中深孔控制爆破在長沙地鐵基坑巖石開挖中的應(yīng)用

毛益松,單志國,祝振生,陳章明

(1.國防科學(xué)技術(shù)大學(xué), 湖南長沙 410073;2.湖南長工工程建設(shè)公司, 湖南長沙 410003;3.中鐵隧道集團(tuán)公司, 廣東深圳市 518052)

中深孔控制爆破在長沙地鐵基坑巖石開挖中的應(yīng)用

毛益松1,單志國2,祝振生3,陳章明2

(1.國防科學(xué)技術(shù)大學(xué), 湖南長沙 410073;2.湖南長工工程建設(shè)公司, 湖南長沙 410003;3.中鐵隧道集團(tuán)公司, 廣東深圳市 518052)

結(jié)合長沙市地鐵 2號線體育公園站基坑巖石開挖工程實例,介紹了中深孔爆破技術(shù)在地鐵基坑巖石開挖中的應(yīng)用,并就爆破震動對旋挖樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行了分析。闡述了在巨厚礫石的地質(zhì)條件下爆破方案選擇、爆破參數(shù)優(yōu)化、起爆網(wǎng)路的設(shè)計和爆破安全校核與防護(hù)。

基坑開挖;中深孔爆破;微差爆破;旋挖樁

1 工程概況

長沙市軌道交通 2號線體育公園站位于長沙市雨花區(qū)勞動?xùn)|路上,為 2、3號線換乘站。2號線車站垂直勞動?xùn)|路呈南北向布置,車站長 180.2 m,寬20.7 m,深 17.2 m;3號線車站平行勞動?xùn)|路呈東西向布置,車站長 141.4 m,寬 20.9 m,深 23.3 m,需爆破方量約 120000 m3。車站采用旋挖樁 +砼(鋼)內(nèi)支撐的支護(hù)形式?；訋r石地質(zhì)主要是強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖和中風(fēng)化礫巖。強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖泥質(zhì)粉砂結(jié)構(gòu)、泥質(zhì)膠結(jié)差、極軟巖;中風(fēng)化礫巖碎屑結(jié)構(gòu)、厚層狀構(gòu)造、泥質(zhì)膠結(jié)為主、膠結(jié)程度較好,礫石多為板巖、泥巖,少量石英巖。

周圍環(huán)境如圖1 所示,車站東側(cè)和西側(cè)為勞動?xùn)|路主干道,雙向 8車道,東南角為長沙國中星城置業(yè)有限公司萬國商業(yè)廣場,距離基坑邊 97 m;南側(cè)為規(guī)劃體育公園、焰火廣場,目前為山地;北側(cè)為規(guī)劃中的體育新城,目前為棚戶區(qū),距離爆破面 68 m。

圖1 周圍環(huán)境示意

2 爆破總體方案

(1)爆破區(qū)劃分及開挖爆破順序。為保護(hù)基坑周邊圍護(hù)結(jié)構(gòu)不受損害,考慮周邊建筑安全等,采用“V”型掏槽爆破,形成一定深度、長度的溝槽。有了側(cè)向自由面后,再在槽兩側(cè)鉆孔進(jìn)行臺階松動爆破。由于基坑爆破深度較大,爆破需分層進(jìn)行,爆破順序為“掏槽～臺階”,如圖2所示。開挖爆破順序為①-②-③-④-⑤-⑥,其中③、⑤、⑥部分為弱松動控制爆破區(qū),②、④部分為松動控制爆破區(qū),①部分為加強(qiáng)松動爆破區(qū)。

圖2 2號線爆破順序

(2)靠近旋挖樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)的爆破。為最大減少爆破對旋挖樁的震動影響,離旋挖樁 1.5 m處為弱松動控制爆破區(qū),該部分采用小臺階單孔微差弱松動控制爆破,臺階高度 1.5 m。必要時鉆鑿 1排防震空孔進(jìn)行應(yīng)力卸載控爆。

(3)主體開挖的爆破。離旋挖樁 1.5 m以外區(qū)域為松動控制爆破區(qū),可采用中深孔微差爆破施工方案和孔間接力式起爆網(wǎng)絡(luò)技術(shù),中深孔爆破深度4.5～6.0 m。

3 中深孔爆破設(shè)計

3.1 中深孔爆破孔網(wǎng)參數(shù)設(shè)計

由于巖石多為裂隙發(fā)育,風(fēng)鉆鉆孔時常常卡釬,爆破施工進(jìn)度較慢,因此將深孔爆破技術(shù)應(yīng)用到建筑物密集的基坑巖石爆破,大大提高了功效。其中深孔爆破主要孔網(wǎng)參數(shù)如下:孔徑 D=80～100 mm;根據(jù)臺階高度確定,孔深 L以 4.5～6 m為宜;底盤抵抗線 W1=2.7 m;孔距 a=2.5 m;排距 b=2.1 m,取 2.0 m;填塞長度 L1取 2.8～3.0 m;炸藥單耗 q=0.4～0.6 kg/m3,單孔藥量 Q1=10.2～16.0 kg。

3.2 起爆網(wǎng)路設(shè)計

本次基坑深孔爆破全部使用非電起爆系統(tǒng),聯(lián)成微差間隔相等的接力式起爆網(wǎng)路,如圖3所示?？變?nèi)裝高段別 MS13段(650 ms)導(dǎo)爆管雷管,孔外用相同低段別MS3段(50 ms)導(dǎo)爆管雷管接力。在保證安全情況下,盡可能采用孔間微差,相鄰段別時間間隔 50～150 ms。

圖3 深孔爆破網(wǎng)絡(luò)示意

3.3 裝藥結(jié)構(gòu)和填塞長度

采用孔底密實裝藥結(jié)構(gòu),裝藥時根據(jù)設(shè)計的藥量先在每一孔口放好要裝的藥,標(biāo)明起爆藥包位置、雷管段別、裝藥量。含水孔裝藥時要注意是否裝到位,中間有無空段,經(jīng)常用炮棍輕搗,保證密實。

填塞長度要取鉆孔直徑的 20～40倍或大于抵抗線,一般取 2.8～3.0 m,在干孔中堵塞物可以用細(xì)砂土、粘土或鑿巖時的巖粉,要防止混進(jìn)石塊砸斷起爆線。含水孔采用砂填塞,填塞過程中要經(jīng)常檢查起爆線路,防止因堵塞損壞起爆線而引起瞎炮。

3.4 爆破安全距離設(shè)計

3.4.1 爆破地震波安全校核

爆破地震波安全校核依據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB6722-2003)規(guī)定:

式中:R為爆破振動安全允許距離,m;Q為炸藥量,齊發(fā)爆破為總藥量,延時爆破為最大一段藥量,kg;V為保護(hù)對象所在地質(zhì)點(diǎn)振動安全允許速度(見表1),cm/s;K、α為與爆破點(diǎn)至計算保護(hù)對象間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù),可按爆破安全規(guī)程中有關(guān)規(guī)定選取,本工程中 K取 150～250、α取 1.5～1.8。

表1 爆破振動安全允許標(biāo)準(zhǔn)

按上表第二項“非抗震的大型砌塊建筑物”的抗震能力 V=2.3～2.8 cm/s、第三項“鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)房屋”的抗震能力 V=3.5～4.5 cm/s和第五項“交通隧道 10～20 cm/s”進(jìn)行校核。本車站建筑防震列度為 6度,相應(yīng)允許地面質(zhì)點(diǎn)振動速度 3～5 cm/s。部分建筑物允許一次起爆藥量計算如下:

體育公園站基坑爆破對棚護(hù)區(qū)的影響中,取棚護(hù)區(qū)允許震動速度 V=1～2 cm/s,R=68 m,K取200、α取 1.8,則 :

基坑爆破對車站結(jié)構(gòu)的影響中,取車站結(jié)構(gòu)允許震動速度 V=3～5 cm/s,R≥16 m,K取 200、α取1.5,則:

3.4.2 旋挖樁最小保護(hù)距離計算

炮孔起爆時所產(chǎn)生的影響范圍主要是炸藥爆炸產(chǎn)生的壓縮圈和裂隙圈,旋挖樁最小保護(hù)距離應(yīng)大于炮孔爆破裂隙圈半徑。中深孔爆破裂隙圈半徑Rr=52 cm。

因此,用中深孔在離旋挖樁 52 cm以外鉆孔爆破時,對旋挖樁不會造成破壞。

3.4.3 爆破飛石最大安全距離及安全防護(hù)

個別飛石的飛散距離(Rf)可由 Lundborg公式計算:

式中:q為炸藥單耗,q=0.4～0.6 kg/m2;d為炮孔直徑,中深孔爆破取 100 mm。

由于填塞長度過小或最小抵抗線過小而形成爆破漏斗效應(yīng),以及巖石中含有軟弱夾層,或梯段深孔爆破由于過量裝藥、穿孔位置錯誤、工作面局部超挖、介質(zhì)不均勻性、巖體有薄弱面、起爆順序錯誤等種種原因,個別飛石距離可能大于 100 m。因此,體育公園站基坑爆破控制飛石在控制炸藥單耗和確保堵塞長度前提下主要采取直接防護(hù)和間接防護(hù)的措施。

表面覆蓋直接防護(hù)為:炮孔裝藥完成后,炮區(qū)表面整體覆蓋——每個炮孔口用 1個砂袋壓住,然后表面蓋上一層 6 mm厚鋼板,再在其上用砂袋均勻覆蓋一層,單個砂袋重量不小于 20 kg。

空中間隔防護(hù)為:采取表面覆蓋防護(hù)措施后,為防止仍有個別飛石逸出,基坑有鋼筋砼(鋼)結(jié)構(gòu)橫向支撐,設(shè)置空中隔離防護(hù),將爆區(qū)上空完全封蓋。其做法為:利用基坑橫向鋼支撐,其上鋪設(shè)鋼絲網(wǎng)板,周邊用角鋼焊接加強(qiáng)。平常施工時拉開幾張蓋板,作為通道,爆破時再蓋好。

4 爆破效果與討論

體育公園站基坑巖石開挖采用深孔爆破于長沙市建設(shè)地鐵中首次進(jìn)行,10個月的爆破實踐表明:松動爆破后,爆堆沿原地附近堆積,松散度能滿足裝運(yùn)要求。通過不斷改善優(yōu)化中深孔爆破參數(shù)、起爆網(wǎng)路,大大減少了大塊率,基本上不需要二次破碎,僅用炮機(jī)適當(dāng)破碎即可,按生產(chǎn)能力與計劃,高峰時每日爆破方量能完成 1500 m3,每月能完成 30000 m3以上。

(1)按爆破震動計算公式計算結(jié)果,在離旋挖樁 1.5 m處藥孔允許最大一段起爆藥量在 110 g以下,爆破作業(yè)中在靠近旋挖樁 1.0 m處鉆鑿 1排防震空孔進(jìn)行應(yīng)力卸載控爆,間距由 1 m減小至 0.5 m,通過爆破震動檢測顯示,V在 16 cm/s左右,達(dá)到了旋挖樁保護(hù)要求,沒有發(fā)生旋挖樁嚴(yán)重破損、圍護(hù)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)情況。

(2)采用深孔爆破不僅能加快工程進(jìn)度,同時也能較好地控制爆破的飛石,但是一定要注意基坑的降水井(Φ0.8 m,間距 20 m,1排)和抗撥樁(Φ1.2 m,間距 8 m,共 2排)位置的孔位距離和防護(hù),這是兩處最容易造成飛石的地方。

(3)爆破范圍基礎(chǔ)直接落于中微風(fēng)化巖層上。為使基礎(chǔ)巖層平整,應(yīng)盡可能減少爆破產(chǎn)生新的裂縫或爆破造成原有節(jié)理裂縫擴(kuò)張,采用非偶合裝藥或間隔分散裝藥和卸壓控爆開挖。

[1] 汪旭光.爆破手冊[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2010.

[2] 于亞倫.工程爆破理論與技術(shù) [M].北京:冶金工業(yè)出版社,2004.

[3] GB6722-2003.爆破安全規(guī)程[S].

[4] 朱朝祥,蔡 偉,楊建軍.深基坑爆破開挖技術(shù)在地鐵工程中的應(yīng)用[J].爆破,2009,12(4).

[5] 田會禮.中深孔爆破在地鐵車站基坑開挖中的應(yīng)用[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,2009,(3).

2011-06-26)

毛益松(1960-),男,副教授,從事教學(xué)和爆破技術(shù)研究。