作業制”，挑選經驗豐富的爆破技術人員，確保作業安全；在淺孔爆破作業中，由于使用了非電導爆管秒延時起爆，需要確定先爆炮孔不會對后爆破空的最小抵抗線產生明顯影響，否則需要更換為毫秒延時爆破；向炮孔中裝填炸藥時，如果出現了堵塞的情況，嚴禁用鉆桿等工具搗捅炸藥包，應將其拿出后確定造成堵塞的原因，解決問題后再重新放置藥包；出現雷雨等極端天氣時，需要中止現場作業，所有人員需撤離爆破作業區；在所有炮孔均裝填結束，并且無關人員全部撤離后，才能開始爆破。

2.5 爆破安全計算與校驗

本次爆破作業可能產生的危害主要有3 點，即爆破時產生的飛石，爆破有毒氣體以及爆破振動。由于現場露天作業，加上地面空地流動性較好，因此炮煙可以較快消散，對環境污染可忽略不計。使用微差爆破技術能夠最大程度上降低振動對周邊既有建筑物的負面影響。如上文所述，裝藥量會直接影響爆破效果，因此本次工程中炮孔的裝藥量，必須要考慮到作業區域與周邊建筑物之間的安全距離。基于爆破振動安全允許距離（R）的單孔裝藥量（Q）計算公式為：

上式中，V 表示保護對象振動安全允許速度，單位為cm/s；K 和α 分別是與地形、地質條件有關的系數與衰減指數。參考《爆破安全規程》（GB6722-2014），這里的K取165，α 取1.6。其中，安全距離與最大單段藥量的關系如表2 所示。

表2 安全距離與最大單段藥量的關系表（V=0.5cm/s）

2.6 爆破安全技術

通過加強爆破技術管理，能夠有效保證現場安全。本次工程中采取了以下安全技術措施：

首先是采用松動控制爆破技術，嚴格控制單個炮孔內的裝藥量，以確保炮孔填塞長度和質量。同時在基坑爆破作業時，在爆區表面覆蓋了由鐵絲網、竹芭、砂包等組成的一層安全防護網（如圖3 所示），這樣就能有效防止爆破飛石造成的人員傷害事故

圖3 基坑表面覆蓋防護示意圖

其次，密切做好作業區周邊建筑物的爆破振動監測工作，如果監測到較為明顯的振動，需要及時告知相關人員并做好建筑物地基加固處理。

最后，起爆后等待30min，并且觀察到爆破區域內不再有炮煙冒出后，再安排經驗豐富的爆破技術人員到現場進行爆堆檢查。

3 結論

地鐵基坑作業中使用爆破技術，一方面要結合現場情況做好爆破方案設計，精確計算爆破作業的相關參數，如炮孔的孔徑、孔深，炸藥的裝填量等，確保達到理想的巖石破碎效果，為下一步的基坑作業提供有利條件；另一方面還必須高度注意現場安全問題，特別是在炸藥裝填、起爆網路檢查等方面，必須要嚴格執行安全管理制度，把安全擺在首位。在本次地鐵基坑爆破作業中，取得了理想的爆破效果，且未出現安全事故，保證了地鐵基坑施工的順利開展。