繁华城区明挖地铁基坑微振控制爆破技术

李子华，胡云峰，刘光铭，薛里，刘世波

(1．中铁三局集团有限公司，山西太原030001;2．中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京100081)

繁华城区明挖地铁基坑微振控制爆破技术

李子华1，胡云峰1，刘光铭1，薛里2，刘世波2

(1．中铁三局集团有限公司，山西太原030001;2．中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京100081)

深圳市轨道交通11号线工程一区间工点为基坑明挖段，周边环境复杂，次高压燃气管道距基坑边最近距离只有12 m，要求爆破振速不大于2 cm/s，施工难度极大。为满足安全和工期要求，采用了电子雷管微振动控制爆破技术，通过调整起爆时差，使得振动波形发生错相叠加，达到减振目的。通过爆破试验获得了有效降振的最佳延时时差以及振动衰减规律，总结出了微振动控制爆破施工工艺，完善了最终的爆破方案，并在施工中得到成功应用，保证了该工程的安全高效完成。

微振动 控制爆破 地铁基坑 电子雷管 干扰降振

深圳市城市轨道交通11号线工程一工点位于深圳市宝安区福永站至桥头站之间宝安大道下，基坑深17 m，开挖方量约80 000 m3，设计采用明挖法。周边环境非常复杂，施工场地两侧有许多厂房、办公楼及给水、电信、电力、燃气等管线。其中DN500次高压(1.6 MPa)燃气管道距基坑边最近距离只有12 m，埋深约1.86～2.39 m，要求振速控制在2 cm/s以内，是施工控制重点。该工程开挖方量大、工期紧，对爆破振动控制要求非常严格，采用常规的开挖方式已无法满足工程进度和振动控制的需要。

现有理论认为，可通过设置合理微差间隔时间利用爆破地震波干扰达到减震目的。廖先葵等［1-2］在矿山大规模爆破中，采用对称分区，合理设置微差间隔时间方法，实现了爆破地震波干扰减震的目的。郭学彬等［3-4］通过试验和理论分析进一步论证了微差爆破干扰减震存在的条件。但是对一般岩土爆破工程，由于起爆器材的限制，实际工程中干扰减震并不容易实现。

电子雷管制造技术日趋成熟，由于其延时精度高和段别设置不受限制，使控制振动相位成为可能。它的出现可称为工程爆破行业的一场技术革命。国产电子雷管的起爆延时精度已经达到1 ms，并已在国内矿山深孔爆破工程中大量应用，起到了理想的减振效果，但在城区内复杂环境下大规模应用还较少见。虽已有一些研究成果，但其应用过于依赖工程经验，尚未形成完备的设计理论和实用的施工技术［5-9］。

为确保本工程周边建筑设施的安全，加快施工进度，决定采用电子数码雷管微振动爆破技术，但由于该技术目前尚无完善的设计理论，因此需先进行爆破试验，确定设计参数。

1 爆破试验

1.1 试验的目的

电子雷管的最大优势就是延时时差可调、延时精度高。该特点使得应用波形叠加干扰降振技术成为现实，可最大化地降低爆破振动。该技术关键是确定合理延时时差，保证波形能发生错相叠加，达到减振目的。试爆目的:①确定最佳延时时差;②确定该地质条件下的振动衰减规律，为设计提供理论依据;③总结电子雷管在该类工程施工应用的工法，为后期推广应用提供参考。

1.2 电子雷管及起爆系统

通过调研和专家推荐，本工程选用隆芯1号数码电子雷管，具有高安全、高精度、宽延期范围、在线可编程的特点。铱钵起爆系统是隆芯1号数码电子雷管的专用起爆系统，主要由隆芯1号数码电子雷管、铱钵表和铱钵起爆器三部分组成，可实现隆芯1号数码电子雷管上线注册、在线检测、延期编辑以及组网通信等功能。该电子雷管和电爆网路的优点:①在环境中有外电存在的情况下，因为电子雷管的抗交直流、抗射频、抗静电、抗杂散电流性能，不存在早爆、误爆的危险;②由于电子雷管不受段位影响，在大规模爆破工程中，不存在重段现象，能实现微差逐孔起爆从而有效降低单响起爆药量，且网路设计简单易行;③由于所有的雷管是以并联的方式连接的，电子雷管施工不存在支路电阻不匹配问题;④爆破网路及雷管具可检查性。当起爆网路连接好之后，所有的施工人员撤离到安全距离以外，通过专用设备可对爆破网路连接的可靠性进行“一键检测”，对连接不可靠的雷管进行准确定位，既安全又高效。

由于数码电子雷管的高精度(0～100 ms，偏差＜1 ms;101～16 000 ms，偏差＜1%)，可以取得传统雷管所无法比拟的效果。首先，通过微差爆破可以实现真正意义的干扰降振;其次，良好的同步性保证了光爆和预裂效果;第三，通过逐孔起爆的方法可增加单次起爆药量，提高单次起爆规模;第四，通过在线设置微差时间，充分利用岩石爆炸产生的应力，改善破碎效果。

1.3 试爆方案

延时时差和地质条件、地形条件、爆破方式、装药结构等有关，为了确定适合本工程的最佳延时时间。设计了单孔和群孔共9个试验组，群孔爆破试验采用8～20 ms的延时间隔。通过对爆破振动波形进行分析，最终确定适合本工程的延期时差。

第1组试验有16个孔，孔深3.2 m，孔间距为1.6 m×1.7 m，每孔的药量为3 kg。第1个孔单独响，响完280 ms后，其余的孔以17 ms间隔逐孔起爆，起爆顺序及延时时间见图1。通过这组试验可以得到单孔的振动波形参数和群孔延时17 ms的振动情况。

另外8组试验为不同延时间隔的爆破试验，延时设置情况见表1。前5组有4排孔，分2个延时时差，第6组有3排孔，分别设置了3种不同的延时时差，最后2组分别试验了不同孔间和排间的延时时差。试验中各孔的装药量均与第1组相同。

1.4 测试方案

测试采用TC-4850爆破测振仪和三向速度传感器。传感器安装在爆区一侧，共布设5个测点，距爆区分别为10，21，35，49和87 m，其中4号测点布设在次高压燃气管上方，通过多次测试结果分析得到最佳延时时差，并回归得到振动衰减规律。测点布置如图2所示。

图1 起爆顺序及延时时间设计

表1 爆破试验延时设置情况

图2 测点布置示意(单位:m)

1.5 测试结果

第1组试验，爆后最远的5号测点未触发，其余均采集到振动波形。从测试结果可以看出，单孔爆破的主振周期为20～35 ms。根据现有的理论，认为要达到波形叠加减振的效果，孔间延时为10～17 ms较为合理。另从Z轴的振动波形看，群孔爆破的振速值明显小于单孔，说明群孔爆破发生了波形叠加，振速降低。

其余各组爆破试验振动检测结果见表2。

1.6 测试结果分析

与普通非电导爆管雷管的振动波形相比，电子雷管爆破振动能量分布均匀，主振频率高于普通雷管的爆破振动频率，降振效果显著。

通过一系列试验发现，在单响药量相同的情况下，当孔间延时为17 ms时，振速最小。从第2组试验检测波形也可以看出，延时间隔时差为17 ms时，振速值明显＜9 ms。通过追加几次试验，结果相同。

通过后面几组试验发现，在该地质条件下，采用17 ms的延时间隔时差，可以达到较好的减振效果，振动值最小，在后期的爆破施工中统一采用延时间隔时差17 ms的逐孔起爆形式。

将前5次的试验爆破振动测试结果进行处理，按萨道夫斯基公式进行回归，结果如图3所示。

表2 爆破试验振动检测结果

图3 振动测试数据回归曲线

从图3可知该地域的振动衰减公式为

式中:v为振动速度，Q为爆破装药量，R为测点距爆破中心的距离。

在后期的爆破设计中，可以按照该公式初步计算，保证振动值控制在合理范围内。同时可根据测试量的增加，测试点数的增加，逐步修正该公式，以指导后期施工设计。

2 爆破方案

2.1 爆破参数

为满足粒径要求，降低大块率，并使得爆破、挖装、运输效率最优，同时满足振动控制要求，主爆破区域钻孔直径不宜过大。根据工程经验，本工程浅孔爆破钻孔直径取76 mm。爆破参数按以下各式计算:最小抵抗线W=(25～45)d;钻孔超深h=(0.25～0.35)× W;炮孔深度L=H+h，H为台阶高度;堵塞长度l'= (0.8～1.5)W;装药长度l=L～l';孔间距a=(1.0～1.5)W;排间距b=(0.8～1.0)W;单孔药量Q=qabH或Q=qWaH。

由于爆破区域内多为泥岩、砂岩，应针对不同的岩石类型，选用不同的炸药单耗。据以往工程经验，炸药单耗应在0.35～0.40 kg/m3。由此得出不同台阶深度的装药参数，见表3。

表3 d=76 mm浅孔台阶控制爆破参数

根据以上原则确定基坑主爆区每次爆破布孔不超过6排。采用梅花形或长方形布孔，堵塞长度2.5 m。

各雷管脚线并联接入起爆主线上，逐孔起爆，延时时差为17 ms。

2.2 施工工艺

电子雷管为近些年出现的新型起爆器材，目前尚未大面积推广使用，且施工工艺根据工程特点有所不同。通过多次试爆，建立了适合本工程特点的电子雷管施工工法，具体施工顺序为:清理工作面→布孔→钻孔→验孔→电子雷管检测→装药→电子雷管注册、标号(再次检测)→堵孔→连网→网络快速检测→压沙包→盖钢板→压沙包→设置起爆时差→完全检测→起爆→爆后检查→撤除防护。

首次电子雷管检测的主要目的是剔除有质量问题的电子雷管，第2次检测的目的是进行注册，要按着预先设定的起爆顺序进行注册，每注册1发，在雷管接头上用油笔标出顺序号。注册完成后，确定雷管没问题，再进行堵孔。设置起爆时差时依波表要与网络断开。根据脚线编号，以并联的方式，将各炮孔的脚线通过起爆线连为一体，然后起爆线与起爆器连接。网络连接及检查完毕后，段位较少时，可通过起爆器设置各区域、各段位的起爆延时时间;段位多时，通过便携式电脑设置各段位之间起爆延时时间。设置延时时差依据试验确定的最佳延时间隔时差。安全警戒后，通过输入密码激活起爆器，开始爆破。等人员全部撤离爆区后，再进行网络完全检测，完全检测通过后，进入警戒和起爆流程。

2.3 安全措施

施工中采用有效封堵、平面和立面防护的综合防护措施，有效防止爆破飞石。为了提高封堵质量，保证不冲孔，采用水拌合沙作为封堵材料，将沙缓慢倒入孔内，边填塞边用炮棍捣实。这种方式可以保证良好填塞效果。另外，即便是冲孔，细沙也不会对周边建筑设施产生危害。平面防护采用的是沙包加钢板的形式，先在孔口压一个沙包，再在爆区上覆盖一层钢板，孔口压一沙包，之后在上面覆盖一层2 mm厚钢板，钢板搭接10 cm，并用铁丝绑扎成整体。之后再在钢板上满压一层沙包。

3 结语

2013年7月首次采用本文工法进行了试验爆破，之后进行了数十次爆破，取得了良好的爆破效果，保证了周边建筑设施的安全，满足了工程进度要求。爆区西侧的次高压燃气管要求振速＜2 cm/s。从第三方监测的结果来看，实际爆破中该处的振速最大值为1.4 cm/s，大部分＜1.0 cm/s，未超出控制标准，振动控制效果明显。上述爆破监测数据表明爆破设计方案是成功的，爆破振动不会对周边建筑设施造成危害，也不会影响次高压燃气管的安全运营。

［1］廖先葵．深孔爆破大规模干扰减震机理及其应用［J］．爆破，1993(4):1-6．

［2］陈寿如，李雁翎，谢圣权．露天采场台阶干扰降震爆破技术试验研究［J］．湖南科技大学学报(自然科学版)，2004，19 (2):10-13．

［3］郭学彬，张继春，刘泉．微差爆破的波形叠加作用分析［J］．爆破，2006，23(2):4-8．

［4］甄育才，朱传云．中远区微差爆破振动叠加效应影响因素分析［J］．爆破，2005，22(2):11-16．

［5］邢光武，郑炳旭，魏晓林．延时起爆干扰减震爆破技术的发展与创新［J］．矿业研究与开发，2009，29(4):95-97．

［6］魏小林，郑炳旭．干扰减震控制分析与应用实例［J］．工程爆破，2009，15(2):1-6．

［7］田振农，孟祥栋，王国欣．城区隧道电子雷管起爆错相减震机理分析［J］.振动与冲击，2012，31(21):108-111．

［8］陈继强，刘为洲．多孔爆破振动强度的单孔波形叠加计算［J］．金属矿山，2000(8):23-25．

［9］张光雄，杨军，卢红卫．毫秒延时爆破干扰降振作用研究［J］．工程爆破，2009，15(3):17-21．

(责任审编李付军)

U455.6

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．04．24

1003-1995(2015)04-0089-04

2014-07-20;

2014-09-10

李子华(1983—)，男，内蒙古卓资人，工程师。