城市地铁暗挖隧道爆破设计

施伯超

(福州市地铁建设工程质量安全监督站 福建福州 350001)

引 言

福州市地铁1#线达道站至上藤站区间暗挖隧道分为上行、下行两条，上行隧道长558m，下行隧道长558m。沿线穿过的岩层不同，且地面建构筑物较多又密集，多为老旧居民区。其中SK13－600处竖井和SKl3+800－14+000段穿越居民区暗挖隧道是本次隧道爆破的控制重点。如何做好减振爆破控制至关重要。

1 地质情况简介

1.1 岩层分布

沿线岩体主要为燕山早期侵入混合二长花岗岩及燕山晚期辉长岩，呈球状岩，沿线各地段均有揭露，按其风化程度分为;全、强、中、微风化四个区带，基岩风化带的力学强度高－较高，工程性能好－较好。勘探过程中未发现有临空面或软弱夹层。岩层由上至下分为:

①强风化带:可分为散体状强风化和碎块状强风化两层，散体状揭露厚度1.10～15.6m，顶板标高12.38～34.2m。碎块状揭露厚度为19m，顶板标高8.28～25.80m。

②中风化带:揭露厚度为 30.50m，顶板标高 4.48～50.80M，岩体基本质量等级为II类。

③微风化带:揭露最大厚度12.10m，顶板标高11.22～25.96m，中压缩性，物理力学性质较好。

1.2 隧道沿线工程地质和围岩分类

①洞门段

隧道进口段为空地，隧道洞口坡体基本稳定，斜坡上植被稍发育，覆盖强风化岩层，厚度约1.10～15.6m，岩土强度较低，洞门段为强风化至中风化岩体，岩石风化较剧烈。隧道进出口围岩主要为坡积土及强风化、中风化混合二长花岗岩，岩体较破碎－破碎，围岩级别Ⅳ－V级。

②洞身段

隧道洞身围岩主要为微风化混合二长花岗岩，局部地段为微风化辉长岩等，岩石较坚硬－坚硬，岩体较完整－完整，节理裂隙发育差－较差。隧道洞身围岩级别为II－III级。

③破碎段

隧道穿越两处构造带，该地段由于受F1、F2断裂构造及隧道顶板距离地面厚度约6.0m的浅埋段影响，隧道围岩级别会相应降低，地下水较丰富，岩体力学性能相对较差，围岩级别为IV－V级。

2 隧道开挖爆破施工设计原则

①不同地段的岩性采用不同的开挖方法爆破掘进;

②在F1、F2破碎带段，采用超前砂浆锚杆管棚支护，再进行浅孔，小药量爆破;

③在穿越地面建筑地段，采用多台阶爆破，控制弧顶装药量，控制爆破振动，减小爆破振动对地面建筑物的扰动;

④在靠近公路附近段采用超前预裂孔、短进尺、快掘、快支、速成巷方法爆破;

⑤采用非电起爆网路起爆，起爆要在安全距离外起爆，确保爆破安全;

⑥洞口明挖及近洞口爆破，采用小台阶浅孔松动爆破法施爆;

⑦洞口明挖及近洞口爆破，要采用防飞石危害的安全措施;

⑧现场选择安全地点建立临时库房，存放爆破器材，雷管要放入保险柜内;

⑨光面爆破和预裂爆破要采用Φ25小条药爆破;

⑩放炮时间段尽量安排在合理时间段，减少对地面居民的干扰影响。

3 隧道控制爆破设计方案

不同爆破施工方法的采用，主要是考虑围岩类型、地质构造、断面大小、地面对应位置有无主要建筑物以及临时支护的配合等因素。

3.1 穿越居民楼段爆破设计

此段围岩为III－IV类，上行隧道位于SKl3+800～14+000，长度 200m，下行隧道位于 XKl3+800～14+000，长度200m。隧道拱顶距地面6.3～6.6m，为浅埋段。且受F1断裂构造影响，但岩石为较坚硬至坚硬，岩体较破碎－完整。故此段上行、下行隧道掘进采用上下导坑法爆破施工。

钻孔爆破设计为上导坑爆破参数，下导坑参照上导坑，但可根据上导坑爆破效果可适当调整下导坑的各爆破参数进行施爆。

①掏槽孔布置

采用中间双空孔直线掏槽方式。共布10个孔。

孔距:a=30cm，排距:b=60cm，孔深:L=1.8m，孔径:D=42mm。

②辅助孔

布置在掏槽孔周边，为扩大掏槽孔爆破后扩大空间。

孔距:a=0.6m，孔径:D=38～42 mm，孔深:L=1.6m，共14个孔。

③崩落孔

这是隧道开挖爆破主要和大量炮孔，爆破效果直接影响到隧道进尺快慢。

孔距:a=0.7m，孔径:D=38～42mm，孔深:L=1.6m，共85个孔。

④帮孔

帮孔爆破的质量直接影响到隧道两侧墙弧形的好坏，同时还影响到对两侧围岩的稳定性以及隧道的超、欠挖量。

孔距:a=0.6m，孔径:D=38～42mm，孔深:L=1.6m，共10个孔。

⑤底孔

底孔一般要根据仰拱的设计要求，钻孔要向下以仰角5°～10°钻进。要保证底板永久支护厚度要求。

孔距:a=0.7m，孔径:D=42mm，孔深:L=1.6m，共15个孔。

⑥顶孔

采用光面爆破方法爆破。钻孔按设计隧道拱顶弧度及边界，沿设计边界线相互平行钻进，各孔底要落在一个平面上，顶孔钻进的质量直接影响到光面爆破效果，降低对围岩的稳定性影响，减少隧道的超、欠挖量，同时可以减小隧道支护材料的损耗。

孔径:D=42mm，孔距:a=12× D=0.5m，孔深:L=1.6m，最小抵抗线 W=Q/C·a·L=0.7m

Q－单孔装药量，kg;C－爆破系数;a－孔距;L－孔深;孔数:27个。

炮孔密集系数:K=a/w=0.71;

不耦合系数:K1=D/d=1.68～2.1(d－药径:20～25mm);

线装药密度:q=0.2～0.3kg/m。

根据以上设计参数，计算以下参数:

⑦爆破一次总装药量，kg

式中:Q－爆破一次总装药量，kg;k－炸药单耗，k=1.0kg/m3;

S－隧道断面积，m2;L－炮孔密度，m;

η－炮孔利用系数，95%。

则:Q=1.0×84.19×1.6×0.95=127.96kg

小直径中空直眼掏槽(单位:cm)

⑧一次爆破进尺爆破石方量

V=L×η×S=1.6×0.95×84.19=127.96m3

⑨实际炸药单耗

q实=129.30/127.96=1.0lkg/m3

⑩装药结构

采用Φ32乳化炸药连续装药，起爆药包位于孔底，孔口未装药段用黄泥全部堵塞紧密。

上导坑断面炮孔布置示意图

⑪起爆网路

采用非电毫秒雷管按起爆顺序装入不同作用炮孔中，孔外采用束—并联，但每束不超过10根连接1发MS3非电雷管，将各束连接MS3段的导爆管与光面层的引爆非电雷管导爆管并联成一束，用MSl段雷管引爆，起爆线要拉到安全地点起爆，用高能起爆器引爆。

3.2 预裂爆破设计

达道站至上藤站区间隧道上、下行线穿过旧居民小区，南江滨路和上藤路从其下方通过。隧道开挖爆破点都位于建筑物下方，爆破振动对地面建筑物势必会产生一定影响，故在爆破设计本身除了控制每次的起爆药量，加快临时支护，超前管棚及超前锚杆等措施外，为了减小其影响，在这些地段采用预裂爆破方法也是个行之有效地技术措施。其爆破参数如下:

①孔径:D=42mm

②孔深:a=(9～14)D=0.4～0.58m

根据岩石软、硬程度及岩石结构完整状况而选取，一般中硬岩取0.45～0.5m。

③抵抗线:w=w/c·a· lb

Q－单孔药量;c－爆破系数;a－孔距;lb－炮孔长度

本工程采用w=0.6～0.8m。

④炮孔密集系数

m=a/w=0.5/0.7=0.71

⑤线装药密度

式中:K－与岩石性质有关的系数，中硬岩K=0.75～0.95，取 0.8，则 Q =0.8×0.042=0.23kg/m，一般取 q=0.2～0.25kg/m。

⑥不耦合系数

d－药径，Φ22～25条药

⑦轴向空气间隔:l=18～20cm

根据以上设计，对于不用岩石地段可适当调整各参数选用。

⑧钻孔施爆要求

炮孔要平行钻进，孔底要齐，不能上仰或下倾角度钻进，钻孔质量是保证预裂爆破好坏的第一道工序。下一步是装药结构及单孔装药量的控制，孔底要装l节Φ32条药，主要是克服孔底岩石压力作用，Φ22～25小条药必须是加工厂加工好的成品，不能用Φ32条药改制，药量不准会影响爆破效果，同时要导爆索捆绑各小条药，可保证轴向不耦合，这几个关键环节做好了，才有预裂爆破的效果保证。

4 爆破振动测试与分析

4.1 监测的仪器和方法

本项目爆破振动监测主要采用L20型爆破振动测振仪 ，主要由L20型爆破测振仪主机、三分量速度探头、爆破振动分析软件等组成的振动测试系统，量测过程中测振仪自动采集、存储和分析相关数据。

4.2 爆破振动测点布置

根据建构筑物与隧道的空间位置及距离，在隧道地表周边范围内共布置了10个测试点 。分别在SK13+600～SK13+700段和XK13+600～XK13+700段左右洞沿隧道布置5个测点(间距20m)。

4.3 监测的结果

采用L20型爆破振动测振仪进行爆破振动测试，测得数据见(表1)。

表1 爆破参数和振动测试结果

5 减振爆破控制技术

5.1 控制最大装药量

通过爆破振动监测表明，当降低药量时，可以使质点的振动速度减小，达到减振的目的。福州市地铁1#线达道站至上藤站区间暗挖隧道上行线SKl3+800～14+000，长度200m，下行线XKl3+800～14+000，长度200m。洞身处于Ⅲ～Ⅳ级围岩，埋深在6.3～6.6m之间 ，地表为旧居民区地段，房子密集分布。为尽量降低隧道爆破施工对地表居民生活影响，爆破振动速度值应控制在1.5 cm/s以下，且95%以上小于1.0 cm/s。因此，根据萨道夫斯基的经验公式 ，最大装药量应控制在20.58～60kg之间。

5.2 控制掘进进尺

为控制总装药量的单段药量，拟将Ⅳ级围岩段的爆破进尺控制在1.2～1.5m，Ⅱ、Ⅲ级围岩段 的爆破进尺控制在2～2.5m，并采用分部下导洞、分台阶掘进，从而控制了单段药量，使爆破振动效应控制在较低的水平。

5.3 其它减振技术

本工程设计采用控制爆破技术，除采用光面、微差爆破施工的减振措施外，另外在周边密排空眼减振，开挖面增打减振孔、预留光爆层等综合减振措施的爆破技术，减小噪声和振动源强，并实时对该段隧道施工的地表建筑物进行爆破振动监测和地表沉降监测。

5.4 工程实际应用效果

本工程实际施工中，严格按照上述各项爆破设计和减振措施进行施工，目前隧道已顺利通过居民区。根据爆破振动监测(表2)和地表沉降观测的结果，最大振动速度均小于1.0cm/s，与预测模型最大振动速度差别较小，减振效果明显，地表建筑物无明显裂痕，未发生地表塌陷现象。

表2 隧道爆破振动监测结果

6 暗挖法隧道爆破总结

(1)福州地铁达道至上藤暗挖隧道在施工中采用精细爆破方法施爆，采用可靠的钻、爆、临时支护合理工艺施工，采用预裂爆破方法降低爆破振动作用对地面建构筑物的影响。在施工中各项爆破后的沉降观测数据符合设计规范要求，现场施工的质量符合技术规范要求。为今后福州市地铁暗挖隧道提供了很好的爆破设计借鉴。

(2)本项目通过爆破智能测试仪对福州地铁暗挖隧道进行爆破振动测试，在测试数据的基础上进行分析，找出符合该隧道地质条件的爆破设计参数，为隧道爆破施工提供了预测依据;

(3)在隧道进入旧居民区前，经过反复的爆破试验并根据监测数据及其分析，逐步优化调整了爆破参数。通过旧居民区时，采取控制最大装药量、控制掘进进尺等综合减振措施，从而将爆破振动效应控制在较低的水平，达到确保施工安全和降低施工对居民生活影响的目的;

(4)洞内爆破设计参数根据洞外监测结果不断地优化，通过对爆破振动速度进行跟踪监测，逐步改善爆破振速预测模型，根据监测结果及时调整爆破参数和施工方法，确保爆破作业安全，从而有效地控制爆破地振效应，同时也可以为爆破振动引起的民事纠纷提供科学依据。

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