复杂条件岩质深基坑炸药爆破联合静态破碎方案设计与应用

张昌太 张启军 张筱川 王永洪 白晓宇 刘永鑫 李学丰

（1.青岛业高建设工程有限公司；2.西北综合勘察设计研究院青岛分院；3.青岛慧睿科技有限公司；4.青岛理工大学土木工程学院；5.山东大学齐鲁医院（青岛））

随着城市化进程的发展，对地下空间的开发力度越来越大，有很大一部分深基坑涉及到石方开挖，采用炸药爆破无疑是一种最经济高效的方法。复杂环境条件下的石方爆破工程，对爆破的振动等有严格的要求，对于深基坑来说，一方面，要保证不能对周边建（构）筑物和管线的安全使用产生影响，另一方面，不能对基坑侧壁的支护结构产生破坏性影响。如何确定炸药爆破和静态破碎的范围是石方开挖的一个重点和难点。

基坑的特点决定了爆源距离基坑侧壁支护结构最近，影响较大，但这种情况的研究相对较少，孙鹏昌等［1］进行了深基坑开挖爆破对桩锚支护结构的影响及其机理研究，研究表明爆破加载作用在波阻抗较小的岩土体边界上，易使支护桩与岩土体的交界面产生受拉损伤，爆破加载使不同排预应力锚索的拉力产生重新分配调整，爆破对桩锚支护结构的影响主要是爆破地震波与支护桩以及岩土体相互作用的综合结果。林潮等［2］进行了爆破开挖对深基坑吊脚桩支护体系性能影响数值模拟研究，通过分析爆破震动引起深基坑岩土体塑性区的变化、应力波传播过程中速度放大效应及特征监测点速度时程变化，得出爆破震动对深基坑吊脚桩支护体系的动力响应规律，并提出吊脚桩支护结构各部位振动速度的建议控制标准（基底边缘振动速度控制在10～20 cm/s，而预留桩前岩肩速度控制在8～15 cm/s，地表土振动速度控制10 cm/s以下）。同时，对于周边环境条件，针对不同的建（构）筑物和管线，对安全允许支点振动速度具有不同的要求。不同的爆破部位需要满足上述已有结构最敏感的要求。

根据爆破振动衰减理论，爆源条件和传播途径是影响爆破振动的两大因素。其中，爆源条件因素主要包含炸药种类、孔网参数、单段最大装药量、装药结构和延迟时间等；传播途径因素主要包含岩石性质、地质与地形条件、爆心距等。因此，在工程实践中进行爆破振动控制时，可采取调整爆破方法和爆破参数等措施，从爆源条件和传播途径2个方面对爆破振动进行控制［3］。随着数码电子雷管的推广应用，逐孔爆破理论和技术得到了迅速发展，专家学者对此做了大量的研究。付天光等［4］分析了逐孔爆破合理微差时间选择方法及爆破网路安全性问题，并进行了现场试验验证。邓秀艳等［5］采用逐孔起爆技术减少爆破振动，显著降低了对周边建筑物的影响。杨相志等［6］做了复杂环境条件下的逐孔松动爆破技术试验研究。结合逐孔爆破和松动爆破各自的优点，逐孔松动爆破技术在工程实践中广泛应用，显著降低爆破振动，控制爆破飞石，改善爆破效果明显。

对于石方采用炸药爆破的方法，即便采取逐孔松动爆破技术，要达到石方破碎后机械开挖较为容易，也需要确保一定的单方炸药消耗量，临近爆源区域的质点振动速度仍然很大，孙鹏昌等［1］的研究表明，紧邻爆区的支护桩最大爆破振动速度超过30 cm/s，远大于可参照的爆破振动安全控制标准，桩顶爆破振动存在放大效应。因此，临近基坑侧壁的部位需要采取相应的办法，降低对临近支护结构的影响，使支护结构正常运行，保证基坑的稳定性。

炸药爆破的减震措施常设置减震槽、减震孔等方法。邹奕芳［7］通过减震槽减震效果的爆破试验研究发现，爆心距为5 m 时，减震槽的减震率为29%～41%，爆破地震波的强度沿减震槽中垂线方向朝两侧扩散。与减震槽相比，减震孔虽然没有减震槽的减震效果理想，但减震孔以施工简单效率快的特点在工程实践中应用较多，也有这方面的一些试验研究。黎罡［8］利用Midas/GTS模拟工程爆破中减震孔的隔震效果，得到爆心距为5 m 时，减震率为15% 左右，减震孔的孔距越小，隔震效果越好，减震孔的排数越多，隔震效果约好，减震孔的爆心距在一定范围内较小时，减震孔的隔震效果更好。

当采取一定的减震措施，爆破振速仍然超过安全标准时，可采取非炸药爆破破碎的方法，包括机械破碎和静态膨胀破碎等，机械破碎锤的动力来源一般是挖掘机、装载机或泵站提供的动力，驱动活塞往复运动，活塞冲程时高速撞击钎杆，由钎杆破碎岩体，提高工作效率。该方法的优点是对临近结构影响小，软岩破碎的效率较高，缺点是噪音大、持续时间长，对硬岩破碎效率低、成本高。静态膨胀破碎是在岩体上按一定密度和深度打孔，将静态破碎剂加水搅拌，灌入孔内，发生水化反应，体积膨胀，把岩石涨破。该方法的优点是对临近结构基本无影响，无振动和噪音，缺点是功效慢，造价很高。

深基坑工程是一项危险性较大的分部分项工程，岩质基坑的开挖方法和施工组织是否合理，对支护体系是否能保证基坑的稳定性有重大影响，对周边环境能否正常使用有重大影响。不合理的土石方开挖方法、步骤可能导致支护结构失效而造成基坑失稳，也可能导致基坑周边建（构）筑物及管线的损坏，造成事故。因此，对于岩质基坑的破碎开挖，应因地制宜，兼顾安全、快速、经济的原则，合理划分采用不同破碎方法的区段，制定合理的爆破（破碎）参数及顺序等，都需要进行周密设计。

青岛某深基坑工程项目，通过现场炸药爆破试验，获得在一定的爆破参数条件下、设置与未设置减震孔、不同爆心距的质点振速测试数据，对基坑石方破碎方案进行优化细化，划分出不同破碎方法的范围，制定合理的爆破（破碎）施工参数与科学的爆破网路，施工过程中加强爆破振动测试以及基坑变形和应力监测，以保证基坑安全及周边环境的正常使用。

1 工程概况

某项目位于青岛市市北区，建设用地面积约4.1万m2。基坑周长约800 m，基坑深度为15～49 m，基坑侧壁土层采用吊脚桩锚支护，岩层采用钢管桩+锚杆支护。

场区地形起伏较大，整体北高南低，场区西侧原有一条自北向南的冲沟，后被人工回填。场区地貌类型属于剥蚀斜坡-侵蚀堆积沟谷，后经人工回填改造。根据地勘报告，场区需要破碎后开挖的石方地层：第（17）层中等风化带较广泛揭露于场区，揭露厚度为0.5～5.0 m，岩石为软岩，岩体较破碎，岩体基本质量等级为Ⅴ级，属碎裂状块状结构岩体；第（18）层微风化带较广泛揭露于场区，揭露厚度为0.8～8.2 m，岩石为坚硬岩，岩体较完整，岩体基本质量等级为Ⅱ级，为整体块状结构岩体。

经现场调查分析，周边环境条件复杂，最终确定爆破工程重点保护对象见表1。

?

本项目采用了多种支护形式，以岩石边坡为主的部分，根据深度的不同，有一级微型桩支护、二级微型桩支护、三级微型桩支护。东侧与一期院区之间有垂直临空面，采用微型钢管桩+对穿锚索支护。南侧西半部上部砂土层较厚，采用上部桩锚支护（灌注桩吊脚）、下部微型桩支护形式。北坡根据使用功能上半部（标高52 m 以上）是永久边坡，先做临时支护，后做永久格构梁板。

2 初步爆破方案与爆破试验

2.1 初步爆破方案

该基坑设计要求支护结构处爆破振速不高于2 cm/s，爆破公司提报的石方爆破方案是基坑内周边预留6 m 范围采用静态膨胀方法破碎，内部采用城镇控制爆破。静态破碎的范围较大，经测算造价很高、工期太长。经咨询行业专家关于爆破减振措施及振速控制值方面的意见，决定采用逐孔松动爆破并设减震孔的措施，建议调整基坑及边坡支护结构安全振动速度允许值为10 cm/s，通过现场试验进行验证与调整相关参数。

2.2 炸药爆破试验方案

试验方案一：试验爆破区为5 m×5 m，均有临空面，符合现场实际爆破工况。钻孔直径为42 mm，采用梅花形布置，孔位排距为0.5 m，孔距为0.6 m，单孔药量为0.1 kg，孔深为1 m，超深0.3 m。设置2 排减振孔，孔径为90 mm，孔距为200 mm，排距为200 mm，梅花形布置，孔深超过爆破打孔深度1 m。

试验方案二：试验爆破区为3 m×3 m，均有临空面，临空面符合现场实际爆破工况。钻孔直径为42 mm，采用梅花形布置孔位，孔位排距为0.5 m，孔距为0.6 m，单孔药量为0.1 kg，孔深为1 m，超深0.3 m。减振孔设置同试验一。

试验材料设备：采用凿岩机钻孔，选用2#岩石乳化炸药，数码电子雷管起爆。

爆破试验操作流程：钻孔→装药入孔→炮孔填塞→进入项目管理平台→条码录入→并联组网→网络检测→网络授时→充电起爆→爆区检查→数据上传。

2.3 振速监测数据

试验方案一设置2个振速监测点，监测点与减振孔同侧，监测点1 距爆破区直线距离2 m，监测点2 距离爆破区域10 m。实测数据见表2。

?

试验方案二设置3 个监测点，监测点1 和监测点2 与减振孔同侧，监测点1、监测点2 距爆破区直线距离分别为2、2.5 m，监测点3 位于无减振孔一侧，距离爆破区域2 m。实测数据见表3。

?

通过2 次爆破试验，对数据进行初步分析，得出以下结论：

（1）爆破振速实测值均超出理论计算值，平均超出9.8%，最大超出14.6%。

（2）在设置减振孔的情况下，距离爆破区域2 m的振速不能满足设计10 cm/s的控制值。

（3）在设置减振孔的情况下，距离爆破区域2.5 m的振速满足设计10 cm/s的控制值。

（4）通过试验二对比可发现，减震孔有一定的减震效果，本次试验减震效果为（16.52-12.8）/16.52*100%=22.52%。

2.4 静态破碎试验及结论

试验区域选在靠近基坑支护结构的宽度3 m、长度5 m 范围，对试验区域上层软岩机械挖掘、人工清运，裸露出坚硬岩石，并在临近基坑内侧部分开挖出深度2 m 的临空面。试验静态破碎孔距为0.4 m，排距为0.4 m，孔深2 m，凿岩机钻孔，钻头直径为38～42 mm，灌装主要成分为氧化钙的静态膨胀剂。

试验材料设备：静态膨胀剂600 kg，风动凿岩机2台，450型挖掘机一台。

试验情况及结论：钻孔、装静态膨胀剂时间为1 d，静态膨胀约12 h。第二天挖掘机破碎、开挖半小时完成，对支护结构无影响。

2.5 静态破碎范围建议

根据专家意见和设计要求，通过试验实测数据分析，爆心距3 m 的理论振速计算值为6.95 cm/s，考虑实测值超出计算值15%，因此爆心距3 m 位置实际振速计算为8 cm/s，满足设计要求。爆心距2 m 位置不设减振孔理论计算值为14.4 cm/s，超出设计允许值10 cm/s达44%；试验实测爆心距2 m位置不设减振孔一侧振速为16.52 cm/s，超出设计允许值达65.2%。经分析，即使试验条件、临空面最理想状态下也难以满足设计允许的振速要求。据此，技术上提出2个可行的方案。

方案一：距支护结构2.5 m 范围采取静态膨胀破碎，并按专家意见设减振孔。

方案二：距支护结构3 m 范围采取静态膨胀破碎，不设减振孔。

对剩余工程量进行经济性分析，方案一造价约为2 302.1万元，方案二造价约为1 652.6万元，方案一造价高出方案二649.5万元，高出39%，方案二性价比优于方案一，综合考虑选用方案二。

3 石方爆破优化方案

通过专家咨询、图纸优化，结合现场爆破试验数据，缩小静态膨胀破碎范围，由原设计的6 m 范围优化为3 m。炸药爆破区域采用城镇浅孔逐孔松动微差爆破技术，爆破a 区域宽度10 m、台阶高度1 m；爆破b 区域宽度20 m、台阶高度2.0 m；核心爆破c 区域台阶高度3.0 m；爆破开挖顺序自中间向四周（c→b→a）进行，平面施工区段划分见图1。

根据最新设定的爆破区域范围，依据相关规范标准，结合现场试验数据，设定重点保护对象的爆破振速安全控制标准，见表4。

?

3.1 爆破参数

3.1.1 孔网参数

钻孔直径d=38～42 mm，梅花形布孔，垂直钻孔，台阶高度H=1.0～3.0 m，底盘抵抗线W1=（0.4～1.0）H，孔距a=0.3～1.4 m，排距b=0.2～1.3 m，超深h=0.3 m，孔深L=H+h=1.3～3.3 m。

3.1.2 装药参数

基坑爆破炸药单耗q=0.3～0.40 kg/m3。依照药量计算公式Q=kqabH（k=1.1～1.2）计算单孔药量。不同台阶高度单孔药量计算参考值见表5。

?

3.1.3 单段药量

由于爆源至保护物距离不同，所允许的最大单段药量不同，因此需要设计出若干不同距离下对应不同单段药量，以满足实际施工安全高效要求。依据项目环境特点和单段药量计算公式Q=R3（V/K）3/α计算，确定本设计单段药量及区域划分为浅孔a区域单段药量0.1 kg，浅孔b 区域单段药量0.9 kg，浅孔c区域单段药量1.8 kg。

3.1.4 试爆调整

以上计算药量为试爆药量，目的是在满足周边建（构）筑物和管线振速控制要求的前提下，进行多次试爆，实时收集不同点的振速和距离数据，通过回归曲线方程，推导出存在密集空孔情况下K、α的真实值。然后在此基础上，重新调整适合的爆破参数，达到满足控制振动速度的同时，提高爆破作业的效果和经济性。

3.2 起爆网路设计

根据该工程周边环境特点，为有效控制爆破地震及飞散物等有害效应，起爆网路采用数码电子雷管毫秒微差起爆网路，按不同距离及相应单段最大药量分段，控制最大一段起爆药量不超过安全允许值。网路连接采用并联网路，爆破主线分别卡入电子雷管快速接线夹卡槽内。设定每个电子雷管的起爆延时时间。数码电子雷管起爆延时时间的设定取决于单段起爆药量和一次允许起爆药量的大小。做到一次起爆的药量和炮孔数量可有效控制，防止起爆过多、爆破振动过大而产生危害。

一次起爆网路连接的总延时设置应小于16 000 ms。连接示意图见图2、图3。

3.3 爆破振速安全校核

根据已进行的爆破设计，对施工区周边重点建筑物和管线进行爆破振动校核，爆破振动安全允许振速校核公式为V=K（Q1/3/R）α。经计算，爆区周边重点保护物安全振速校核结果见表6。

4 静态破碎方案实施

静态破碎设计孔距按照试验成功的参数设置：间距为0.4 m，排距为0.4 m，孔深2 m，钻孔直径为38～42 mm。基坑中间先采用炸药爆破开挖，临近基坑侧壁3 m 时停止炸药爆破，为静态破碎提供良好临空面。静态破碎中产生大块石时，采用大型挖掘机液动锤破碎岩块装车，对于静态破碎效果不佳的，也使用液动锤配合破碎作业。

5 工程应用情况

5.1 安全监测情况

本项目的监测内容包括爆破振速监测及基坑监测，基坑监测内容包括坡顶水平位移及沉降观测、周边地面沉降观测、管线沉降观测、周边建筑物沉降观测、锚杆拉力监测等。重点监测部位的控制值和监测值见表7。

?

?

监测各项数据表明，支护结构和基坑周边环境均没有发生过大的位移和沉降，基坑在安全受控范围内正常运行。

5.2 效果效益分析

本项目采用炸药爆破部位，每天爆破方量为1 000～3 000 m3，采用静态破碎部位，每天破碎方量为100～200 m3。炸药爆破与静态破碎相比，效率提高10倍以上，单方成本为静态破碎的1/10 以内，最大范围的炸药爆破为项目加快了工期，减短了对周边居民的影响时间，节省了造价。

6 结 语

本项目基坑内部石方采用城镇浅孔逐孔松动爆破技术，控制单次起爆药量，采用微差爆破技术，临近支护结构部位的爆破振速控制在10 cm/s 以内，将周边静态破碎范围由6 m 缩减为3 m，对支护结构未造成破坏性影响，支护结构安全运行，使基坑开挖工期大大加快，造价得以控制。通过该项目设计与应用实践，总结如下几点：

（1）基坑石方开挖方案设计前，要对基坑周边环境条件进行详细调查，对拟保护的建（构）筑物及管线以及侧壁支护结构的安全振速进行合理确定，找出对爆破振速最敏感的重点保护对象。

（2）复杂环境基坑内部石方爆破，应采用城镇浅孔逐孔松动爆破技术，控制单次起爆药量，采用微差爆破技术，将重点保护对象的爆破振速控制在允许范围以内。距离太近采用炸药爆破无法保证安全时，采用打眼灌注静态膨胀剂破碎。

（3）应先进行爆破试验，获取试验数据，为爆破范围及参数设计提供第一手资料。爆破施工前期进行多次试爆，校验爆破振速等有害效应，检验对临近结构及环境的影响程度。

（4）基坑开挖及支护过程中，应严格进行爆破振速、变形监测及相关支护结构应力监测，及时反馈设计、施工等各方主体单位，动态设计，信息化施工，保证基坑安全和周边环境的正常使用。