地铁隧道下台阶爆破参数的优化

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)



地铁隧道下台阶爆破参数的优化

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：以青岛地铁2号线延安路站车站主体Ⅰ部下台阶爆破施工为背景，分析了下台阶前期爆破中存在的问题，对下台阶的爆破循环进尺、炮孔间排距、单孔装药量、单段最大起爆药量、周边眼雷管段别、爆破网络等爆破参数进行了优化。结果表明：优化后的爆破方案，比钻眼个数下降了15.62%，雷管单耗下降了30.5%，单位岩石爆破耗时下降了18.18%，盲炮概率下降了83.33%；使下台阶施工在满足爆破振速的同时，缩短了爆破用时、减少了炸药及雷管单耗，提高了爆破效果。

关键词：下台阶；爆破网络；爆破参数；地铁；盲炮

台阶法具有适用性广、造价低等优点，故被广泛地应用在城市浅埋隧道爆破施工中[1]。由于上台阶距离地表建筑物较近且仅存在掌子面一个自由面，爆破振动较难控制，因此，上台阶的爆破参数被国内外学者广泛研究，并获得了大量规律性结论[2-4]。而下台阶爆破振速较易控制，故对下台阶的爆破参数研究较少[5-7]，造成下台阶爆破施工可借鉴的经验较少。但下台阶的爆破开挖将影响隧道整体爆破开挖用时、炸药雷管单耗等工程施工效率与成本问题，因此，有必要对下台阶爆破参数进行研究，使下台阶爆破施工在满足爆破振速的同时，尽可能缩短爆破用时，减少炸药及雷管单耗。本文以青岛地铁2号线延安路站车站主体Ⅰ部下台阶爆破施工为背景，分析了下台阶前期爆破中存在的问题，进而优化了爆破参数并取得了显著成果。

1 爆破施工状况

1.1 工程概况

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15.1 m处为冠业大厦，项目部要求控制振速1.0 cm/s。采用两台TC-4850测振仪测振，测点靠近贵和福利厂布置。其中车站Ⅰ部围岩等级Ⅳ级～Ⅴ级，高9.96 m，宽8.05 m，采用上下台阶法施工，上台阶开挖进度超前于下台阶开挖进度约10 m。车站Ⅰ部下台阶围岩等级Ⅳ级，距冠业大厦的水平距离为15.1 m，垂直距离为20.85 m，直线距离为25.5 m。如图1所示。

1.2 前期爆破施工参数

图1 下台阶与冠业大厦的位置关系(单位：m)

车站主体Ⅰ部下台阶采用YT28型气腿式凿岩机钻眼，炮孔直径42 mm；雷管为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∅32 mm×300 mm，每卷0.3 kg。爆破断面部分长8.05 m，高3.30 m，开挖面积24.5 m2。下台阶共计炮孔65个，一次起爆Ⅰ-1区域与Ⅰ-2区域，之间用第17段雷管进行孔外延期，导爆管网路传爆联接方式为簇联；爆破循环进尺1.5 m，比钻眼个数2.56个/m2；炸药量21.45 kg，炸药单耗0.584 kg/m3；共用雷管70发，雷管单耗1.9发/m3；爆破循环耗时4 h(其中出渣1.5 h)，单位岩石爆破耗时为0.11 h/m3。现场炮眼布置图见图2，爆破网络连接图见图3(图中阿拉伯数字代表雷管段别)。爆破参数见表1。

在以上爆破方案实施工程中，爆破状况为：①下台阶的爆破循环耗时较多，尤其打眼和爆破耗时较多，共计耗时2.5 h，占爆破循环总用时的62.5%，单位岩石爆破耗时为0.11 h/m3。②爆破振速集中在0.3～0.5 cm/s，振速符合要求，振速最大值易出现在周边眼及底板眼。③断面成型效果差，周边眼部分欠挖。④平均每5个爆破循环中，Ⅰ-2区域即第2组部分雷管出现盲炮现象。

图2 原爆破方案炮眼布置图(单位：mm)

图3 原爆破方案爆破网络连接图

炮孔名称段别眼数与掌子面夹角/°炮孔长度/mm单孔装药量/kg单段最大起爆药量/kg辅助眼1,3～15449016000.30.6周边眼4～5、7～8、10、12、13、1589316050.30.6底板眼14～19139516050.450.9

2 优化爆破设计

2.1 原爆破状况分析

2.1.1 爆破循环耗时较多

由原爆破方案可知，最上排的炮孔距离上部的自由面距离为800 mm，即最小抵抗线为800 mm。在自由面充分的情况下，最小抵抗线为800 mm明显过小。其他炮孔间排距为570～600 mm，在实际爆破振速远小于要求爆破振速的情况下，炮孔间排距显然过小。下台阶的比钻眼个数达2.56个/m2，根据前期施工经验可知，比钻眼个数偏大，钻孔及装药耗时较多。同时，爆破循环进尺仅1.5 m，造成每爆破循环爆破的总岩石量较少。因此，下台阶爆破循环耗时和单位岩石爆破耗时较多。

2.1.2 爆破振速

下台阶爆破时存在多个自由面及上台阶爆破形成的空腔，故爆破振速较易控制。根据萨道夫斯基公式：

(1)

式中：R为爆源与需要保护的建筑物之间的距离，本工程R=25.5 m；Qmax为最大单段起爆药量(kg)；v为保护对象所在地质点振动安全允许速度，本工程为1 cm/s；K、α分别为与爆破点至计算保护对象间的地形、地质条件有关的系数和衰减指数，根据工程前期数据，采用最小二乘法计算的K=58，α=1.31。

计算得Qmax=1.5 kg，而实际施工中，单段最大起爆药量只有0.9 kg，故最大爆破振速远小于控制要求的1.0 cm/s。

由炮眼布置图可知，周边眼在同排的辅助眼爆破后即起爆自由面不充分，岩石夹制作用大，故造成的振动较辅助眼大；底板眼单段起爆药量相对较大，且炮孔有一个向下的外插角，需要爆破的岩石量大，故造成的振动较辅助眼大。

2.1.3 隧道断面成型差

周边眼的爆破效果直接决定了隧道断面成型质量。由上述2.1.2分析可知，周边眼爆破时自由面不充分，爆破效果较差，故隧道断面成型差。

2.1.4 盲炮现象

Ⅰ-2区域即第2组的孔外延期采用第17段大段别雷管延期，当Ⅰ-1区域即第1组开始爆破时，爆破飞石有足够时间飞向Ⅰ-2区域，将Ⅰ-2区域内的雷管尾部的塑料导爆管切断，造成盲炮现象。

2.2 爆破参数优化

2.2.1 爆破循环进尺

在考虑施工机械与满足爆破振速的同时，应尽可能增大爆破循环进尺，以减少循环次数、降低单位岩石爆破耗时。考虑到本工程的钻眼机械为YT-28型气腿式凿岩机及前期爆破振速较小，故将爆破循环进尺增加到1.8 m。

2.2.2 炮孔间排距

由2.1.1分析可知，需要增大炮孔间排距，以减少比钻眼个数，进而减少爆破循环用时。下台阶的最小抵抗线按公式(2)计算：

(2)

式中：W为最小抵抗线(mm)；L为炮孔深度(mm)。

爆破循环进尺优化为1.8 m，根据前期炮孔利用率，炮孔深度L定为2.0 m，故W=800～2 000 mm。由于最上排的辅助眼自由面充分，结合公式(2)与实际施工状况，最上排辅助眼的最小抵抗线定为1 200 mm。考虑到其他炮孔爆破时需承受最上排炮孔爆破后的岩石重量，故其他辅助眼排炮孔间排距定为620～700 mm。前期底眼爆破效果较好，不存在欠挖，故底眼间距及倾角不变。

2.2.3 单段装药量优化

由2.1.2计算可知，原方案中单孔装药量较少，同时单段最大起爆药量偏小，因此可以适当增大单段最大起爆药量。辅助眼单孔装药量可按公式(3)计算：

(3)

式中：Qf为辅助眼的单孔装药量(kg)；τ为装药系数，与炮孔间排距及围岩等级有关，根据工程前期经验，取τ=0.2；γ为每米药卷的炸药质量(kg/m)，本工程γ=1.1 kg/m；L为炮眼深度(m)，取值2.0 m。

经计算Qf=0.44 kg，为方便现场装药，故取单孔装药量0.45 kg即1.5卷炸药。考虑到底眼存在向下的外插角，故底眼装药量增大到0.6 kg即2卷炸药。采用两孔一段即两个炮孔使用同一个雷管段别，即最大单段起爆药量1.2 kg

2.2.4 周边眼雷管段别优化

由2.1.3分析可知，原方案中，周边眼爆破时自由面不充分，岩石夹制作用较大，造成隧道断面成型较差，故对周边眼的雷管段别进行优化，使周边眼滞后下一排的辅助眼爆破，即使周边眼爆破时存在3个自由面。优化后的周边眼雷管段别大于下一排辅助眼的雷管段别。

2.2.5 爆破网络优化

为防止2.1.4中所述的盲炮现象出现，最好的方法是孔外延期雷管只使用第1段。但是由于雷管段别有限，炮孔数目较多，不可能实现孔外延期雷管只使用第1段。若采用分次爆破，必然增加装药起爆耗时。为克服以上问题，本设计的优化方法采用纵向错开一次起爆。即下台阶断面的右侧部分超前于左侧部分两个爆破循环，超前的右侧部分作为Ⅰ-1区域一次起爆，滞后的左侧部分作为Ⅱ-2区域，采用孔外大段别雷管延期。Ⅰ-1区域的爆破飞石对Ⅱ-2区域的影响大大降低；同时，下台阶纵向错开，避免了下台阶爆破后上台阶的初期支护同时悬空。

根据上述的优化方案，得到优化后的炮眼布置如图4所示；爆破网络连接图如图5所示，图中阿拉伯数字代表雷管段别；爆破现场雷管布置如图6所示；爆破参数如表2所示。

图4 优化后的炮眼布置图(单位：mm)

图5 优化后的爆破网络连接图

图6 爆破现场炮眼布置图

炮孔名称段别眼数与掌子面夹角/°炮孔长度/mm单孔装药量/kg单段最大起爆药量/kg辅助眼1,3～15329020000.450.9周边眼5、9、12～15、1889320050.450.9底板眼10～11、15～20139520050.601.2

优化后的下台阶一次起爆Ⅰ-1区域与Ⅰ-2区域之间用第20段雷管进行孔外延期，导爆管网路传爆联接方式为簇联；爆破循环进尺1.8 m；共计炮孔53个，比钻眼个数2.16个/m2；炸药量25.8 kg，炸药单耗0.585 kg/m3；共用雷管58发，雷管单耗1.32发/m3。

2.3 优化后的爆破状况

(1)优化后的下台阶的爆破循环耗时4 h(其中出渣2 h)，打眼和爆破耗时占爆破循环总用时的50%，单位岩石爆破耗时为0.09 h/m3。

(2)爆破振速集中在0.5～0.7 cm/s，振速符合要求，振速最大值易出现在底板眼。

(3)断面成型效果良好，周边眼基本无欠挖。

(4)平均每30个爆破循环中，Ⅰ-2区域即第2组部分雷管出现盲炮现象。

与原方案相比，优化后的爆破方案，除爆破振速和炸药单耗略有上升之外，其他各项参数均下降：比钻眼个数下降了15.62%，雷管单耗下降了30.5%，单位岩石爆破耗时下降了18.18%，盲炮概率下降了83.33%。

3 结束语

为在下台阶的爆破施工中更好地应用各项爆破参数，本文提出以下建议：

针对围岩等级为Ⅳ级～Ⅴ级的下台阶而言，最上排辅助眼的自由面充分，其最小抵抗线即最上排辅助眼距离上部自由面的距离宜设置为1 000～1 500 mm，而其他各排辅助眼的间排距应小于1 000 mm，具体数值视实际围岩情况而定。

下台阶爆破时存在上台阶爆破形成的空腔，故其单段最大起爆药量应适当增大。具体数值应通过对空腔存在时的萨式公式重新回归，计算下台阶理论允许的单段最大起爆药量。

为使隧道断面成型良好，周边眼起爆时应保证充分的自由面，故周边眼的雷管段别大于下一排辅助眼的雷管段别，即滞后于下一排辅助眼起爆。

采用纵向错开一次起爆技术，可有效防止孔外大段别雷管延期存在的盲炮现象。

参考文献

[1]闫鸿浩,王小红.城市浅埋隧道爆破原理及设计[M].北京：中国建筑工业出版社,2013:22-25

[2]张祖远,王海亮.大直径中空孔直眼掏槽微振动爆破参数研究[J].隧道建设，2015，35(2)：174-179

[3]何 闯,王海亮,张 超，等.中深孔扇形掏槽减振技术在地铁隧道的应用[J].国防交通工程与技术，2015(5)：52-55

[4]王军涛,王海亮,杨 庆.城市硬岩隧道减振爆破直眼掏槽技术应用及实践[J].隧道建设,2014,34(6)：564-568

[5]方俊波.地铁隧道爆破施工下穿地表建筑物的减振技术研究[J].中国工程科学,2014,16(11)：58-64

[6]杨 庆,王海亮,王军涛.城市硬岩隧道下穿砖木结构建筑爆破控制技术[J].现代隧道技术,2014,51(1)：199-202

[7]王仁涛,王成虎,江英豪.等.青岛地铁太延区间爆破振动控制及影响评价[J].爆破,2015,32(3)：139-145

收稿日期：2015-11-11

作者简介：何闯(1990—)，男，硕士研究生，研究方向为矿山安全评价理论与方法584650078@qq.com

DOI：10.13219/j.gjgyat.2016.04.018

中图分类号：U455.41

文献标识码：B

文章编号：1672-3953(2016)04-0070-05

On the Optimization of the Blasting Parameters for the Lower Bench Blasting in a Subway Tunnel

He Chuang，Wang Hailiang

(Key Laboratory of Mine Disaster Prevention and Control，Shandong University of Science & Technology，Qingdao 266590，China)

Abstract:With the lower bench blasting construction of Section I of the main body of the Yan′an Road Station of Line 2 of Qingdao Metro as a practical example,problems occurring at the earlier stage of the blasting construction for the lower bench are analyzed in the paper,with all the parameters including the blasting-cycle footage,hole spacing and row,charge for a single hole,the maximum explosive charge for a single section,detonators′ segments of the contour hole,the blasting network,etc.,optimized.The results show that the optimized blasting scheme makes the number of drilling holes decrease by 15.62%,theconsumptionofdetonatorsreduceby30.5%,theblasting-takingtimeforaunitrockdecreaseby18.18%,andtheprobabilityofblindshotsdropby83.33%，asaresultofallofwhichthelowerbenchconstructionnotonlymeetstherequirementfortheblastingvibrationvelocity，butalso,inthemeantime,helpscutdowntheblasting-takingtime,reducetheconsumptionofexplosiveanddetonatorsandimprovestheblastingefficiency.

Key words:lower bench;blasting network;blasting parameters;subway;blind shot