优化爆破参数进行地铁车站隧道控制爆破

何　闯， 王海亮

(山东科技大学矿山灾害预防控制省部共建教育部重点实验室， 山东 青岛　266590)



优化爆破参数进行地铁车站隧道控制爆破

何闯， 王海亮

(山东科技大学矿山灾害预防控制省部共建教育部重点实验室， 山东 青岛266590)

摘要：为减小爆破振动速度和提高炮眼利用率，以青岛地铁2号线车站主体Ⅰ部上台阶的爆破开挖为背景，从理论上分析了由于掏槽区域爆破效果差引起爆破振动过大，由于掏槽眼不对称、掏槽区域布置不当、掏槽眼间排距过大、辅助眼排距过大、未封堵炮孔等原因造成炮眼利用率较低。结合理论计算和工程前期施工经验对楔形掏槽参数进行了优化，同时在校核单段最大起爆药量时考虑了多自由面的影响。结果表明： 优化后的复式楔形掏槽使炮眼利用率提高到90.5%，爆破振动速度控制在0.7 cm/s以内。

关键词：青岛地铁； 隧道； 楔形掏槽； 爆破振动； 炮眼利用率； 爆破参数

0引言

楔形掏槽是斜眼掏槽中较易掌握的掏槽方式，它可以充分利用掌子面唯一的自由面,以较少炮孔消耗和炸药消耗获得较大的掏槽面积和槽腔体积[1]。因此，楔形掏槽已被国内外学者广泛研究和应用。文献[2]论述了楔形掏槽的发展历程和楔形掏槽布孔参数及装药参数；文献[3]运用层次分析法分析了影响楔形掏槽的因素所占比重；文献[4]通过数值研究和试验研究对复式楔形深孔掏槽爆破方法的可行性进行了论证。目前，国内外对于楔形掏槽方多集中在掏槽爆破理论方面，且楔形掏槽大多应用在煤矿岩巷掘进爆破中，而对地铁隧道爆破楔形掏槽的研究较少，没有考虑爆破振速对楔形掏槽参数的影响，更没有对爆破现场掏槽效果不佳的原因进行分析，未对隧道爆破中的楔形掏槽参数优化。本文以青岛地铁2号线车站主体Ⅰ部上台阶的爆破开挖为背景，从理论和实践的角度分析了造成楔形掏槽效果不佳的原因，结合理论计算和工程前期施工经验对楔形掏槽参数进行了优化。

1工程背景

青岛地铁2号线延安路站总体为暗挖单拱双层结构，车站中心里程处拱顶覆土约17 m，全长160 m。车站主体开挖断面宽23.44 m，高18.37 m，采用双侧壁导坑法施工。车站西侧为冠业大厦29层楼，要求振速控制在1.0 cm/s。采用2台TC-4850测振仪测振，测点位于冠业大厦负1层。

首先开挖的车站主体 Ⅰ 部采用上下台阶法施工，下台阶开挖进度滞后于上台阶约10 m。上台阶开挖断面宽7.97 m，高3.91 m，断面面积19.5 m2，围岩等级Ⅳ～Ⅴ，已开挖长度29.5 m。冠业大厦距离车站主体 Ⅰ 部上台阶水平距离15.1 m，垂直距离17.1 m。车站主体与冠业大厦的平面及剖面位置关系如图1所示。

图1　车站与冠业大厦的平面及剖面位置关系(单位： m)

Fig. 1Plan and cross-section of the Metro tunnel and Guanye Mansion (m)

2爆破现状及原因分析

2.1爆破现状

车站主体Ⅰ部上台阶的爆破开挖采用YT28型气腿式凿岩机钻眼，炮孔直径42 mm。雷管采用第一系列毫秒延期塑料导爆管雷管，所用段别为1、3～20共19个段别。炸药为2号岩石乳化炸药，规格为φ32 mm×200 mm，每卷0.2 kg。掏槽采用复式楔形掏槽，分2次爆破，第1次爆破断面部分长8.00 m，高1.90 m，开挖面积13.1 m2。导爆管网路传爆联接方式为簇联。现场炮眼布置见图2。爆破参数见表1。出渣后的爆破效果如图3所示。为节约爆破循环用时，Ⅰ部下台阶与Ⅰ部上台阶Ⅰ区域一次起爆，爆破顺序为: 下台阶、上台阶Ⅰ区域，之间用第19段雷管进行孔外延期。因此，从1.7 s以后，为上台阶Ⅰ区域的爆破数据，如图4所示。

掏槽区域的中心线处爆破进尺0.5 m，掏槽部分爆破进尺0.8 m，周边眼及底眼发生“冲炮”，炮眼完好，未取得爆破进尺。最大爆破振速达0.98 cm/s，接近1.0 cm/s的控制要求。

2.2原因分析

2.2.1振速过大的原因分析

由图4可知，最大振速出现在2.1 s，1.7～2.3 s爆破数据普遍偏大，可见，振速偏大为掏槽区域的爆破所致。据已有研究[5]： 振速峰值一般出现在掏槽眼爆破过程中。当掏槽区的碎石能顺利抛出，则给予未作用于岩石的那部分爆炸能量向空气自由面的溢出空间，从而可以降低爆破振动[6]。而此次爆破由于掏槽未爆开，后续的爆破没有足够的自由面，爆炸过程中，发生岩石挤实现象，未作用于岩石的那部分爆破能量难以溢出，故爆破振动较大。

图中1～19代表雷管段别，Ⅰ～Ⅱ代表分次的起爆区域。

炮孔名称段别眼数倾角/(°)炮孔深度/m单孔装药量/kg单段最大起爆药量/kg一级掏槽1、3455、601.22、1.280.20.4二级掏槽4～7860、702.30、2.230.61.2辅助眼8～1632901.800.42.4周边眼13～1911951.810.30.9底眼8、10、11、13、15～1816951.810.41.6

图3　爆破效果

2.2.2炮眼利用率低的原因分析

1)掏槽眼不对称。由图2可知，第一级掏槽眼角度相差5°，第二级掏槽眼角度相差10°。而掏槽眼的倾角是影响楔形掏槽爆破的主要因素，权值达到11.15%[3]。据已有资料[7]，当掏槽眼不对称布置时,在岩体内生成的裂隙要弱于对称布置,导致爆破漏斗体积小，爆破效果差。因此，引起本次爆破失败的首要因素是掏槽眼不对称导致掏槽效果差，进而导致后续的爆破没有充足的自由面，使整个爆破效果差。

图4　爆破振动数据的三矢量合成图谱

2)掏槽区域布置不当。由于掏槽区域的中心线距隧道左侧拱脚4.28 m，工人在施打左侧掏槽眼时，气腿式凿岩机的使用受隧道左侧断面的限制，角度不易掌握，造成两侧掏槽眼角度不一。原有的掏槽区域设计不根据现场施工器械、隧道断面尺寸进行合理设计，是导致掏槽失败的又一个因素。

3)掏槽眼间排距大。由图2可知，一级掏槽眼间距1.6 m，排距0.6 m，二级掏槽眼间距2.2 m，排距0.45 m。根据掏槽眼装药量的经验公式

Q=SLbq/N。

(1)

将各值代入，计算得Q=0.86 kg，即掏槽眼理论装药量为0.86 kg/孔，而实际装药量为一级掏槽0.4 kg/孔，二级掏槽0.6 kg/孔。故本次爆破失败的原因是掏槽眼装药量不足，而掏槽眼装药量不足是因为掏槽眼眼数少、间排距大和爆破区域大造成的。若加大装药量又易造成超振，故应增加掏槽眼数，适当缩短掏槽眼间排距和爆破区域。

4)辅助眼排距过大。由图2可知，最先爆破的辅助眼与二级掏槽眼的眼底最小水平间距为1.13 m。对于浅孔爆破，当此间距超过1 m时，最先爆破的辅助眼的最小抵抗线大，易造成“冲炮”。

5)未封堵炮孔。不堵塞炮孔会造成孔口飞石和较大空气冲击波，合理的堵塞会延长炸药在炮孔中的作用时间，提高炸药能力的利用率，使得岩石可以得到充分破碎[8]。实际施工中未封堵炮孔，造成底眼、周边眼、部分辅助眼在自由面不足的情况下产生“冲炮”。

3爆破参数优化

由于拱顶部分围岩等级为Ⅴ级且岩体存在滑层，掏槽部分的爆破易引起滑层失稳，故不宜进行全断面一次爆破，所以断面仍分2次爆破。浅埋隧道的炮眼深度主要受爆破振动和施工器械的限制。考虑到振速控制在1 cm/s，凿岩机械为气腿式凿岩机，故炮眼深度未作调整，仍为1.8 m。所有炮孔炮泥封堵长度0.5 m。

根据前期爆破效果，第 Ⅱ 爆破区域各炮眼的间排距均未作调整，辅助眼间排距为600 mm，周边眼间距为500 mm。第 Ⅱ 爆破区域各炮孔单孔装药量为0.3 kg。孔内雷管为三孔一段(即3个炮孔共用1个段位)。

3.1掏槽区域参数优化

根据2.2.2的原因分析，为便于工人打眼，将整个掏槽区域中心线向右偏移，距隧道左侧拱脚4.69 m。根据式(1)，将掏槽区域的高缩短为1.3 m，其断面面积缩小为9.5 m2。斜眼掏槽的孔间距目前还没有较好的理论计算公式,大多依照经验参数取值[9]。根据前期爆破经验，一级掏槽眼增设1对，间距1.0 m，排距0.35 m；二级掏槽眼间距1.6 m，排距0.3 m。根据台阶爆破的现有理论[10]： 掏槽眼倾角θ=60～75°，楔形掏槽时取较大值。故一级掏槽眼倾角65°，二级掏槽眼倾角75°，各炮孔装药量不变，经计算，满足式(1)。

3.2其他炮孔参数优化

最先爆破的辅助眼距离二级掏槽眼的间距缩小为350 mm，眼底水平间距变为850 mm。根据前期施工经验，为防止轮廓欠挖，周边眼间距缩短为400 mm。掏槽区域的底眼间距缩小为400 mm，更有利于整个掏槽完成爆开，其他底眼间距500 mm，各炮孔装药量不变。优化后的炮眼布置如图5所示，爆破参数如表2所示。

3.3单段最大起爆药量的安全验算

对掏槽眼装药量和辅助眼装药量进行爆破振动安全验算。根据萨道夫经验公式

(2)

经计算，单段最大起爆药量

图5　优化后的炮眼布置图(单位： mm)

炮孔名称段别眼数倾角/(°)炮孔深度/m单孔装药量/kg单段最大起爆药量/kg一级掏槽1、3、46651.100.20.4二级掏槽5～88752.070.61.2辅助眼9～1733901.80.42.4周边眼15～208951.810.30.6底眼9、11、14、15、17～2017951.810.41.6

辅助眼最大单段起爆药量为2.4 kg，据有关资料[11]，自由面数量对爆破振动强度的影响非常明显: 3个自由面爆破的振动速度是2个自由面爆破的1/3～2/3，是单个自由面爆破的1/6～1/3。由于辅助眼爆破时已存在2个自由面，岩石夹制作用比只有1个自由面的掏槽炮眼小，在相同的单段装药量爆破时产生的爆破振动速度较小。对辅助眼的单段装药量适当增加，并进行试爆与爆破振动检测后，结果表明： 辅助眼单段装药量为2.4 kg时，爆破振动速度可以控制在1.0 cm/s内。

4结论和建议

车站主体Ⅰ部与车站主体Ⅳ部应用优化后的复式楔形掏槽参数，完成了20个循环，共计掘进32.5 m。期间最大振速为0.70 cm/s，平均炮眼利用率达90.5%，取得了良好的爆破效果。为更好的应用此复式楔形掏槽技术，提出以下建议：

1)在振动爆破振动速度符合要求的情况下，可增加炮眼深度，从而增加爆破进尺，加快工程进度。

2)在设计辅助眼单段最大装药量时，不应只依据萨道夫斯基公式进行校验，还应考虑掏槽眼爆破所提供的新的自由面对爆破振速的影响。一般可适当增大辅助眼的单段最大装药量。

3)当断面围岩稳定性好时，可采用全断面一次爆破。参照本设计中布孔装药方式，第Ⅱ爆破区域的孔外延期雷管采用20段，随同第Ⅰ爆破区域的孔外延期雷管一起起爆，实现全断面一次爆破。

4)本文楔形掏槽的参数优化过多地依据现场试验的结果得出结论，存在一定的局限性。当围岩等级或爆破振速要求变化时，楔形掏槽参数也将再次进行调整。后续研究可通过数值模拟方法对楔形掏槽各参数进行研究，进一步验证现场试验结果，并量化不同围岩等级和爆破振动速度楔形掏槽参数，以期更好地指导工程实践。

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中乌合作“中亚第一长隧”有望2016年上半年竣工

由中铁隧道集团有限公司承建的“中亚第一长隧”——乌兹别克斯坦卡姆奇克隧道，有望于2016年上半年完工。作为“丝路咽喉”工程将对推动中乌经济合作乃至整个中亚地区的合作具有重要意义。

据了解，全长122.7 km的乌兹别克斯坦“安格连—琶布”铁路是新丝绸之路经济带铁路网的重要组成部分，被列为乌兹别克斯坦的“总统一号工程”。其中，中铁隧道集团承建的19.2 km长的卡姆奇克隧道是全线的重点控制性工程，是中亚第一长隧道，是目前中乌经济合作领域单个最大工程。2013年7月，中铁隧道集团与项目建设方签订项目设计施工总承包合同，合同总造价 4.55 亿美元。当前，隧道工程量已完成90%，项目进展顺利。“安琶”铁路建成后，不仅将改变乌兹别克斯坦境内运输需绕道他国的窘境，而且能够将塔什干到费尔干纳州的铁路运输距离缩短100 km，节约时间近2 h， 也将为开展“一带一路”沿线经济合作提供便利。

作为乌兹别克斯坦“总统一号工程”中的关键性项目，卡姆奇克铁路隧道受到乌方高度关注。乌兹别克斯坦以一条流经隧道到首都塔什干的河流为名，把这条隧道正式命名为卡姆奇克隧道，寓意对“互联互通”的渴望。

在2年多的时间中，来自中铁隧道集团的建设者经受了上千次岩爆考验，用过硬的专业技术赢得了乌兹别克斯坦社会各界的赞许。目前，该项目已进入打通“最后一公里”的收官阶段，并有望于2016年上半年竣工。

(摘自 中国中铁隧道集团有限公司 http://www.ctg.ha.cn/tabid/67/InfoID/28779/frtid/79/Default.aspx2016-01-06)

Optimization Analysis on Blasting Parameters for

Blasting Control of Metro Station Tunnels

HE Chuang, WANG Hailiang

(KeyLaboratoryofMineDisasterPreventionandControl,ShandongUniversityofScience&Technology,

Qingdao266590,Shandong,China)

Abstract:The utilization rate of blasting holes is usually influenced by asymmetry of cutting holes, irrational layout of cut zone, large spacing among cut holes, large spacing among assistant holes and non-stemming of the blasting holes. In order to improve the utilization rate of blasting holes and minimize the blasting vibration velocity, some factors are analyzed based on the blasting excavation of Zone 1 of top heading of Metro station on No. 2 Line in Qingdao. In this paper, the parameters of wedge-shaped cut are optimized by means of theoretical calculation and construction experience. In addition, multiple free surface is taken into consideration to check the maximum individual ignition explosive quantity. The results show that the utilization rate of blasting holes was improved to 90.5%, and the blasting vibration velocity was limited within 0.7 cm/s by the compound wedge-shaped cut used.

Keywords：Qingdao Metro; tunnel; wedge-shaped cut; blasting vibration; utilization rate of blasting hole; blasting parameter

中图分类号：U 452

文献标志码：B

文章编号：1672-741X(2016)01-0097-05

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.01.015

作者简介：第一 何闯(1990—)，男，河北邯郸人，山东科技大学采矿工程专业在读硕士， 研究方向为隧(巷)道爆破、隧(巷)道支护等。E-mail: 584650078@qq.com。

基金项目：山东科技大学研究生科技创新基金项目(YC150304)

收稿日期：2015-03-24; 修回日期: 2015-05-27