地铁车站深基坑爆破开挖振动控制技术

刘高飞

(中铁十七局集团有限公司，山西太原030006)

地铁车站深基坑爆破开挖振动控制技术

刘高飞

(中铁十七局集团有限公司，山西太原030006)

长沙地铁2号线西延线工程一车站基坑开挖方量大，工期紧，周边紧邻住宅区，交通流量大。采用深孔爆破与浅孔爆破相结合的爆破方式。为控制爆破开挖振动，通过现场试验和数值模拟分析，总结出了微差爆破的最佳间隔时间和减振孔设计参数。通过采用毫秒延时起爆和减振孔相结合的综合爆破振动控制技术，保证了周边建筑、围护结构和止水帷幕的安全，加快了施工进度。

地铁 基坑 微差爆破 减振孔 振动控制

1 概述

长沙地铁2号线西延线工程土建施工2标梅溪湖东站位于既有雷锋西大道上。基坑开挖深度20 m，宽度21 m，长度200 m。岩层埋深浅，石质坚硬，基底基本位于元古界板溪群中、微风化板岩，开挖方量达8.4万m3，工期仅3个月。为满足工期要求，爆破方案采用深孔爆破与浅孔爆破相结合，以深孔爆破为主。基坑周边紧邻航发锦绣家园小区和麓阳和景小区，水平距离最小为13 m，交通流量大，爆破作业风险高，必须采用爆破开挖振动控制技术。

为了确保爆区结构物及周围环境的安全，必须严格控制爆破振动和飞石。从国内外相关研究爆破振动危害控制的文献来看，采用以下技术措施可以降低爆破地震效应:①采用低爆速、低密度的炸药或减小装药直径;②控制单响最大药量;③预裂隔振带或减振沟;④选择最小抵抗线方向;⑤采用微差延时起爆技术;⑥增加布药的分散性和临空面;⑦选择合理的装药结构。

为了安全高效地完成该爆破开挖工程，通过现场试验和数值模拟分析总结出了一套适用于本工程的减振技术。

2 减振试验

本次验主要分析微差爆破技术以及减振孔对爆破减振效果的影响，因此具体采用如下2组试验:①测试微差爆破技术对减振效果的影响，主要研究毫秒延时起爆时间间隔对爆破动力响应的影响;②研究减振孔(沟、缝)对爆破开挖减振效果的影响，试验分析减振孔深度和具体位置对整体减振效果的影响。

振动监测使用了2台四川拓普测控科技有限公司生产的NUBOX-6016智能振动监测仪和1台UBOX5016爆破振动智能监测仪。速度传感器采用垂直向速度传感器PS-4.5和水平向速度传感器PSH-4.5。

采用BM View专用分析软件实现设备控制、参数设置、波形显示、数据读取等功能，根据萨道夫斯基经验公式进行爆破振动的分析、统计、管理。

3 试验测试结果分析

3.1 微差爆破减振效果分析

采用相同的爆破环境、爆破规模及爆破参数，分4排爆破，每排5孔，采用排间微差起爆，每段药量均为50 kg，具体爆破参数为:孔径φ=78 mm;孔深l= 5.0 m;孔距a=3.0 m;排距b=2.5 m;单耗q=0.27 kg/m3;单孔药量Q=10 kg。

以上爆破参数不变，仅调整起爆间隔，对间隔时间Δt分别为25，50，75，110和150 ms 5种爆破工况进行振动测试分析。采用孔内、孔外结合的爆破网路，孔内为MS12段，孔外分别为MS2，MS3，MS4，MS5，MS6。每个工况进行6组平行试验，测振点距爆心20 m，测试结果见表1。

由表1可知，5种工况的最大爆破振动速度分别为1.31，0.82，0.71，0.93，1.05 cm/s。随着延时起爆时间间隔增加，振动速度先降低再增加，存在一个最佳的毫秒延时起爆时间间隔区域，即间隔时间在50～75 ms时可达较为理想的减振效果。主振频率和持续时间在这一区间没有明显的变化。

表1 不同间隔时间振动参数统计

3.2 减振孔减振效果分析

爆破振动波的传播特征主要取决于介质的波阻抗特性，当振动波到达不同介质分界面时，由于波阻抗特性的不同，振动波将发生反射和透射，所以爆破振动波经过减振孔后爆破振动强度降低。

研究炸药爆炸时减振孔对爆破振动传播的影响，具体涉及的参数主要有减振孔直径D、深度H，减振孔离炮孔之间的距离L。采用数值模拟的方法加以研究，数值模拟软件采用大型非线性有限元/有限差分软件AutoDYN。

在对模型进行网格剖分时，模型的尺寸大小应力求精确。在建模时采用了变网格技术，其中最小网格尺寸为5 mm。为了减少计算量，提高计算精度，尽量使建立的模型空间尺寸较小，考虑到计算时间的问题，可以把整个模型简化为二维平面对称模型。数值模型初始状态如图1所示。为了记录减振孔后某位置处爆破振动幅值，采用设置示踪点(如图1中的1～7号点)的方法来记录炸药爆炸后该处参量的变化情况。

图1数值模型初始状态

图2 为炸药爆炸后几个典型时刻压力云图。可知:①0.4 ms时炮孔左侧的冲击波传播到岩石上表面处，在右侧由于减振孔的存在，阻断了周边冲击波向右侧传播，同时反射回一拉伸波。②0.8 ms时炮眼底部部分冲击波绕过减振孔底部向右侧继续传播。③1.2 ms时右侧冲击波绕过减振孔并传播到岩石表面，但其强度与炮孔左侧同样距离处相比明显减弱，仅为左侧的20%～30%。在减振孔左侧的1.5～2.0倍孔深范围内其振动强度更低，仅是其外侧(2.0倍孔深以外)的5%～10%。

从图2可见，减振孔(连续的)可将炮眼侧面的地震波阻断，炮眼底部的地震波则是绕过减振孔底部向右侧继续传播，其减弱强度与孔深有关。由此可以得出:减振孔可以较好地降低爆破地震波，但其效果与减振孔的连续性和孔深有关，连续性越好，侧向波被阻断得越好，深度越深则底部波被阻断得越好。

图2 炸药爆炸后典型时刻压力云图

4 爆破方案

4.1 方案确定原则

根据以上试验及数值分析结果采用减振孔和微差起爆等减振措施，选用爆破开挖可以保证基坑围护结构及周边环境安全。爆破开挖须遵循以下要求:

1)为减小爆破对边坡的振动破坏，也为了控制爆破大块率，便于装渣施工，采用非电毫秒雷管进行毫秒微差爆破，应用小排距、大孔距梅花形的布眼方法，每次爆破3～5排。

2)爆破开挖时严防爆破振动造成止水帷幕和围护结构破裂，更不允许爆破动力直接破坏钻孔围护桩的桩脚，造成围护桩失稳，整体垮塌。为此，在必要时距围护桩边0.5～1.0 m钻凿1～2排减振孔实现卸压控爆，以保证围护结构安全稳定。

3)结合基坑开挖方案，分层分段进行爆破开挖，每次爆破深度尽量不超过5 m。

4.2 爆破参数

在原有爆破方案设计的基础上，根据理论分析和数值模拟计算结果，为了控制爆破飞石、爆破振动以及保护基坑边坡稳定性，爆破施工采用掏槽孔、主爆孔以及减振孔相结合的方式。施工时预留保护层，爆破与机械开挖相结合，毫秒延时起爆，严密防护，从而体现定量化的爆破设计，精细化的管理与施工。具体爆破参数如下。

1)掏槽爆破参数

为防止飞石并增加主爆区的临空面，主体爆破前在基坑两端先进行掏槽爆破。中深孔掏槽爆破参数为:φ=78 mm，L=5.5 m，a=2.5 m，b=2.0 m，q= 0.4 kg/m3，Q=10 kg。

2)主爆孔爆破开挖

在主爆区，采用中深孔爆破，由两掏槽区向中间分层爆破，使得爆破飞石向基坑中部抛掷，台阶高度为4.5 m。具体参数为:L=5.0 m，a=3.0 m，b=2.5 m，q=0.25 kg/m3，Q=10 kg。

4.3 爆破安全控制

1)减振孔设计

为了保护临近河道堤岸和已施作完成的基坑止水帷幕，除了采用微差起爆减振外，还采用减振孔减振。在距边坡1.5 m处平行于边坡线开钻减振孔，具体参数为孔径100 mm，孔距30 cm，采用双排交错布置，孔深22 m(一次打到底板下2.0 m)。这样又形成了1.5 m宽的边坡保留防护带。主区爆破完成后，再采用机械破碎或浅眼爆破开挖保留部分。

2)微差起爆网路

采用非电毫秒延期雷管起爆，由前文分析可知，毫秒延时起爆时间间隔在50～75 ms时爆破振动控制较好，所以这里采用孔内延时与孔外延时相结合的方法，即孔外MS3或MS4、孔内MS12，实现每孔1个段别的逐孔起爆。

3)爆破飞石防护

掏槽爆破时，爆破飞石有向上抛掷的可能，因此需采取重型覆盖防护，即在爆破区炮孔上盖砂袋，上层再覆竹夹板或用废旧轮胎制作的炮被。主体爆破时由于多了侧向临空面，爆破参数设计合理就可控制飞石，为防万一，可在上层覆一层炮被。

5 结论

1)通过现场多次试验，采用以上优化后的爆破方案进行施工，在距爆破区最近的围护桩桩顶处测得的爆破最大振速为2.192 cm/s(允许振速为5.0 cm/s)，在附近房屋处测得的最大振速为0.602 cm/s(允许振速为1.0 cm/s)，最大振速是估算值的50%～60%，并远小于爆破规程规定值，说明爆破开挖对周边建筑危害较小。

2)通过采用毫秒延时起爆和减振孔减振相结合的综合爆破振动控制技术，很好控制了爆破振动，在保证周边环境的安全的同时，保证了围护结构和止水帷幕。施工时增加了每次爆破的规模，一次爆破方量可达500 m3，是浅眼爆破的6～10倍，且不易飞石。爆破方案在保证安全的同时，大大加快了施工进度，节约了成本，取得了良好的经济和社会效益。

［1］杜明玉，阮庆松，彭进强，等.地铁车站深基坑施工对周围环境影响评价分析［J］.铁道建筑，2013(4):80-82.

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［3］张志毅，王中黔.交通土建工程爆破工程师手册［M］.北京:人民交通出版社，2002.

［4］肖采平.爆破工程与环境保护［C］//第七界工程爆破学术会议论文集.新疆:新疆柯文出版社，2001.

［5］王海亮.铁路工程爆破［M］.北京:中国铁道出版社，2001.

(责任审编李付军)

TU94+1

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.12.17

1003-1995(2015)12-0063-03

2015-07-17;

2015-07-29

刘高飞(1970—)，男，高级工程师，工程硕士。