复杂环境下地铁基坑钻爆开挖预裂减震技术

唐开富, 郭桂喜

(中国中铁股份有限公司， 广东广州 510308)

1 工程概况

1.1 工程简介

南石路站是广州轨道交通十一号线第25座车站，车站基坑明挖段长326.2m，标准段宽为20.3m，最大开挖深度为25.9m。基坑开挖采用明挖顺做法施工，钻孔灌注桩围护+钢管(混凝土)支撑联合围护，基坑内管井降水，车站围护结构如图1所示。基坑开挖采取钻爆开挖与机械开挖相结合的方式，根据地勘资料显示，开挖岩体大部分为中风化泥质粉砂岩。

图1 车站围护结构剖面

1.2 施工周边环境

车站站位所在地块绝大部分位于已拆迁的广州纸厂原厂区范围内，场地较为平整。周边现状：车站西端位于南石路以东广州自行车飞轮厂用地内，地势局部比广纸地块低1m左右；站位中部北侧为海珠区棣园村1～3层住宅；车站西端南侧附近有一座110kv变电站，变电站围墙距离主体基坑最近约为6.5m；变电站西侧有一处高压线塔，线塔距离主体基坑约10m。南石路周边建筑物调查情况见表1，周边环境详见图2、图3所示。由此可见该地铁车站基坑施工周边环境复杂，开挖爆破振动控制与围岩稳定是工程施工中安全监控的难点和重点。

图2 周边环境现状

图3 周边环境平面示意

1.3 钻爆开挖要求

(1)由于爆破开挖基坑周边环境比较复杂，基坑开挖要求进行精心爆破设计并采取降震措施，依照GB6722-2014《爆破安全规程》中相关规定，结合实际情况，将爆破振动速度控制在4.0cm/s以内。

(2)保护围护结构的安全。

(3)爆破后岩石块度均匀，利于岩渣装运。

2 钻爆开挖方案

基坑开挖遵循“竖向分层、纵向分段、先支后挖、由中间向两端推进”的施工原则，上部覆土和强风化松散岩层优先采用机械开挖，下部坚硬岩则采用爆破开挖。在开挖期间预留出渣车辆通道，以便于渣堆装运。根据开挖基坑周边环境与施工要求，严格控制该地铁车站基坑钻爆开挖引起的爆破地震动强度，并保证施工周边人员与建(构)筑物安全是施工监控的难点和重点。因此，选择适当的钻爆施工工艺、严格控制单段最大起爆药量以及合理选择爆破参数和起爆网路，并在施工过程中加强爆破振动监测，是基坑开挖爆破设计与施工中优先考虑的问题。经施工方案比较分析，该地铁基坑开挖采用浅孔台阶松动爆破方案，主爆区起爆网路采用孔内、孔外联合网路，开挖边界部位采用预裂爆破，以最大限度地将爆破地震波强度降到安全许可限度内。考虑到施工现场照明线路较多，并且杂散电流较强，爆破器材选用国产新型导爆管雷管，以确保基坑钻爆开挖施工安全。基坑开挖爆破遵循多打孔、少装药、多分段的施工原则，充分利用地震波的时空叠加相干作用，将爆破地震强度降低到最小。

表1 南石路站周边建筑物统计

3 爆破设计

根据基坑开挖方案和爆破振动控制要求，开挖爆破区两侧墙打超前预裂孔，以阻隔爆破地震波的传播，降低爆破震动对周边建筑物的扰动。根据施工进度计划、施工条件和设计的孔网参数，爆破工作线垂直车站基坑轴线布置，由中间向两端推进。爆破施工要求所用炸药不含任何有毒物质，爆炸性能稳定，炮烟少，因此炸药选用具有抗水性能的2#岩石乳化炸药，药卷直径为32mm，药卷密度为0.95～1.1g/cm3，爆速不小于3 200m/s。

3.1 主爆孔爆破参数

(1)开挖深度：一般地分层开挖深度(即台阶高度)H=3.0m，实际依据地形进行调整。

(2)孔深与超深：孔深L=H+h，并随地形变化而变化，其中超深h为开挖深度的0.1～0.15倍，实际取h=0.3m。

(3)炮孔直径：孔径D按钻孔设备确定，D=70mm。

(4)底盘抵抗线：根据岩性和台阶高度选取，底盘抵抗线Wd=(0.4～1.0)H，经试爆取Wd=2.2m。

(5)孔距和排距：孔距a=(1.0～2.0)Wd，为施工方便，实际取a=2m，排距b=a/m，m为炮孔密集系数，取m=1.15，则b=1.8m。

(6)炸药单耗q：根据岩性和岩石爆破块度要求，经过试爆，该项目砂质泥岩中q=0.20kg/m3。

(7)单孔装药量：单孔装药量按公式Q=qabL计算确定，单孔装药量应根据现场孔深及自由面情况进行调整。

(8)填塞长度：填塞长度L′=(0.8～1.0)Wd。

(9)装药结构：采用连续装药结构。

炮眼布置采用梅花型，每次爆破5 排，每排孔数依开挖区域面积调整确定。在开挖区域两侧边线位置各布置1排预裂孔，炮孔布置如图4所示。

图4 炮孔布置与起爆网络

3.2 预裂孔爆破参数

预裂孔直径与主爆孔相同，即D=70mm。预裂孔的超深应大于主爆孔底部的垂直方向破裂半径，根据经验公式确定，即h0>(10～20)D[2]，实际取h0=0.7m。预裂孔采用不耦合装药结构，其不耦合系数为2.2，孔内药卷由导爆索串联连接后接毫秒延期导爆管雷管，以实现微差爆破。预裂孔线装药量按如下经验公式计算：

qx= 0.034 × [σc]0.63[a]0.67

(1)

式中：qx为预裂孔线装药密度(kg/m)；σc为岩石极限抗压强度(MPa)；a为预裂炮孔间距(m)。

按如下经验公式确定：

a= (8～12)D

(2)

式中炮孔直径D=70mm，则其预裂炮孔间距应为56～84cm，实际取值60cm。开挖岩石的极限抗压强度为38.5MPa，经计算取qx=0.24kg/m。预裂孔填塞长度为0.6～0.8m。

3.3 起爆网络

为有效控制爆破地震效应和爆破飞石，车站基坑开挖爆破网路采用孔内、孔外联合延时网路，优先起爆预裂孔，然后起爆主爆孔。主爆孔采用中心V型起爆，起爆器材选用新型国产高精度导爆管雷管，孔内延期时间为250ms，孔外延期时间为9ms，排间延期时间为25ms，预裂孔超前第一个主爆孔100ms起爆。为严格控制单段最大起爆药量，起爆点两侧炮孔延期时间错开8ms，以保证各个炮孔逐次接力起爆。炮孔布置与起爆网路如图3所示。

4 预裂减震效果分析

4.1 爆破振动控制

该基坑开挖工程要求爆破振动速度控制在4.0cm/s以内，于是爆破施工需严格控制单段最大起爆药量。单段最大起爆药量依据萨道夫斯基爆破振动速度公式进行测算：

(3)

式中：v为爆破振动速度(cm/s)；Q为单段最大起爆药量(kg)；R为爆源中心到被保护对象的距离(m)；K、a为与地质条件等有关的系数和衰减指数。

根据现场爆破振动监测数据回归分析，对于垂直振动方向，K=89.2，a=1.59，则保护对象所允许的最大单段药量见表2。

表2 被保护对象所允许的最大段装药量

由此可见，爆破近区单段许可的最大起爆药量为2.30kg，而基坑开挖爆破中实际单段最大起药量为2.16kg，说明装药设计符合爆破振动控制要求。

4.2 减震效果验证

在爆破施工过程中，分别在4处重点被保护对象近爆区各点布置TC-4850型爆破测振仪，对爆破振动速度进行监测，所测最大爆破振动速度范围见表3。

表3 监测点最大爆破振动速度范围

可见，该车站爆破开挖中所测得的爆破振动速度均远小于工程要求的爆破振动速度，符合基坑爆破安全施工标准，确保了基坑钻爆开挖不会对周边建(构)筑物带来危害。

5 结 论

(1)研究了复杂环境条件下城市地铁车站基坑钻爆开挖的合理施工方案，该方案大幅度降低爆破振动效应，进而能够防止基坑开挖爆破施工对周围建筑物和围岩等的破坏。

(2)该地铁车站明挖段爆破开挖工程爆破效果表明，基坑爆破所采用的孔内、孔外延时的立体爆破网路不仅严格控制了单段最大起爆药量，实现炮孔的相继接力起爆。而且使爆破地震波在时间和空间上峰谷叠加，显著降低爆破震动强度和控制爆破飞石，这是复杂环境下行之有效的爆破控制技术，实现了基坑钻爆开挖的安全与高效。测点爆破振动监测数据表明，与单孔或排间起爆方式相比，采用立体爆破网路可使爆破振动峰值降低近35 %。

(3)在城市复杂环境下的爆破施工中应用预裂爆破技术是降低爆破震动强度的有效措施。预裂爆破在主爆区与被保护对象之间形成的预裂缝阻隔了爆破地震波的传播，从而有效保护施工区的周边建筑物。

(4)预裂爆破与孔内、孔外延时的立体爆破网路的联合使用实现了复杂环境下地铁车站明挖段基坑钻爆开挖的减震技术。