复杂环境下深基坑砂岩爆破

刘国军

(1.甘肃省化工研究院有限责任公司，兰州 730020；2.甘肃兰金民用爆炸高新技术有限责任公司，兰州 730020；3.甘肃省民用爆炸工程技术研究中心，兰州 730020)

1 工程概况

随着城市的不断发展扩大，城市用地越来越紧张，为了满足发展的需要，城市建设只能在高度和向地下找空间；伴随着楼房高度的不断增加，深基坑开挖已经是高层建设必不可少的环节，且基坑开挖深度越来越大，但是城市深基坑开挖周边环境极为复杂，如何在深基坑爆破开挖中确保周边环境的安全是深基坑开挖不可忽视的环节。兰州名城广场项目总占地面积约53 000 m2，建设用地面积约51 000 m2。开挖基坑深25 m，且基坑边坡坡度较大，基坑周长1 200 m，根据工程地质调查及现场钻探揭露，在基坑开挖过程中基坑由南至北高5～8 m不等需大面积开挖的泥质砂岩，机械开挖施工困难，需采用爆破方式进行开挖，爆破总方量约15万m3。

1.1 工程环境

此次深基坑爆破开挖位于兰州市闹市区，周边环境极为复杂，基坑北面紧邻南滨河东路主干线及黄河湿地公园、黄河；西面为市民休闲娱乐广场—霍去病广场和雁滩黄河大桥，紧邻G30高速公路黄河大桥；南面为兰州市天水北路北口交通枢纽、天水北路高速收费站，距离开挖基坑30 m为3～4层普通民居，天庆家园小区、甘肃省高速公路管理处等；爆破周围环境如图1所示。

图1 爆破环境Fig.1 Blasting environment

1.2 岩石结构特点

基坑开挖主要为中密～密实状态的卵石和大厚度的第三系风化泥质砂岩层，场地地基物理力学性质整体较好，但局部地段受风化程度、成岩性等因素的影响，其性质存在差异性。自上而下分别为素填土1.5～2.2 m、杂填土2.3～6.2 m、粉细砂0.6～1.5 m、卵石4.0～12.8 m、中砂0.6～1.2 m、强风化泥质砂岩1.5～4.0 m、中风化泥质砂岩3～6 m。本次爆破主要为强风化泥质砂岩和中风化泥质砂岩段。

1.3 工程难点

由于此次新建建筑属于超高层建筑，开挖基坑深度较大，且周边环境较为复杂，对基坑开挖质量要求较高。爆破施工必须确保深基坑边坡及基坑基地岩石不受爆破扰动影响，爆破有害效应严格控制在有效范围之内[1-2]。主要难点：①基坑开挖深度较大，防止由于爆破振动引起基坑边坡(围护桩和土钉墙)损伤；②保证深基坑地板基岩部分不受爆破扰动影响；③深基坑周边为砂质岩性，确保爆破振动不会造成周边地基下陷，保证周边民房的安全；④开挖基坑周围环境复杂，尤其是居民楼较多，人流、车流量密集，要严格控制爆破飞石超出基坑周界范围；⑤城市大面积爆破施工，严格控制粉尘对周边环境的影响。

2 爆破方案

2.1 爆破精细分区

由于本次基坑爆破开挖岩石属于中密～密实状态的卵石和大厚度的第三系风化泥质砂岩层，拟建建筑高度较高，爆破对基坑地基的保护要求较为严格，如果由于爆破造成基坑原岩扰动，达不到地基承载力，将直接影响建筑物的高度；在爆破前通过试爆，监测采用中深孔爆破对地基的扰动深度超过1.5 m，采用浅孔爆破对地基的扰动深度小于0.5 m。在爆破安全防护参数指标不变的前提下，根据爆破周围环境、现场施工条件及深基坑安全防护等，通过现场试验，采取分层、分区、浅孔与深孔弱爆破的施工技术方案。爆破区内不同的爆点必须采取不同的爆破设计参数。

根据前期试爆相关监测数据，结合现场实际情况。决定开挖顺序：基坑周边8 m范围内的爆破采用多打孔、少装药、小台阶浅孔爆破方式，开挖深度不大于1.5 m；基坑周边8 m范围外的爆破采用常规深孔爆破方式，开挖深度不大于5 m；为了减小爆破对基坑基底岩石的扰动，在爆破时，基坑底部预留500 mm保护层不进行爆破作业，待爆破结束采用人工或机械方式进行处理[3-4]。

2.2 爆破参数

①孔径D：综合现场施工条件、现有设备情况及施工安全的需要，穿孔设备选用小型履带式浅孔钻机。②最小抵抗线W：由于本次基坑开挖深度较大，为了保证爆破安全，同时满足爆破效果，根据相关技术资料及施工经验，取深孔W=2 m，浅孔W=1 m。③孔距a与排距b：为了保证爆破效果，降低爆破块度，同时考虑到尽量降低单孔装药量，本次爆破采用大孔距小排距施工方案，一般孔距a=(1.0～1.5)W；排距b=W。④开挖深度H：本次基坑爆破开挖深度深孔不超过5 m，浅孔不超过1.5 m。⑤超深h1：根据《爆破安全规程》相关规定[3]，h1=(0.05～0.1)H，此处根据岩石性质深孔h1取0.5 m，浅孔h1取0.3 m。⑥钻孔深度l：钻孔深度为开挖深度加超深。⑦炸药单耗q：该工程爆破开挖部分为砂岩或中风化砂岩，根据《爆破安全规程》及在市区相关工程施工经验，深孔爆破炸药单耗0.3 kg/m3，浅孔爆破炸药单耗0.5 kg/m3；实际施工中，根据试爆情况及时进行调整[5]。⑧单孔药量Q：根据公式Q=qabH计算。具体参数如表1所示。

表1 爆破参数

3 起爆网路

此次基坑爆破开挖周边环境极为复杂，为了保证起爆网路的安全，起爆网路采用“非电毫秒延时塑料导爆管雷管”起爆系统。同时为了更好地控制爆破振动对基坑边坡、周边民房、高速公路高架桥、高速公路护坡等的安全，爆破网路连接采用逐孔起爆技术，严格控制单响起爆药量，采用炮孔内装MS11段高段位导爆管雷管，孔外接力用MS3段低段位导爆管雷管，排间MS5段顺序起爆，每次起爆不超过4排；逐孔起爆网路如图2所示。

图2 起爆网路Fig.2 Initiation network

4 安全校核与防护

4.1 爆破飞石防护

爆破飞石距离是爆破目标表面介质在爆破冲击波的推动下向四周激射飞散所致，因爆破区周边环境较为复杂，爆破飞石的防护工作是保证爆破施工安全的关键因素之一。为了控制爆破飞石采取的措施：合理布孔，优化爆破参数，限定最小抵抗线和单孔药量；精心施工，逐个检查炮孔、孔位、孔深，确保填塞密实度和填塞长度；每次爆破作业，必须加强警戒，严防无关人员、车辆等进入警戒范围内；为了保证爆破飞石安全，需采用加厚帆布、竹笆等进行覆盖，重点部位采用土袋、砂袋等进行防护[6-7]。

4.2 爆破振动的评估

本次爆破振动重点保护对象为深基坑自身边坡稳定性、深基坑地基，高速公路保证高架桥桥墩、普通民居及周边砂质地基下陷等的安全。根据《爆破安全规程》[3]中规定，爆破振动对周围建筑物破坏影响可采用下式计算：

(1)

式中：v为被保护物所在地质点振动速度，cm/s；k为与介质性质爆破有关的系数，100；k0为修正系数，取1；Q为延时爆破最大一段药量，kg；R为爆破振动安全允许距离，m；α为衰减系数，α=2.0。

本次爆破周边环境极为复杂，需要重点保护对象较多。根据计算，采用逐孔起爆技术，深孔爆破控制最大单响起爆药量不超过10 kg，爆破对周围建构筑物产生的振动速度小于国家相关标准规定的振动速度。为了保护爆破振动对深基坑边坡及基底的扰动影响，采取如下措施：①在实际施工中，加强爆破振动监测，对回归实际的K、α值，及时进行爆破参数的调整；②为了降低爆破振动对基坑地基扰动的影响，现场对基坑爆破部分进行现场监测，分析爆破前后地基分布力学性质的变化。按逐层爆破的方式，进行岩体波速测试，通过波速的衰减规律判定爆破开挖对地基岩体的损伤程度，及时调整爆破方案，尽可能使地基岩体不受扰动。同时，对各监测孔位均进行瞬态面波法测试，两种方法相互验证，互为补充，使所得监测结果真实可靠。爆破作业完成后，对主楼筏板基础部分采用瞬态面波法测试，以便了解爆破作业对主楼筏板基础部分的影响；③爆破前在基坑周边布置1排减振孔，减振孔间隔1 000 mm，深度超过基坑开挖深度500 mm，孔径为140 mm。

表2 爆破振速对比

4.3 爆破粉尘控制

在爆破工程中，爆破粉尘产生的主要途径是钻孔作业、爆破过程中岩石破碎产生的粉尘、爆破冲击波引起的地表粉尘等。爆破粉尘是城市复杂环境下爆破作业的主要有害效应之一，为了防止爆破粉尘对周边环境的影响。①钻孔采用湿式钻孔技术，装药回填采用细砂加水封堵方式降低钻孔作业和爆破过程中岩石破碎产生的粉尘；②爆破前在基坑周边每隔2 m提前架设水喷雾装置，爆破时开启装置，使爆破作业现场形成水雾，有效地降低了爆破产生粉尘进一步扩散，将粉尘有效地控制在基坑范围之内，达到了环保高效爆破作业的目的。

5 爆破效果

此次深基坑爆破开挖过程中，通过对爆破振动和地基扰动进行现场实地监测，及时调整爆破参数，采用浅孔和深孔相结合的弱爆破技术，基坑底部预留50 cm保留层，在50 d内成功完成深基坑15万m3的爆破开挖任务。爆破对基坑底部岩石的扰动影响在允许范围之内；同时通过现场湿式钻孔作业和水喷雾装置，有效地控制了城市复杂环境下爆破作业粉尘有害影响；采用预裂孔有效地保障了爆破振动深基坑边坡及周边建构筑物的安全，爆破取得圆满成功，为在城市复杂环境下深基坑爆破开挖积累了一定的经验。