城市环境中地铁竖井爆破施工及监测分析

邵 飞

(中铁十局集团建筑工程有限公司,山东 济南 250101)

1 工程概况

1.1 设计概况

厦门火车站城市轨道交通预留工程是厦门火车站综合交通枢纽的重要组成部分，在完善城市综合交通体系、提升旅客服务水平等方面具有重要意义。预留工程折返线隧道位于厦门火车站旅客地道正下方，轨道交通轴线与旅客地道轴线投影重合；全长350 m，采用双线单洞断面，线间距5 m，埋置深度15.4 m～15.7 m。折返线隧道端头2个竖井，其中北竖井位于火车站广场，南竖井位于金榜山北侧火车站南广场施工工地附近，金榜山和既有道路中间，且既有道路靠火车站侧有深基坑正在施工，施工场地狭窄。

南竖井轴线与区间右线交点里程为AK0+177.273，断面形状及内净空尺寸为9 m×12 m的矩形断面，井深36.91 m。竖井周围无重要建筑物，竖井支护结构为地面下3 m，井口设置C35钢筋混凝土锁口圈梁，地下3 m～10 m段采用格栅钢架、C25网喷混凝土加φ32×3.5 m锚管的联合支护，地下10 m至井底段采用格栅钢架、C25网喷混凝土加φ25×3.5 m砂浆锚杆的联合支护；初期支护厚度为35 cm，保护层厚度内外均为4 cm，施工竖井除地表下3 m井口段范围内一次开挖并衬砌外，其余以下部分随挖随支护。竖井后期兼做风井，作为永久结构。

1.2 地形地貌及地层特性

1.3 周围环境情况及安全要求

爆区周边环境较为复杂。南竖井东侧为活动房，距离为40 m；西侧为金榜南路，距离为10 m；南侧为金榜山，距离为20 m；北侧火车站南广场在建候车楼，距离为180 m。要求爆破对附近建筑物不得造成损伤，同时避免爆破个别飞散物，不得对人员和车辆造成伤害。在文明施工方面，要求爆破噪声不得影响周边居民正常的生活和工作。

2 爆破设计

2.1 爆破设计原则及方案选择

为确保工程工期、保证质量，根据规范[1]，结合工程现场的实际情况，确定该工程为大断面竖井掘进爆破，爆破设计原则为[2，3]：

1)在竖井地面不平整的地段，利用岩石的斜面部分做自由面，分台阶进行垂直浅孔松动爆破。

2)为减少爆破的不利影响，在竖井中岩面平整的地段，先在竖井中爆破开挖小竖井，然后以小竖井为自由面，分台阶爆破。

3)起爆顺序的原则为先起爆的炮眼应为后爆炮眼创造自由面。采用毫秒微差导爆管雷管控制段起爆药量，一段起爆药量根据萨道夫斯基爆破振动速度公式确定。

4)周边眼采用光面爆破，以减小爆破对围岩的扰动，且使爆后周边围岩圆顺。

综合考虑工期进度要求以及周边环境的安全，同时考虑到爆破作业区域的实际条件、岩石的构造、施工队伍装备等方面的要求，竖井掘进中软弱围岩段采用镐铲作辅助开挖，岩石采用钻爆法开挖，出碴采用卷扬机垂直运输方式，钢模板配合混凝土泵灌注衬砌。爆破中采用“分步开挖、先开挖小竖井部分，后分台阶开挖剩余部分”的开挖方案；小竖井采用“楔形掏槽，非光面爆破”，其他部位“分台阶松动爆破，周边孔光面爆破”爆破方案。

2.2 爆破器材及参数选择与装药量计算

2.2.1选用爆破器材

炸药选用φ32 mm的2号岩石乳化炸药，光面爆破用φ25 mm的2号岩石乳化炸药，雷管采用毫秒延期导爆管雷管(1段～20段)，起爆系统选用CHA-1000型起爆器及激发针。

2.2.2中央小竖井掘进爆破参数计算

1)竖井的循环进尺选1.5 m。

2)平均炸药单耗。中间小竖井的药量按式(1)计算：

(1)

其中，q为岩石爆破单位体积下炸药消耗量，kg/m3；f为岩石坚固性系数；S为隧道断面积，m2。爆破区域的围岩基本为花岗岩，岩石坚固性系数f取5～12。故qmin取1.2 kg/m3，qmax取1.6 kg/m3。辅助垂直炮孔和光面爆破周边孔按照经验分别取0.3 kg/m～0.5 kg/m和0.1 kg/m3～0.2 kg/m3。

3)辅助孔抵抗线，按式(2)计算：

W=(15～25)d

(2)

其中，W为最小抵抗线；d为炮孔直径，mm，取40 mm；Wmin=15×40=600 mm=0.6 m；Wmax=25×40=1 000 mm=1.0 m；W取0.8 m。

4)孔距a、排距b的确定。孔距可按式(3)确定。

a=m·W

(3)

其中，m为炮孔密集系数，m=0.8～1.2；排距b=(0.8～1.0)a小竖井辅助孔：a，b均取0.8 m；台阶爆破：a取1.0 m，b取0.8 m。

5)孔深与超深：竖井的循环进尺选1.5 m，台阶爆破台阶高度也为1.5 m。确定h′可按下式计算：h′=(0.08～0.35)W=0.06 m～0.28 m。取0.2 m。实际超深可根据爆破效果调整。实际钻孔深度L=H+h′=1.5+0.2=1.7 m。

6)掏槽孔。竖井掘进先在竖井中央开挖一个3.2 m×3.2 m的小竖井，采用二级复式楔形掏槽，各对斜孔顶端的距离不得小于20 cm，掏槽孔的深度，应比辅助孔、周边孔深20 cm。

综上可得，小竖井爆破炮孔布置及装药参数见表1。同理，计算出竖井其他部位台阶爆破参数见表2。

表1 竖井爆破开挖装药参数表

2.2.3装药、填塞设计

采用连续装药正向起爆结构、连续堵塞结构；起爆网路形式、起爆网路图，中央小竖井采用簇联起爆网路竖井其他部分爆破起爆网路，采用孔内延期四通网状起爆网路。

表2 其他部位爆破参数

3 深基坑爆破振动速度的规律

3.1 振速测试结果

爆破施工过程中对爆破分别进行了测试。测试采用拓普UBOX20016便携式数据采集设备和该仪器配套的垂直传感器和水平传感器。测点位于竖井四周，距离井壁水平边缘分别为5 m，10 m，20 m，40 m。爆破中按照最大振速2.5 cm/s进行控制，测试得到的最大振速为1.45 cm/s。表3为竖井开挖深度分别为5 m，10 m，20 m，30 m时的不同测点的振动速度测试结果。

表3 不同测点的振动速度测试结果

3.2 振速分布特点

通过分析，可以得出以下结论：

1)竖井爆破振动速度存在一定的高程放大效应，相对高差越大，放大系数越大，高程对爆破振动波的放大效应明显。

2)岩石爆破的振动持续时间较短，一般在1 s以内，水平向和竖向的持续时间比较接近，且随距离的增加振动持续时间有所增长。

3)振动速度随水平距离增加而迅速地衰减，而且振动速度的衰减呈非线性，初始衰减速率较大，随后衰减速率变小。

4 结语

实践证明，厦门火车站城市轨道预留工程竖井爆破施工选取的参数满足了施工进度需求，振动速度监测数据也表明了爆破满足了周边环境影响控制的要求。随着城市轨道工程的发展，类似的项目会进一步增多，本文的相关参数及结论可为今后该领域的类似工程提供一定参考。