复杂环境下岩溶强发育区基坑爆破技术

2022-06-17贺婷

工程爆破 2022年2期

贺婷

(广州铁路投资建设集团有限公司，广州 511400)

爆破作为当前一种最有效的破岩方法，已被广泛应用于工程实践中。然而爆破有害效应带来的安全风险，也备受社会各界关注。爆破有害效应的理论及控制技术研究，成为了学界与工程界的研究热点之一。坚硬岩层基坑的开挖，类比于机械法、膨胀剂静态破岩法、二氧化碳相变致裂等非炸药爆破法，采用炸药爆破法施工，其高效性、经济性尤为突出[1]。然而，此类工程地处城市环境、岩溶强发育区位时，一方面因周边环境复杂，爆破施工倍受关注；另一方面，岩溶强发育特殊地质对爆破的影响突出，施工安全风险高，极具挑战性[2]。针对爆破产生的飞石、振动等危害，通常通过近体防护、隔离防护等技术对爆破飞石进行控制，采取弱松动控制、延时起爆、预裂爆破等技术，有效地控制了爆破振动的危害。尽管已有许多有关于深基坑工程方面的分析研究以及相应的丰硕成果，但总体来说，当前的大部分研究均是局限于工程具体城市区域，工程条件差异性较大，当前爆破工程的理论研究仍不甚成熟，特别是对于城市岩溶强发育地区的爆破施工关键技术方面，相关研究尤显不足，远不足以满足工程应用的需要。因此，城市岩溶强发育地区精确控制爆破有害效应，安全、可靠、环保施工，不但有利于破解复杂环境爆破施工的敏感性难题，而且对此类工程的具体实践也有积极的现实意义。

1 工程概况

广州白云站综合交通枢纽项目，是国家战略性工程。该项目枢纽场站的基坑工程位于新市街既有京广线东侧、棠新路西侧的地段内，基坑长约588 m，最宽处为168 m，总平面积约8.2万m2，面积超大。基坑开挖深，深度15.9、23.45～24.56、34.68～35.18 m不等，呈大基坑套多个标高迥异的小基坑状，开挖总方量约189.5万m3。

基坑区内岩溶广布，并以表层溶蚀发育为主要特点。查明的溶洞多达133个，且形态规模各异，分布规律性差，呈无序状。洞高在0.2～27.2 m，平均3.90 m，洞体顶板厚度大部分小于洞体高度(顶板最小厚度仅为0.05 m)。洞体充填差，多呈未充填、半充填状，多属于不稳定洞体，对基坑及桩基稳定性很不利。

基坑东侧为民用宅，距离最近建筑物约90 m，南侧有金源小学，距其教学楼约80 m，西侧紧邻京广线铁路，最近距离为50.61 m，北侧是空地，作为土石方临时堆放场。基坑工程所处地带，施工环境十分复杂(见图1)。

图1 基坑四邻环境

2 爆破难点与对策

1)工程地处南部沿海，暴雨、台风等极端天气多，对工程施工影响大。

2)工程所在区域，地下大量分布不规则、无规律的溶洞、土洞，岩溶地面极易塌陷，地下水丰富，地质十分复杂，施工潜伏的涌水、地面塌陷及沉降等风险极高。

3)项目地处城央，周边车流、人流量大，施工环境非常敏感[3]，坑内结构复杂，爆破施工既不能对京广铁路的正常运营造成任何影响，对基坑支护造成任何损坏，对连续墙脚造成任何错动，也不可造成水土流失、环境污染和严重扰民，施工要求高。

4)石方爆破既要考虑基坑内岩溶地质情况，又要兼顾坑内预施工桩柱多的因素，同时要关注到环境敏感、复杂等条件，爆破工况的控制极其复杂，施工技术难度大。

5)工程涉及面广，工程量巨大，工期紧张，施工组织难度极大。

基于本工程存在上述技术难点，爆破施工对应采用成套的基坑爆破关键技术，包括可降低围岩扰动强度、满足施工规模要求的“三小一多”爆破开挖法，能解决岩溶地质钻孔成孔难题的钻孔成孔技术，以及可破解爆破工况控制复杂难题、并确保爆破安全的特殊装药与爆破控制技术。

3 关键技术与爆破参数

3.1 爆破开挖方法

基于本工程特性，爆破开挖总体上优选小孔径、小药卷、小进尺、多循环的“三小一多”施工方法，按自上而下的开挖施工顺序，以台阶分级、爆破分层多循环的方式，进行松动浅孔台阶控制爆破，将基坑开挖至控制标高。

现场对比试验表明，“三小一多”松动浅孔台阶控制爆破，降低单孔药量，控制爆破振动对爆区周边环境及岩体的破坏，降低爆破振动的扰动范围，较好地满足环境与岩溶地质对爆破施工的安全要求，同时也有利于防范和处理坑底突水。

施工时，根据自上而下的开挖顺序，以台阶分级多循环、每循环2～3个台阶，上台阶超前下台阶一定安全距离的施工方式，从基坑一端向另一端推进(见图2)。每级台阶的爆破从基坑中间先拉槽，利用拉槽形成的自由面，向基坑两侧进行爆破。超前台阶溶洞揭露情况可为后续台阶起到预警作用；台阶由中间向两边爆破，最大程度降低溶洞顶盖岩体出现整体垮塌的风险。

注：1)图中B为安全距离；a为孔距；L为钻孔深度；L1为装药长度；L2为填塞长度；H为台阶高度；h为超深；α为台阶坡面角；Lk、Lj为多台机械作业间距；2)三级台阶各台阶高度和台阶坡度应严格遵照设计，并根据现场实际情况适当变化；3)钻机和挖机临边安全距离应大于1 m；4)多台机械同时作业间距一般应大于10 m，施工空间不足时也要保证间距大于两机旋转半径之和；5)其他事项遵照设计和相关规定。

3.2 岩溶地质钻孔、成孔技术

采用风动潜孔钻钻具，钻孔遭遇岩溶地质，往往易出现卡钻、塌孔等现象[4]。因此，准确查明工程区内岩溶的分布规律、形态特点等状况，对提高钻孔效率及成孔率至关重要。

对于隐伏岩溶溶洞的分布范围、埋深、大小及连贯等情况，采用低频率天线探地(GPR)雷达及层析成像(CT)技术进行探测，并结合利用GPS定位仪、红外线导向给线仪按照定位测量、投影原理及操作要求，按照“溶洞危险区、一般溶洞区、非溶洞区”对施工区进行整体定位划界与标识。钻孔时，采取“快旋转、缓进尺、强吹风”操作方法，控制操作钻具的钻头及钻杆快速旋转，并调大钻孔风量进行强吹风，同时放缓钻杆的推进速度，使钻具以“旋磨钻进”的穿凿方式通过溶洞破裂带。钻孔过程中，根据钻孔钻进状态，确定其位置和深度[5]。

当遭遇的岩溶地带较破裂、难以成孔时，根据“填料护壁旋磨钻进”原理，以“旋磨、套拉、缓进”的动作方式进行钻进护壁成孔。在钻具旋磨、套拉动作时，停止给风，钻具钻进时正常给风。填料视溶洞地质情况而定，溶洞含水时，选用水灰比合适的水泥砂浆作护壁填料，溶岩破裂程度大，选择湿度合适的三合土为护壁填料，溶岩破裂程度低，选择湿度合适的黏质土作壁填料。

对遭遇溶洞或裂隙的炮孔未做观察和记录，采用测绳挂坠物沿孔壁用“坠吊缓拉”法，检测炮孔是否遭遇溶洞或裂隙。当挂有坠物的测量绳在炮孔内缓慢下放或提拉的过程中，出现不畅或受卡时，说明孔遭遇了溶洞或裂隙，应记录不畅或受卡的位置及长度。

3.3 溶洞区爆破与装药技术

爆破施工区域存在溶洞，可能改变最小抵抗线的大小和方向，造成大量的炸药爆破能量向溶洞或其结构弱面方向聚集释放，产生飞石、根底和大块、甚至出现“带炮”的拒爆现象，容易造成对爆破有害效应控制的失败及恶化爆破效果[6-7]。爆破时溶洞的存在，同时能够在一定程度上减小爆破对岩体的位移扰动,对溶洞周围的岩体起到二次挤压破碎的作用，以及爆破振动速度经过溶洞后有叠加放大作用[8]。

基于溶洞地质特点，爆破采用“VCR法”技术原理进行[9]。钻孔直接穿透岩溶顶盖岩层，装药时，利用套袋装药法，在炮孔底端填塞预定长度，使炮孔形成以岩溶洞体为临空面。对处在岩溶区内的炮孔，采用套袋间隔装药结构。间隔装药的间隔段设置在岩溶空隙间区，长度以保证炮孔临空岩溶抵抗线比爆破设计炮孔抵抗线大30～50 cm为准。装药袋以聚乙烯塑料薄膜等柔性材料制成，其直径与炮孔直径相适配，长度略长于炮孔长度、可满足装药操作为宜。间隔材料选用钻孔岩屑、沙土等惰性材料，当需满足爆破减尘、降尘时，将孔口填塞长度的2/3和间隔长度段套装内装水的水袋，构成水柱间隔装药结构进行水袋爆破，进而利用爆破出来的水雾进行捕降爆尘[10]。爆破装药采用人工方式，运用“掉装法”进行。溶洞区洞体顶盖岩层爆破的炮孔，按“装袋—填塞炮孔底部—装药—在炸药上部填塞炮孔”的程序进行装药；遭遇岩溶或裂隙采用套袋间隔装药的炮孔，按照“套袋—底部装药—间隔填料装填—上部装药—孔口填塞”的步骤进行装药(见图3)。装药过程中应确保装药与填塞的长度及质量与设计要求相符。

图3 装药结构

3.4 起爆及安全防护技术

爆破对周边造成危害的主要因素是爆破振动和爆破飞石。文献[11-13]表明，在其他参数基本不变的情况下，地震波传播距离相同时，大药量爆破产生的地震波振幅强、优势频率较低，小药量爆破产生的地震波振幅弱、优势频率较高，而一般建筑物的固有振动频率均较低。因此，同等条件下大药量爆破相比小药量爆破，对建筑物的危害更大些。采用延时起爆的方法，降低爆破振动效应。爆破最理想的消振、降振效果，便是设置合理的间隔时间，使后一段雷管起爆产生的地震波与前一段雷管起爆产生的地震波的波峰波谷相互叠加与干涉，致使爆破地震波振动趋零。

研究表明[14]，采用延时起爆技术，如果前、后段雷管起爆的时间间隔大于前段的衰减时间，则地震波叠加可能性小，叠加后振幅变化不大；如果前、后段雷管起爆的时间间隔小于前段的衰减时间，则可能存在振动的叠加，但因相位不同，延时爆破质点叠加振动速度的振幅变化较大。本工程爆破减振试验进一步显示，延时起爆前、后段雷管起爆的时间间隔控制在13～17 ms，对爆破降振效果明显。

本工程爆破安全防护主要是对爆破飞石的防护。针对安全敏感度不同的施工区位，采用不同的防护技术(见图4)。对于安全敏感区，采用“砂袋+钢板+砂袋”三层防护法进行防护，即2～3个砂袋(每袋20～30 kg)压盖炮孔孔口，砂袋上再加压2～3 mm厚的钢板，钢板再用压砂袋压住；对于非安全敏感区，采用“安全网+砂袋”防护方法进行防护，即用安全网将爆区全覆盖，在安全网上用多个砂袋将每个炮孔的孔口压严实。安全网用“HDPE网+多层铁丝筛网+HDPE网”覆叠缝制而成。

图4 爆破安全防护

3.5 爆破参数

开挖施工采用“梅花”布孔的松动浅孔台阶控制爆破，炸药选用φ32 mm乳化炸药药卷。通过试验，优化的钻孔、装药等爆破主要技术参数[4,7](见表1)。当炮孔采用间隔装药结构时，现场试验表明，孔内装药量按“孔底段∶孔口段=13∶7”的质量配比进行装药是合适的。

表1 爆破参数

4 爆破效果

通过采取上述爆破关键技术，并“错峰”安排爆破时间，克服了工程施工难点，达到了施工有序、进展顺利、工效明显的工程目的。在爆区周边50 m范围内布置数十个振动检测点、爆破域周界架设摄像仪进行同步检测、影像记录。统计显示，通过应用上述爆破关键技术，爆破时距爆区5 m处的振动速度值从未超7 cm/s(单次最大为6.79 cm/s)，爆区紧邻京广线铁路，最近距离为50.61 m处的振动速度值从未超1.3 cm/s(单次最大为1.19 cm/s)；爆破飞石与爆尘从未溢出过基坑外，飞石最大飞散距离不足30 m(单次最大为25.6 m)。

爆破施工未对周边环境及重要保护对象带来任何危害，未对现有京广线的正常营运造成任何影响。