基坑爆破采用减振孔和数码雷管降低振动速度应用技术研究*

2021-04-07张传军

施工技术(中英文) 2021年2期

张传军

(中铁隧道股份有限公司，河南郑州 450001)

随着我国经济的快速发展，城市地铁基础设施建设方兴未艾。但地铁车站修建多处于闹市区等复杂环境条件下，地铁施工中在处理硬岩地层时，爆破施工最为经济便捷。但由于地铁的特殊性，其沿线通常贯穿城市繁华地段，复杂环境给爆破施工带来一定难度。当城市爆破场地局限性较大时，为了不影响工程进度，又能保证安全，采取控制爆破和减振措施是实现进一步降振的较好选择。

本文以厦门市地铁3号线湖里公园站工程为例，对减振孔和数码雷管的爆破技术进行研究并综合应用，达到降振目标，降低爆破振动对周边环境影响，为类似复杂环境条件下基坑爆破施工提供参考。

1 减振技术数值模拟计算

通过对数码雷管及减振孔模拟计算，总结出减振规律。

1.1 数码雷管减振技术数值模拟计算

通过数值模拟计算，探讨减振孔参数对减振效果的影响。在装药量、传播距离、岩土介质本身性质一定的情况下，实现干扰降振的关键方法在于确定合理的微差延期时间Δt。利用ANSYS/LS-DYNA3D有限元计算程序对爆炸波传播过程、爆破地震波的形成和传播过程进行数值模拟研究，进而得出使振动强度最小的微差延期时间差。

计算参数：炮孔孔径40mm、孔深3m；乳化炸药单耗0.3kg/m3，共4个孔，孔距2m；岩石为微风化花岗岩。电子雷管延期时间为1，3，5，7，10，15，30ms共7种工况。计算工况与模型如图1所示。

图1 计算工况与模型

GB 6722—2014《爆破安全规程》中将介质振动速度作为建筑物是否处于危险区的依据。因此，对不同延期时间在不同测点处的振动峰值进行对比分析。

1)孔距1.0m质点峰值振动速度对比

在浅孔台阶爆破数值模拟中，选取花岗岩表面上距离药柱分别为5，10，15m的3个单元绘出振动速度变化曲线，通过将不同延期时间在不同测点处的振动速度峰值进行对比分析，绘出峰值对比曲线(见表1,图2)。

表1 浅孔台阶(孔距1.0m)峰值振动速度 m·s-1

图2 振动速度峰值(孔距1.0m)对比

2)孔距1.5m质点峰值振动速度对比

炮孔间距1.5m工况下，将不同延期时间在不同测点处的振动峰值进行对比分析，结果如表2,图3所示。

表2 浅孔台阶(孔距1.5m)峰值振动速度 m·s-1

图3 振动速度峰值(孔距1.5m)对比

3)孔距2.0m质点峰值振动速度对比

炮孔间距2.0m工况下，将不同延期时间在不同测点处的振动峰值进行对比分析，结果如表3,图4所示。

表3 浅孔台阶(孔距2.0m)峰值振动速度 cm·s-1

图4 振动速度峰值(孔距2.0m)对比

由图2～4可见，浅孔台阶爆破中单孔单响时，在微风化花岗岩中的最佳延期起爆时间应为5～7ms。

1.2 减振孔降振数值模拟计算

通过数值计算，探讨减振孔参数对减振效果的影响。

1.2.1计算模型

为了研究减振孔参数对减振效果的影响，现设定一种工况为基本参数。基本参数工况下爆源炮孔直径为90mm，炸药为1kg乳化炸药。减振孔的基本参数为直径100mm，孔深3m，孔距20cm，爆心距5m，单排炮孔。基本参数工况下数值计算模型如图5所示。

图5 基本参数工况下数值计算模型

1.2.2计算结果

减振孔前后垂直方向速度对比如图6所示，无减振孔测区振动速度为34.4cm/s，有减振孔测区振动速度为10.4cm/s，在减振孔两侧对称布置振速监测点，用减振孔两侧最大振速的差值与爆源侧最大振速的比值作为减振率，更直观地检视减振孔的减振效果。减振率公式η=(v1-v2)/v1×100%，其中v1表示爆源侧质点峰值振速，v2表示非爆源侧质点峰值振速。根据减振率的定义，可得基准工况下减振孔的减振率为69.8%。

图6 基准工况下减振孔前后速度对比

2 数码雷管与减振孔的降振试验

2.1 数码雷管与浅孔台阶爆破振动试验

2.1.1试验设计思路

爆破试验区域选址于湖里公园站基坑小里程端，采用数码雷管起爆网路，露天浅孔台阶爆破试验时，监测不同距离的孔间间隔5ms延期时的爆破质点振动速度。

2.1.2试验参数

爆破开挖采用浅孔台阶爆破，台阶高度h=2.5m，采用梅花形布孔，分4排，使用2号岩石乳化炸药，直径32mm，每条0.2kg，总装药量为92.4kg，每个孔放置1枚雷管，单孔单响，单排孔间间隔5ms，排间间隔50ms。其中，第1～4排最大段药量为2.2kg/m3，孔径为50mm,孔深2.8m，孔距2m，排距1.5m；孔数分别为10，12，10，10个。

2.1.3监测点布置

爆破振动监测点共布置6个，分2组，每个测点上布置3向传感器(1个垂直速度，2个水平速度)，监测质点振动速度的3个方向分量。数码雷管爆破时监测点以爆源为中心点，垂直爆源方向布设，监测点布置如图7所示。

图7 监测点布置示意

2.1.4监测结果

对爆破现场进行振动监测，结果如表4所示，其中测点1，2，3为第1组，测点4，5，6为第2组。

表4 第1组爆破振动速度质点峰值

2.2 减振孔降振试验

为研究观测减振孔排数及减振孔与爆源距离对减振孔爆源侧与非爆源侧的爆破质点振动速度和频率的影响，并对理论计算结果进行验证，进行减振孔降振试验。

试验地点在湖里公园站基坑，先后进行单排孔、双排孔及3排孔共计9组试验(见图8)。减振孔参数：孔深4m，孔距20cm，孔径90mm，排距15cm。2号岩石乳化炸药，导爆管雷管起爆。

图8 爆源及爆破振动测试点位置示意

2.2.1单排减振孔爆源侧振动监测结果

单排减振孔在距爆源15.1，14.2，13.3m工况下对振动速度进行监测结果如表5所示。

表5 单排减振孔在各工况下振动速度

2.2.2双排减振孔爆源侧振动监测结果

双排减振孔在距爆源10.6,9.0,8.5m工况下对振动速度进行监测结果如表6所示。

表6 双排减振孔在各工况下振动速度

2.2.33排减振孔爆源侧振动监测结果

3排减振孔在距爆源6.7,5.2,4.8m工况下对振动速度进行监测结果如表7所示。

表7 3排减振孔在各工况下振动速度

3 数码雷管及减振孔的综合降振应用

3.1 工程概况

厦门市地铁3号线湖里公园站紧邻别墅区及军缆、自来水等重要管线，周边环境极其复杂(见表8)。车站基坑地层以中微风化花岗岩为主，岩石单轴抗压强度可达120MPa，基坑总爆破开挖量达13万m3。

表8 湖里公园站周边主要建(构)筑物情况

3.2 爆破方案确定

湖里公园站开挖量大，且周边环境复杂，为达到施工进度及确保基坑安全的要求，需严格控制爆破振动，采取浅孔台阶控制爆破及综合应用数码雷管和减振孔等技术措施，降低爆破振动危害。

车站两侧无施工运输通道，基坑开挖采用拉槽至基底，横向分幅，纵向分层，从车站北端依次倒退式开挖。钻孔爆破以错步台阶或梯段形式出现，充分利用天然临空面或创造更多的临空面增加爆破临空面，左、右幅前后错开一定距离，形成1～4个工作面，每个工作面纵向长4～6m，宽10m，高1.0～3.0m，基坑爆破作业施工组织方式如图9所示。

图9 基坑爆破作业施工组织示意

3.3 爆破参数设计

采用浅孔台阶爆破法开挖，为获得较好的破碎及松散爆破效果，采用宽孔距、短排距的布孔方式实施微差爆破；严格进行覆盖防护；为了减少大块提高爆破效果，采用a/b=m>1的孔网参数设计，a，b分别是孔距、排距，取a=(1.5～2.0)b，b=W，W为炮孔最小抵抗线。采用梅花形布孔方式，耦合装药，分段延时起爆，爆破孔参数如表9所示。台阶分布及钻孔布置如图10所示。

表9 基坑爆破孔网参数及每孔装药量

图10 钻孔布置示意

根据《爆破安全规程》，考虑周边建筑物的安全，单段总药量应根据爆破振动安全允许距离的公式确定，则Q=R3(V/K)3/a，其中Q为炸药量，延时爆破为最大单段药量(kg)；R为爆破振动安全允许距离(m)；K，a为与爆破地点地形、地质等条件有关的系数和衰减系数；V为控制点的振动速度(cm·s-1)。具体实施过程中采取孔底加砂垫层、孔底起爆间隔装药延时起爆等措施进一步减振，对相关参数进行拟合，取K=150，α=1.8。同时，为了保证房屋安全，爆破点距离建筑物较近部位，在基坑外靠近建筑物保护区侧布设减振孔，并采用数码雷管进行减振控制。

根据多排减振孔试验结果，在打设3排减振孔的平均降振率为50%，则许可振速为4.0cm/s时，不同建筑物最大允许段药量如表10所示。