超大城市营运地铁车站下方地墙控制爆破

刘文广

(上海消防技术工程有限公司，上海 200081)

轨道交通是目前城市交通的重要组成部分，尤其是超大城市；截至2021年，上海地铁运营线路共19条，运营里程772 km。上海地区由于是冲积平原，地铁隧道分布在饱和土中，因此隧道掘进全部采用泥水平衡盾构机。但在隧道城市地下穿越过程中，不可避免的要穿越各种障碍如建筑物桩基、基坑维护结构，尤其是由于地铁线路纵横，盾构推进中有大量的掘进隧道和现有地铁车站交叉，需穿越地铁站的混凝土连续墙。泥水平衡盾构机如果采用刀盘切削混凝土结构，由于其推进和刀盘结构与TBM硬岩盾构机不同，会对刀盘带来严重伤害，而且切削穿越一堵墙的时间长达数月。采用爆破技术先将混凝土结构破碎，然后再穿越就容易得多。但爆破时需要解决临近结构保护、地下30多米深处的安全准爆和爆破效果等难题。

1 工程概况

上海轨道交通18号线沟通宝山、杨浦、浦东三区，自民生路越过黄浦江后，在民生路下方由北向南推进，在杨高路地下和9号线杨高路站垂直穿越(如图1)，需要在车站下方横穿车站两侧地下连续墙，穿越位置在杨高路地铁车站大地板下方2.8 m处。

图1 18号线隧道和9号线杨高路站平面示意图Fig. 1 Schematic plan of line 18 tunnel and line 9 Yanggao Road Station

18号线采用中交天和φ6850 mm泥水平衡盾构机掘进施工，难以切削地下连续墙，因此决定决定对地墙穿越位置采用爆破破碎，然后穿越的形式。

被穿越的9号线杨高路地铁站是上海营运线路，每天营运时间5：30～23：30。车站为地下二层的中岛式结构，底板厚1200 mm，内衬厚400 mm。盾构穿越段的车站两侧地连墙采用800 mm厚、C20玻璃纤维筋混凝土，墙底标高-26.7 m，盾构切削面垂直于地墙。车站底部为车站施工时加固土，强度大于0.8 MPa。

18号线左右线盾构分别2次穿越9号线杨高路站地连墙，该段盾构中心标高约-18.67 m，隧顶与车站底板垂直净距约为2.8 m。如图2所示。穿越段盾构掘进主要位于在⑤11灰色粘土、⑤12灰色粉质粘土和⑥暗绿～草黄色粘土。

图2 18号线隧道和9号线杨高路站立体示意图(单位：m)Fig. 2 Profile of the line 18 tunnel and line 9 Yanggao Road Station(unit:m)

2 爆破地墙周边环境

待爆地墙本身是另一条营运线路的车站基础结构，穿越爆破主要涉及以下保护目标。

2.1 运营地铁站

18号线穿越位置在9号线营运的地铁站大底板下垂直距离2.8 m处，穿越最高点与地铁站大底板距离2.8 m，距离乘车站台5.6 m；由于是营运车站，爆破时只能选择每天列车停运后的5 h施工。同时要保证地铁站内营运控制室、配电房、玻璃屏蔽门、水电风管道、地铁电缆挂架等的绝对安全。这也是工程保护的重点。

2.2 杨高路地表设施

爆破位置地表是民生路和杨高路交叉路口，两条路都是浦东新区主干道，道路下方密集分布各种管线，尤其是沿民生路穿越杨高路的管线，和爆破地下连续墙垂直穿越，涉及信息、煤气、给水、雨水等管线，见表1。杨高路地面上是杨高路跨越民生路的高架跨线桥，爆破穿越点水平距离高架立柱距离8 m，空间距离为19 m。

表1 杨高路地表管线列表Table 1 List pipelines of Yanggao Road Surface

3 爆破技术方案

3.1 设计方案选择

待爆破地下连续墙为混凝土墙结构，位于地下28余米饱和泥砂土内，根据现场环境，采用自地面地下连续墙顶部中心线位置钻凿垂直深孔、直达爆破部位，然后分段装药原地爆破破碎的设计方案，为后续盾构穿越施工减少阻力。

3.2 地墙爆破参数

盾构直径φ=6850 mm，为保证效果，爆破直径设计为φ=8000 mm。在地面混凝土地墙顶部往下钻孔至爆破部位，然后在爆破部位定位装药。地表标高为+5.8 m，最大钻孔深度约28 m。

爆破后的块度要满足盾构螺旋输送口输送要求，根据中交天和φ6850 mm土压平衡盾构机数据，爆破后块度要在15 cm以下。以此作为确定爆破参数的依据。

根据类似项目施工项目的经验[1,2]，此次每个穿越点布设11个炮孔，炮孔间距0.7～0.8 m，四个穿越点总共布置44个炮孔。在车站地墙外侧四个穿越点对应位置设置3个泄压孔，共设置12个。

炸药单耗控制，普通钢筋混凝土解体需用炸药量为0.8～1.0 kg/m3，考虑地墙所处位置地下近30 m，两侧是饱和土，压力接近0.3 MPa，为保证爆破后块度在15 cm以下，结合原类似项目施工经验，炸药单耗取1.8 kg/m3。

地墙厚度0.8 m，钻孔两侧抵抗线0.4 m，28 m深处偏斜应小于15 cm，必须确保钻孔垂直度在5‰以内。工程地质钻通常要求100 m顶角偏斜不应超过2°，施工中采用改进型取芯钻机，采用全站仪、水平仪三维监控钻杆垂直度；钻进过程中采用1 m岩心筒开孔，逐渐增加至6 m定制筒的钻进方式，满足了钻孔要求。

地墙厚度：h=800 mm

孔距：a=(0.85～1.0)×h=680～800 mm。两侧2个孔取a=800，其余取a=700

孔径：d=110 mm

孔数：每个穿越位置钻孔11个

抵抗线：w=400 mm

单孔药量Q计算[3](中间孔为最大药量)

Q=qV=1.8 kg/m3×0.7 m×

8.0 m×0.8 m=8.06 kg，取8.0 kg

(1)

式中:q为特定状态下破碎单位混凝土需要的炸药量，取1.8 kg/m3；见表2、图3。

图3 爆破孔布置剖面图Fig. 3 Profile of blast hole layout

表2 单幅地墙各孔装药量Table 2 Charge quantity of each hole of single ground wall

V是单孔爆破混凝土体积,V=孔距a×装药长度×厚度h。

4 爆破振动控制措施

4.1 爆破震动传播途径

在城市轨道交通地铁沿线周边爆破施工极为敏感；上海“轨道交通管理条例”规定，轨道交通设施50 m范围为轨交保护区[4]，如需爆破需要轨交管理部门同意。

在营运车站下方进行地墙爆破，影响最大的是地铁车站结构，同时由于是营运线路，爆破振动还会对车站内营运控制室内的设备、配电房、玻璃屏蔽门、水电风管道、地铁电缆挂架等产生影响。

爆破时，爆破振动由爆破点传播到地铁站主要通过以下A、B两条途径(如图4)：

图4 爆破震动传播路径图Fig. 4 Propagation path of blasting vibration

A)沿地墙直接上传至车站大底板、车站结构：由于两侧地墙和车站大底板非同时浇筑，两者之间存在结构缝，地震波遇结构缝后传播到车站大底板上时会有所削弱。

B)由地墙周围土体传到车站结构：爆破后震动和冲击波大部分都沿水平方向传播，高频震动在不均匀的土层中会迅速衰减。

4.2 减振措施

根据爆破振动计算公式，爆破振动与三方面参数有关：一次起爆药量Q、传播距离R、传播介质力学参数K和α。相应的减震措施如下：

(1)从产生振动波的源头控制，减小一次起爆药量：首先4个墙洞依次爆破，间隔3 s，每次起爆1个墙洞；然后每个墙洞上布置11个炮孔，逐孔起爆；每个炮孔爆破时再将一个炮孔装药分为3～8个药包，通过毫秒延时设计逐段起爆。通过以上措施，可以把直径8 m圆形地墙的爆破分成72个小区域，逐个毫秒延时起爆，每次起爆药量控制在1 kg，这样可有效降低爆破振动初始强度。

(2)采用顶部预裂爆破

爆破时通过控制爆破圈顶部11个小药包先行起爆，在爆破轮廓线顶部形成一条破碎预裂圆弧；然后各孔余下药包自1号孔指11号孔采用逐孔、逐个药包起爆的方式，单段最大起爆药量1 kg；这样下部药包产生的振动传到顶部破碎带时会大大衰减，从而减小爆破振动。

(3)采用不耦合装药技术

采用不耦合装药技术，钻孔孔径采用110 mm，药卷直径64 mm，不耦合系数1.71；不耦合装药能有效降低炸药冲击波初始峰值压力，减轻爆破振动的直接冲击。

4.3 起爆网路设计

4.3.1 爆破器材选择

电子雷管延时精度高，可以精确且合理地控制延期时间，达到良好的降振效果，结合预裂控制爆破，效果会更加显著。根据傅洪贤等在人和场隧道进行电子雷管降速试验、电子雷管与非电雷管联合降速试验[5]，得出隧道电子雷管单孔连续起爆技术，与隧道非电雷管爆破相比，爆破振动降低80%以上。考虑到爆破区域位于地铁站下方，决定采用电子数码雷管起爆网路。

四幅地墙间逐幅起爆，延期时间3 s。每幅地墙选用一个集成适配器，四幅地墙汇总到集中控制器，联网起爆(如图5)。

图5 地墙组网图Fig. 5 Network diagram of ground wall

4.3.2 合理延期时间确定

爆破地震波是多列爆炸波叠加的结果，依据波的叠加原理和波的干涉，延时爆破的最佳间隔时间应该是波的半个周期或奇数倍。但爆破地震波是由不同频率、不同幅值的波在一个有限时间范围内组合的随机过程，爆破地震波的传播受不同地质条件影响，也是极为复杂的。张小军等通过地震波叠加的波动方程，推导出爆破地震波的简析式，然后拟合出震动速度的表达式，得出爆破延期最佳时间在20 ms左右[6]。

据此，此次单幅地墙72个药包采用两种延期方式：顶部11个药包，延时时间采用30 ms；后续每个孔内的药包自上而下引爆。延时时间采用20 ms；总延期时间详见表3。

表3 单幅地墙延期时间表Table 3 Extension schedule of single ground wall

5 爆破振动计算

根据控制爆破振动速度公式[7]

V=Kk′×(Q1/3/R)α

(2)

式中：V为爆破振动速度峰值，cm/s；Q为单响药量，本次爆破最大单段药量Q=1 kg；R为保护物到爆源的距离；K、α与地震波传播地段的介质性质及距离有关系数，K取116.4，α取1.74；k′修正系数，取k′=0.5。见表4。

表4 重要保护目标振速计算表Table 4 Calculation of vibration velocity of important protection targets

根据《爆破安全规程》(GB6722—2014)的规定[8]，一般民用建筑物的安全振动速度为2.5～3.0 cm/s，所以计算值对周边的建、构筑物是安全的，对于柔性管线，影响更小。

6 爆破效果与小结

6.1 爆破效果

2020年9月15日,历经9 h的装药和网路布设。凌晨0：30四幅地墙依次准时起爆，持续时间16 s，可听到地下沉闷的爆炸声，并有一点震感，而且见到炮孔和泄压孔有水和部分堵塞物冲出。

爆破后申通公司信号、管道、道交、综合等四个小分队到地下车站检查，所有设备均安全，地面管道也没有异常。凌晨5：30，第一列地铁安全运行通过。

10月15日，地铁盾构机到达穿越位置，盾构机控制室跟踪穿越情况，盾构穿越四幅墙的时间15～18 min，与盾构机在泥土中设计穿行速度6 cm/min基本吻合。出渣机构可见5～10 cm大小砼块。爆破振动监测数据如表5，监测点如图6。

图6 测点布置图Fig. 6 Survey points

表5 振动速度监测表Table 5 Vibration speed monitoring

6.2 小结

由于爆破结构位于地下30 m，要保证爆破效果，炸药单耗不宜小，在直径8 m的圆形区域药量较为集中，单靠多打孔、分散装药控制爆破振动有施工上的难度；加之待爆结构本身就是车站结构的一部分，距离近，因此要将爆破振动控制控制手段有限；此次爆破实测数据2.1～3.4 cm/s，和以往十多次相关工程类似，但小于地铁机车运行时的站台上的振动值(地铁机车通过时，车站站台实测振速7～10 cm/s)[9,10]。如何把爆破振动降低到1 cm/s，仍是下一步努力的方向。

国内各城市对轨道交通沿线周边50 m以内土建施工管控严格，对爆破施工尤甚；在营运中的地铁车站下方2.8 m处的爆破案例说明，只要技术措施得当、组织周密、监测手段完备，爆破对轨道交通影响是可控的。