长沙地铁 2号线西湖公园-溁湾镇区间隧道控制爆破技术

王双龙

(中铁十七局集团第六工程有限公司, 福建福州 350014)

长沙地铁 2号线西湖公园-溁湾镇区间隧道控制爆破技术

王双龙

(中铁十七局集团第六工程有限公司, 福建福州 350014)

长沙市地铁 2号线西湖公园-溁湾镇区间隧道长约 421 m,地质为强风化或中风化泥(砂)质板岩。介绍了在浅埋层和软弱围岩条件下的钻爆法施工设计,按照“短进尺、多循环、弱爆破、强支护、勤监测”的施工方案和遵循“多打孔,少装药”的控制爆破原则,安全顺利地下穿地面建(构)筑物,达到了少超、欠挖效果和节省投资、降低工程成本的目的。

软弱围岩;隧道掘进;钻爆法;微差爆破

1 工程概况

长沙市地铁二号线西湖公园站-溁湾镇站区间(YDK3+562.03～YDK3+983.89)长 421 m,采用暗挖钻爆法施工。西-溁区间隧道周围环境如图1 所示,隧道处在枫林一路北侧人行道和山体下面,路面距隧道顶部 18 m左右。枫林一路北侧从东至西沿线有武警医院、湘海大酒店、3～4层砖混结构民宅等建筑物,距左侧隧道中心线水平距离 3～10 m;枫林一路南侧从东至西沿线有港湾宾馆、西娜湾宾馆、望城信用社、市交管处、加油站等建筑物,距右侧隧道水平距离 25 m。

图1 西-溁区间隧道平面周围环境

西-溁区间隧道采用分离式单线洞马蹄形断面结构,开挖断面尺寸为宽 6.30 m×高 6.60 m,开挖面积 34.5 m2,两隧道线间距 7～13 m。隧道基岩为泥(砂)质板岩,隧道底板位于微风化和中风化层的Ⅳ、Ⅴ级围岩,以Ⅳ级居多;隧道边墙位于强风化层和中风化层的Ⅳ、Ⅴ级围岩,各占一半;隧道拱顶位于强风化和中风化层中的 Ⅳ、Ⅴ级围岩,以 Ⅴ级居多。

2 隧道开挖施工方案和钻爆法方案

(1)开挖施工方案。西-溁区间隧道严格遵循“短进尺、多循环、弱爆破、强支护、勤监测”的开挖施工方案。隧道开挖采用短台阶法,洞身拱部超前3～5 m;然后拱部与洞身的下半部同时爆破开挖,洞身开挖后,立即进行喷锚支护;沿洞顶打设超前导管;在围岩极风化、破碎、松散的情况下,采用微差控制爆破先打通拱部(开挖后马上予以支护);采用微差控制爆破开挖下半部拉中槽、挖马口并予以支护。

(2)钻爆法施工方案。本区间隧道暗挖段钻爆法要遵循多打孔、少装药的控制爆破技术原则。该岩石强度是属破碎的软弱围岩(Rb＜30 MPa),为此该围岩爆破设计的总体方案采用短台阶法施工,上、下台阶断面均采用微差控制爆破技术:掏槽采用抛掷爆破;拱部采用光面爆破;边墙采用预裂爆破;核心部分采用弱松动爆破,减轻爆破对围岩的扰动,减轻振动强度,维护围岩自身的稳定性,使隧道轮廓成形良好。

3 钻爆法设计

3.1 钻爆法药孔参数设计

根据浅埋层和软弱围岩隧道的特点,隧道掘进顺利进行的关键之一是上台阶循环进尺,为此,对上台阶设计了 0.8～1.0 m、1.2～1.5 m及 1.8 m 3种循环进尺。循环进尺为 1 m时药孔参数如下:

炮孔直径(D)为 42 mm;周边孔间距 E=(10～16)D=45～55 cm;光爆层厚度 W=65～90 cm;当循环进尺 1.0 m时:掏槽孔孔深 1.2 m,辅助孔 1.0 m,周边孔 1.0 m,底板孔 1.0 m;上台阶炮孔数量N=44个;单孔药量见表1。

表1 上下台阶爆破参数

3.2 炮孔布置设计

上台阶炮孔布置:掏槽孔布设在上半断面中央或岩性较软地带,其上台阶炮孔布置如图2所示,上台阶布设炮孔约 44个。

图2 上台阶爆破孔位布置(单位:m)

下台阶炮孔布置:通过多次试验,优化后的炮孔设计及爆破参数见表1。

3.3 爆破网路设计

(1)微差时间。选定各段间隔时间应大于 100 ms。当上下台阶同时爆破时,上下台阶采用毫秒 7段的导爆管雷管联接,以保证上下台阶错开起爆间隔时间满足振动波不叠加要求。

(2)起爆顺序为掏槽孔-扩大孔-底板孔-周边孔。辅助孔由里向外逐层起爆。

(3)起爆网络及起爆。采取孔内微差,孔外大把扎的形式,单发导爆管雷管起爆的导爆管数不宜超过 20根,并且导爆管应均匀分布在雷管周围,绑扎紧,而且雷管的聚能穴方向与导爆管传爆方向相反。

(4)击发针起爆。为了避免杂散电流的影响,采用击发针起爆导爆管雷管再起爆非电网路。导爆管传递冲击波激发起爆元件(即非电毫秒雷管)。

4 异常地段爆破的特殊处理

4.1 拱部软岩洞身硬岩的爆破设计

西-溁区间隧道左右线有部分地段拱部为软岩,洞身为硬岩的上软下硬地层,如暗挖里程 ZDK3+570.634地段、暗挖里程 ZDK3+740.000～ZDK3+770.000地段就是这种结构。所以在钻爆开挖中为了确保地面建筑物和地下构筑物的安全,防止隧道上方因振动引起的坍塌及洞内初期支护的振动破坏,必须对软弱围岩地层单独进行爆破设计,具体方法是:在设计轮廓线上布置 1排直径 40 mm,间距 30 cm的密孔,孔内不装药,靠近密孔的 1排为减弱加密炮孔,装药量为正常装药量的一半,间距 40 cm,其内侧为正常装药孔,并同时起爆。

4.2 临近建(构)筑物爆破震动安全校核

在里程 ZDK3+648.200有 Ф2.4 m的污水管,底部距隧道顶部 6.3 m,管埋深 6.5 m。在里程ZDK3+774.700处有高 3.5 m、宽 4.87 m的过街通道,底部距隧道顶部 9.5 m。在里程 ZDK3+685～ZDK3+780、ZDK3+910～ZDK3+978段有邻近或穿越地面房屋。以上这些地段爆破容易造成污水管渗水、过街通道下沉、地面建筑开裂倾斜的现象。

(1)根据《爆破安全规程》(GB6722-2003)确定建(构)筑物地震波震速控制标准和爆破药量。根据类似工程经验,隧道上方陈旧房屋、污水管、过街通道、加油站等建(构)筑物保护对象采用的安全控制标准见表2。

以污水管为例:底部距隧道顶部 6.31 m,取污水管底部至隧道中心距 R=9.7 m,取污水管允许震动速度 V=5 cm/s,K=100、α=1.5,则:Qmax=其它建(构)筑物允许一次起爆药量见表2。

表2 建(构)筑物的安全允许震速(Vmax)与一次起爆药量(Qmax)的关系

以上部分计算数据表明必须采用毫秒延时爆破技术,严格控制最大一段起爆药量。

(2)根据爆破震动实测数据线性回归结果修正取值标准。区间隧道爆破时进行第三方爆破测震,根据爆破震动监测得到的测试数据,对爆破震动速度衰减主要是垂直震动速度进行了一元线性回归和了二元线性回归,得到爆破地震垂直震动速度传播规律的萨氏公式:

代入相应参数后,其震动速度均小于表2数值。

5 爆破体会

本次隧道爆破掘进的主要问题是避免掘进过程中隧道塌方和控制爆破振动引起建(构)筑物破坏,爆破施工中的以下几点确保了隧道掘进的顺利进行。

(1)充分利用浅埋暗挖施工技术,减少爆破施工引起地面有害沉降。通过采用加长导管注浆形成超前棚架支护体系,结合钢格栅网喷砼支护体系,提高大断面掘进时纵向承载能力,控制洞室在开挖过程中初始地表沉降值;采用分部掘进支护技术,将大断面施工化大为小,并在施工过程中做到逐环及时封闭,增强支护体系抗振能力,降低爆破振动对地面沉降叠加影响量值。

(2)必须采用微差控制爆破技术。实行多循环、短进尺(每循环进尺 0.8～1.5 m)、弱爆破、上下台阶分段微差延时起爆,减少最大分段药量,将爆破振动降低到最低限值。并可保证每段起爆时间间隔大于 100 ms时,避免振波叠加。

(3)在爆破体与保护体之间钻凿不装药的单排、双排减振孔降振非常明显。

(4)当根据经验公式,计算出一次爆破的最大装药量计装药量大于容许临界振动速度,又无其他可靠降振措施时,循环进尺控制在 1.2 m以内,循环爆破方量小,一次爆破用药量小。

[1] 汪旭光.爆破手册[M].北京:冶金工业出版社,2010.

[2] 于亚伦.工程爆破理论与技术 [M].北京:冶金工业出版社,2004.

[3] GB6722-2003.爆破安全规程[S].

[4] 陈西霞,杨和平.城市地下工程浅埋暗挖与控爆技术应用[J].西部探矿工程,2009,5(增刊).

[5] 齐景岳.隧道控制爆破技术[J].隧道标准设计,2006,(11).

2011-07-04)

王双龙(1979-),男,工程师,项目经理,主要从事工程技术工作。