控制爆破技术在地下暗挖顶管作业中的应用

文／王敏、陈新 大连经济技术开发区金源爆破工程有限公司 辽宁大连 116601

引言：

伴随国家经济的逐步增长，城市化的加快，加之全民对环保意识的加强，地下工程建设的需求量在逐步增加，其中，顶管技术因施工速度快、控制精度高、经济环保等优点，在地下管线的建设中起到了举足轻重的作用。但由于地质情况复杂，顶管施工中频繁出现人工机械等难以顶进的地质，从而使管道不能正常顶进，造成施工进度减缓、施工效果的降低。控制爆破能有效的控制爆破作业引起的振动，从而在地下顶管作业被广泛采用，提高安全性的同时也能有效地缩短施工工期。本文通过工程实例，介绍了控制爆破技术在地下顶管作业中的应用，为同类工程提供借鉴。

1、工程概况及周边环境

1.1 设计概况

大连东港商务区220 千伏供电隧道主体施工二标段7段地下顶管控制爆破工程位于大连市中山区青云林海小区220KV 变电站东侧，顶管施工段为东西向布置全长36 米，顶管为外径2.4 米×内径2 米×长2 米（一节）的预制钢筋混凝土管，埋深2.5 米，使用千斤顶逐节顶入爆破空间内，爆破开挖自然方量约187.5m³。依据地勘报告,爆破岩体为中风化石英岩夹板岩，无岩体裂隙水渗出现象。爆破施工区域南侧有两处地面建筑物，一处为两层砖混结构临建，距爆区边缘直线距离约20m 远；另一处为220kv 青云变电站，距爆区边缘直线距离约50m 远，地下爆区上空有两条约8-10米高，高架输电线路。顶管爆破施工区域环境示意图如图1所示，爆破断面尺寸如图2 所示。

图1 顶管爆破施工区域环境示意图

图2 爆破断面尺寸

1.2 工程难点

大连地区基岩埋深较浅，临近海边，地下水影响因素大，且临近高压变电站，根据周边环境要求采取控制爆破，同时应进行爆破振动速度的量测和控制，调查周边影响范围内的建筑物、地下管线现状，进行爆破安全评估，必要时进行专家论证。

1.3 爆破技术方案

考虑本工程岩石产状及周边环境的影响，爆破开挖需人工和机械开挖相结合进行，采用非电毫秒导爆系统，孔内外微差顺序起爆方案，进行松动爆破施工。

以爆破振动为主要控制指标，设计单次循环进尺均为0.8m（掏槽孔除外），循环进尺为38 次，起爆顺序为掏槽孔→辅助孔→周边孔，装药结构示意图如图3 所示。

图3 装药结构示意图

1.4 爆破技术参数

1.4.1 确定单次循环进尺断面孔数

式中：f—岩石坚固性系数，取8-10。

S—横通道截面积约6.25 m2。

1.4.2 参数确定

爆破参数设计如表1 所示。

表1 爆破设计参数表

1.5 布孔方式及起爆网路

单次循环进尺，断面中心设置直径为90mm 的空孔不装药，空孔周边设置6 个掏槽孔，掏槽孔间距450mm，辅助孔排距550mm，周边孔距开挖轮廓边线150mm，布孔方式示意图如图4 所示。

图4 布孔方式示意图

起爆网路设计采用非电导爆系统，掏槽孔单孔起爆，其它孔两孔一响，孔内、外微差簇连法起爆（掏槽孔内分别使用MS1 至MS6，第1 至3 排辅助孔内各使用MS1 至MS3，第4 至5 排周边孔内各使用MS1 至MS3 导爆管雷管；孔外排间连线，从第1 排至第5 排分别使用MS1 至MS6 导爆管雷管）。最大单段起爆药量（掏槽孔）为0.3kg，最大单次起爆药量（整个单次循环进尺断面）为4.95kg。

1.6 爆破规模

基于工期的控制和人工机械排渣清运能力，单日循环进尺0.8m，单日循环进尺的爆破孔数为27孔，其中掏槽孔6个，使用炸药1.8kg，其它孔21 个，使用炸药3.15kg，单日循环进尺使用炸药量为4.95kg，总循环次数38 次，本工程使用炸药总量189kg。

2、爆破施工控制措施

2.1 质量控制措施

严格规范爆破施工设计、爆破安全评估、爆破安全监理等各个施工环节，相关作业人员持证上岗。每次钻爆作业前进行安全交底，明确各钻爆参数，并经工程师检查后方可开始施工，根据每次爆破后效果，不断改进爆破设计，优化参数。

2.2 安全技术措施

爆破作业周边环境复杂，除临近民用建筑物外还有高压变电站，施工时要严格控制钻孔、起爆等各个环节的振动影响，通过试爆等方式不断优化爆破设计。

2.3 爆破飞石的控制

由于爆破工作面处于地下，爆破可能产生的飞石会由掌子面向顶管施工端口方向飞散，因此，在爆破之前采取了相应措施。首先，对施工区域所有人员进行疏散，保证顶管内无作业人员，并在顶管施工端口使用长、宽不小于2.5 米的较厚钢板进行铺盖，最后，按照爆破安全规程[1]的规定执行警戒距离为300 米的区域设置警戒，各警戒点安排专业警戒人员执勤。

2.4 爆破振动的控制

通过爆破安全规程[1]计算了爆破对周边建筑物结构振动速度，获得质点振动速度可以评估周边建筑物所受爆破的影响。振动速度的计算根据以下公式：

式中：R—爆破孔中心点距离周边建筑物距离，m；

V—周边建筑物振动速度；

K、α—分别为爆破围岩质量系数与爆破振动衰减系数，根据《爆破安全规程》[1]（GB6722-2014）规定取值，这里取180 和1.7，计算结果如表2 所示。

依据爆破安全规程[1]（GB6722-2014）表2 规定，选取被保护物的安全允许振动速度，对于砖混结构临建参考“一般民用建筑”一栏，允许振动速度为2.5 ～3.0cm/s；对于青云变电站设备参考“运行中的水电站及发电厂中心控制室设备”一栏，允许振动速度为0.7 ～0.9cm/s。通过控制，本工程爆破产生的振动速度远小于规程的规定值，爆破所产生的震动危害不会对周边被保护建筑物造成影响。

表2 爆破振动速度计算表

2.5 爆破冲击波的控制

根据霍普金逊相似率公式

K—与爆破场地条件相关系数因毫秒起爆取1.48

R—距被保护物最近直线距离为20 米

Q—最大单段起爆药量为0.3kg

α—空气冲击波衰减系数，因毫秒起爆取1.55

经计算得出本工程单次循环进尺所产生的空气冲击波超压值为36Pa，远小于爆破安全规程[1]表4 要求的“基本无破坏”超压值2×10³Pa。

3、爆破效果及总结

3.1 爆破效果

本工程共进行38 次爆破作业，总工期50日历天，爆破效果达到设计控制标准，周边建筑物及精密仪器设备安好无损，在保证施工安全的前提下实现了经济效益，根据施工记录统计和仪器监测数据，爆破所产生的各项危害均控制在安全允许的范围内。

3.2 总结

（1）在地下暗挖顶管作业的施工中，如遇难以开挖的坚硬岩石，采用控制爆破技术的辅助手段可以有效的帮助顶管作业顺利推进，减少施工成本，缩短工期。

（2）针对环境较为复杂的地下暗挖爆破作业，应遵循短进尺、多循环，坚持多打孔少装药的施工原则，尽量避免多孔多排起爆，加快施工进度的同时，更加严格控制了爆破产生的振动，确保安全施工。

（3）应用孔内外微差起爆，控制爆破振动对周边被保护建（构）筑物的影响，合理的设计单段药量和起爆段别能有效的提高爆破破碎质量，满足空间狭小的顶管内爆后人员清渣的需求。