邻近地铁的岩石和工程支撑梁爆破施工技术

北京铁路局 北京 100860

0 引言

近年来，随着我国经济的高速发展，城市建筑业的发展进程加快，城市内既有建筑附近的深基坑工程施工越来越多，技术日益多样化且日趋成熟。但是在城市深基坑施工中，有基岩控制爆破的则不多见，遑论在客流量大且沿既有建筑物基础边缘的深基坑中进行岩石爆破的施工。根据以往爆破施工及本工程成功的爆破实践表明，在邻近地铁及人行道路的深基坑爆破施工中，可以采取灵活的爆破方法，合理选择炮孔位置和最小抵抗线方向，充分利用场地现有地质条件并做好切实可行的防护措施[1,2]。

1 工程概况

广州某深基坑工程位于荔湾区地铁1号线坑口站站前，西侧距地铁车站站厅最近距离约4.5 m。本项目基坑深约19.4 m，基坑所在场地地层地质处于岩石强风化带（K2d2，层号为⑦）、岩石中风化带（K2d2，层号为⑧）、岩石微风化带（K2d2，层号为⑨）等，岩石坚硬，采用爆破施工，基坑岩石爆破量约12×105m3。

按照国家《爆破安全规程》（GB 6722—2003）及广州市公安部门的管理规定，在繁华市区、邻近地铁等既有建筑、交通主干道边等实施爆破，属于复杂环境爆破，必须严格控制爆破引起的振动、飞石、冲击波及噪声等因素。

本工程基坑紧邻地铁站，必须采取切实可行且安全有效的措施，在保证爆破效果、工期满足相关要求的同时，确保周围设施及环境安全。为满足以上要求，决定采用微差控制爆破方案和静态破碎相结合的施工方法。

2 微差振动爆破方案的实施

2.1 开挖、爆破方案设计

结合本工程地质情况和基坑设计形式，基坑开挖遵循“纵向分段、竖向分层、先支撑后开挖”的原则。总体顺序沿车站纵向流水工作面方向台阶开挖，爆破顺序与开挖基本相同（图1）。

图1 基坑开挖（爆破）顺序

根据紧邻地铁及周边设施实施爆破的相关要求，基坑岩石爆破时应按照“多打孔、少装药、短进尺、弱振动”的原则及台阶浅眼松动微差控制爆破的方法进行施工。为避免岩石爆破后大块碎块的产生，可采用梅花形布孔、排间微差起爆的方式进行施工。由于岩石爆破过程中不可避免地会产生振动及飞石，为了创造良好的施工环境效果及安全，要求在施工过程中，严格控制一次起爆的药量。

考虑到基坑及维护结构在施工过程中的安全性，在邻近基坑边缘2 m范围设置缓冲区，在缓冲区爆破施工时应采取浅孔台阶弱松动爆破的施工方法，且临空面应朝向基坑内衬内侧，缓冲区内应预留松动石方，此区域松动石方可采用挖机等振动小的施工机械及人员进行拆除。为了保证基底岩石完整且控制好超、欠挖等情况，在施工至接近基底时，炮孔深度应控制在基底上30 cm，爆破后此区域的剩余部分应采用机械进行凿除。

另外，基坑西侧为地铁车站，车站跨度较大，外观有损坏，如地铁车站墙体、外柱等有裂缝，车站东西侧均有裂缝，框架的砌体有水平裂缝和斜向裂缝。从设计剖面图可见，车站桩基终孔于风化泥质砂岩，由于风化、水位变化作用，容易对基础产生不利影响。经综合考虑，本设计确定基坑内西侧距地下连续墙20 m为非爆破区，非爆破区采用静态破碎与炮机打凿相结合的施工方法，具体设置如图2所示。

图2 非爆破区设置示意

2.2 爆破参数选取

台阶松动爆破的炮孔布置如图3所示。

图3 炮孔布置示意

基坑西侧近地铁设施部分爆破台阶高度，段高h≤2.0 m，工作线长度不大于20 m。远离地铁设施或基坑连续墙，段高h≤5.0 m。炮孔布置前后排采用梅花布孔，以便改善爆破效果，爆破参数见表1。

爆破高度小于2 m地段，应适当加密炮孔，调整孔网参数，增大超深，减少单孔装药量，以保证足够的炮孔填塞长度，防止产生爆破飞石。

表1 爆破参数表（浅孔）

2.3 装药、填塞和起爆网路设计及防护

本工程岩石及支撑梁爆破采用φ32 mm乳化炸药，采用可以连续装药的结构，炮孔应用黄泥或岩粉等材料进行填塞，当经过计算后发现单孔装药量导致填塞减少时，应优先满足填塞长度；非电导爆管雷管的塑料管要保护好。

起爆网路采用非电导爆管起爆网路。采用簇联起爆网路，为了确保准爆，浅孔爆破每孔均需放置一发雷管，同时还需要选择合理的毫秒微差时间。浅孔爆破非电导爆管雷管的连接方式见图4。

图4 非电起爆网路示意

由于时间间隔对降低爆破振动效应以及改善爆破效果有重要作用，故应充分考虑及确定合理的时间间隔，药包直径、孔网参数和岩石的物理力学、地质等因素是确定微差间隔时间的主要考虑参数[3,4]。经分析及计算后，本工程采用50 ms的微差时间间隔，即雷管级别1～9段跳段使用，10～15段顺段使用。

2.4 爆破的起爆药量控制

爆破振动安全允许距离公式：

式中：R——与爆源的安全距离；

Q——最大起爆药量；

K、α——与地形、地质有关的系数；

V——振动安全速度。

根据周围保护对象（地铁车站）的标准，取建筑物V=2.0 cm/s，能可靠满足重要设施的安全；按《爆破安全规程》（GB 6722—2003），取K=150、α=1.8。

确定爆破单段最大起爆药量公式：

经计算确定本工程爆区距地铁结构边线的距离为20 m时，单段最大起爆药量不得超过6.0 kg。岩石爆破每个爆区总药量不超过200 kg。

2.5 基坑内邻近支撑系统格构柱爆破施工

基坑内格构柱作为后期基坑支撑体系的有效组成，在基岩爆破实施中应确保钢构柱安全，钢构柱附近的岩石爆破采用如图5所示的爆破顺序。

图5 钢构柱附近岩石爆破顺序

2.6 保护地下连续墙安全的爆破施工

基坑岩石爆破采用划分爆破区域的爆破方法，将基坑分成：A主爆破区，B松动爆破区，C弱松动爆破区。其爆破顺序依次为：A主爆破区→B松动爆破区→C弱松动爆破区（图6）。

图6 保护地下连续墙的爆破工艺

2.7 飞石防护

爆破个别飞石距离计算公式为：

式中：Rf——个别飞石的安全距离，m；

D——炮孔直径，英寸，取D=40/25.4=1.57英寸。

计算得Rf=31.4 m，过程中采用微差爆破，保证填塞质量，同时控制爆破的主导方向朝向空旷方向，避免爆破主导方向朝着重要设施，在被爆岩体上面进行满钢板覆盖防护，减少飞石飞散距离，爆区覆盖铁板，铁板上再压砂包，绝不可不压或用石头压。爆区平面覆盖防护见图7。

2.8 爆破安全距离

综合考虑振动、飞石、噪声及冲击波等因素，最终确定本工程的警戒距离为距地下连续墙外边线40 m范围，爆破时应确保邻近道路、地铁站周边及人行道、所有人员及机械均撤离至安全区域后，再实施爆破，重点部位应加强警戒。

图7 爆区防护示意

3 对地铁的影响及处理措施

3.1 对地铁的影响

本次爆破区域在市区内且邻近地铁，属于复杂环境的爆破施工，由于爆破时产生的冲击波衰减较快，对邻近设施产生危害的空气冲击波超压值与距爆区距离的三次方成反比，因此爆破过程中不可避免地会对邻近地铁设施造成不利影响。如可能会使地铁车站墙体、外柱等产生裂缝，由于车站桩基终孔于风化泥质砂岩，爆破过程中容易对基础产生不利影响，甚至于对地铁的运营产生影响。

3.2 处理措施

为避免上述情况的发生，本工程采取了以下措施，确保爆破过程中地铁设施的安全。

1）设置非爆破区：在邻近地铁站边线20 m范围内先行断开，设置为非爆破区，该区域内不宜采取爆破法拆除支撑梁，而用炮机或静态膨胀剂破碎施工。

2）设置减振沟槽：在远离地铁设施结构边线20 m以外实施爆破时，尽量在距地铁设施较近位置先爆破，形成减振沟槽，使爆破振动减弱，最大限度地保护地铁设施。

3）控制单段起爆药量：按照爆破振动速度不大于2.0 cm/s的设计依据，严格控制单段起爆药量。原则上尽量多分段，并结合爆破振动的实际测量结果，严格控制爆破振动。

4）控制爆破主导方向：在近地铁设施一侧实施爆破时，先用炮机打凿或用静态膨胀剂破碎离地铁设施较近一侧的混凝土支撑，以形成切断效应，使爆破振动传不到地铁设施，最大限度地保护地铁设施。

4 爆破效果评价

施工现场严格按照爆破方案进行布眼、打孔、装药、联线、防护以及起爆、振动检测，经过试爆以及正式施工爆破，振速均严格控制在了2.0 cm/s内，飞石未出基坑，噪声和尘土均满足要求，爆破效果良好，基坑工程顺利完工，达到预期效果。设计部门根据本工程特点并经过计算，确定监测工程的警戒值如下：

1）地下连续墙测斜：墙顶最大位移不得超过25 mm，警戒值取20 mm，每天发展不得超过2 mm；墙顶最大竖向位移不得超过15 mm，警戒值取12 mm，每天发展不得超过2 mm；地下连续墙深层最大位移不得超过40 mm，警戒值取32 mm，每天发展不得超过3 mm。

2）周边地铁等既有建筑：地铁拱脚处最大位移不得超过10 mm，警戒值取8 mm，每天发展不得超过2 mm。地铁站沉降量与时间关系曲线如图8所示。

图8 基坑邻近建（构）筑物沉降量-时间关系曲线

3）基坑外水位：基坑开挖过程中坑外水位下降不得超过2 000 mm，每天发展不得超过800 mm。

5 结语

基坑岩石及支撑梁工程施工采用爆破法可以降低工人的劳动强度、节约能源、保证施工进度、缩短工期、提高施工效率，最重要的是在城市密集建筑区深基坑爆破开挖施工时，可在保证深基坑本身及邻近地铁安全的前提下大大提高拆除效率。

爆破振速与基坑地质关系很大，首先地质参数应准确，以计算岩石与炸药匹配；其次不能完全套用经验系数，必须进行试爆，并对参数进行调整，合理的爆破参数才能更好地控制爆破安全风险[5,6]。

在施工中由于采用了一系列的综合爆破减振措施，使得开挖爆破对周边建筑物（尤其是地铁站）的影响降到了最低程度。在实际的爆破施工中，对爆破的各种易发、常发安全隐患要提前预控、周密防范，做好应对措施，确保爆破施工安全。