鄰近地鐵的巖石和工程支撐梁爆破施工技術(shù)

北京鐵路局 北京 100860

0 引言

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，城市建筑業(yè)的發(fā)展進(jìn)程加快，城市內(nèi)既有建筑附近的深基坑工程施工越來越多，技術(shù)日益多樣化且日趨成熟。但是在城市深基坑施工中，有基巖控制爆破的則不多見，遑論在客流量大且沿既有建筑物基礎(chǔ)邊緣的深基坑中進(jìn)行巖石爆破的施工。根據(jù)以往爆破施工及本工程成功的爆破實踐表明，在鄰近地鐵及人行道路的深基坑爆破施工中，可以采取靈活的爆破方法，合理選擇炮孔位置和最小抵抗線方向，充分利用場地現(xiàn)有地質(zhì)條件并做好切實可行的防護(hù)措施[1,2]。

1 工程概況

廣州某深基坑工程位于荔灣區(qū)地鐵1號線坑口站站前，西側(cè)距地鐵車站站廳最近距離約4.5 m。本項目基坑深約19.4 m，基坑所在場地地層地質(zhì)處于巖石強(qiáng)風(fēng)化帶（K2d2，層號為⑦）、巖石中風(fēng)化帶（K2d2，層號為⑧）、巖石微風(fēng)化帶（K2d2，層號為⑨）等，巖石堅硬，采用爆破施工，基坑巖石爆破量約12×105m3。

按照國家《爆破安全規(guī)程》（GB 6722—2003）及廣州市公安部門的管理規(guī)定，在繁華市區(qū)、鄰近地鐵等既有建筑、交通主干道邊等實施爆破，屬于復(fù)雜環(huán)境爆破，必須嚴(yán)格控制爆破引起的振動、飛石、沖擊波及噪聲等因素。

本工程基坑緊鄰地鐵站，必須采取切實可行且安全有效的措施，在保證爆破效果、工期滿足相關(guān)要求的同時，確保周圍設(shè)施及環(huán)境安全。為滿足以上要求，決定采用微差控制爆破方案和靜態(tài)破碎相結(jié)合的施工方法。

2 微差振動爆破方案的實施

2.1 開挖、爆破方案設(shè)計

結(jié)合本工程地質(zhì)情況和基坑設(shè)計形式，基坑開挖遵循“縱向分段、豎向分層、先支撐后開挖”的原則。總體順序沿車站縱向流水工作面方向臺階開挖，爆破順序與開挖基本相同（圖1）。

圖1 基坑開挖（爆破）順序

根據(jù)緊鄰地鐵及周邊設(shè)施實施爆破的相關(guān)要求，基坑巖石爆破時應(yīng)按照“多打孔、少裝藥、短進(jìn)尺、弱振動”的原則及臺階淺眼松動微差控制爆破的方法進(jìn)行施工。為避免巖石爆破后大塊碎塊的產(chǎn)生，可采用梅花形布孔、排間微差起爆的方式進(jìn)行施工。由于巖石爆破過程中不可避免地會產(chǎn)生振動及飛石，為了創(chuàng)造良好的施工環(huán)境效果及安全，要求在施工過程中，嚴(yán)格控制一次起爆的藥量。

考慮到基坑及維護(hù)結(jié)構(gòu)在施工過程中的安全性，在鄰近基坑邊緣2 m范圍設(shè)置緩沖區(qū)，在緩沖區(qū)爆破施工時應(yīng)采取淺孔臺階弱松動爆破的施工方法，且臨空面應(yīng)朝向基坑內(nèi)襯內(nèi)側(cè)，緩沖區(qū)內(nèi)應(yīng)預(yù)留松動石方，此區(qū)域松動石方可采用挖機(jī)等振動小的施工機(jī)械及人員進(jìn)行拆除。為了保證基底巖石完整且控制好超、欠挖等情況，在施工至接近基底時，炮孔深度應(yīng)控制在基底上30 cm，爆破后此區(qū)域的剩余部分應(yīng)采用機(jī)械進(jìn)行鑿除。

另外，基坑西側(cè)為地鐵車站，車站跨度較大，外觀有損壞，如地鐵車站墻體、外柱等有裂縫，車站東西側(cè)均有裂縫，框架的砌體有水平裂縫和斜向裂縫。從設(shè)計剖面圖可見，車站樁基終孔于風(fēng)化泥質(zhì)砂巖，由于風(fēng)化、水位變化作用，容易對基礎(chǔ)產(chǎn)生不利影響。經(jīng)綜合考慮，本設(shè)計確定基坑內(nèi)西側(cè)距地下連續(xù)墻20 m為非爆破區(qū)，非爆破區(qū)采用靜態(tài)破碎與炮機(jī)打鑿相結(jié)合的施工方法，具體設(shè)置如圖2所示。

圖2 非爆破區(qū)設(shè)置示意

2.2 爆破參數(shù)選取

臺階松動爆破的炮孔布置如圖3所示。

圖3 炮孔布置示意

基坑西側(cè)近地鐵設(shè)施部分爆破臺階高度，段高h(yuǎn)≤2.0 m，工作線長度不大于20 m。遠(yuǎn)離地鐵設(shè)施或基坑連續(xù)墻，段高h(yuǎn)≤5.0 m。炮孔布置前后排采用梅花布孔，以便改善爆破效果，爆破參數(shù)見表1。

爆破高度小于2 m地段，應(yīng)適當(dāng)加密炮孔，調(diào)整孔網(wǎng)參數(shù)，增大超深，減少單孔裝藥量，以保證足夠的炮孔填塞長度，防止產(chǎn)生爆破飛石。

表1 爆破參數(shù)表（淺孔）

2.3 裝藥、填塞和起爆網(wǎng)路設(shè)計及防護(hù)

本工程巖石及支撐梁爆破采用φ32 mm乳化炸藥，采用可以連續(xù)裝藥的結(jié)構(gòu)，炮孔應(yīng)用黃泥或巖粉等材料進(jìn)行填塞，當(dāng)經(jīng)過計算后發(fā)現(xiàn)單孔裝藥量導(dǎo)致填塞減少時，應(yīng)優(yōu)先滿足填塞長度；非電導(dǎo)爆管雷管的塑料管要保護(hù)好。

起爆網(wǎng)路采用非電導(dǎo)爆管起爆網(wǎng)路。采用簇聯(lián)起爆網(wǎng)路，為了確保準(zhǔn)爆，淺孔爆破每孔均需放置一發(fā)雷管，同時還需要選擇合理的毫秒微差時間。淺孔爆破非電導(dǎo)爆管雷管的連接方式見圖4。

圖4 非電起爆網(wǎng)路示意

由于時間間隔對降低爆破振動效應(yīng)以及改善爆破效果有重要作用，故應(yīng)充分考慮及確定合理的時間間隔，藥包直徑、孔網(wǎng)參數(shù)和巖石的物理力學(xué)、地質(zhì)等因素是確定微差間隔時間的主要考慮參數(shù)[3,4]。經(jīng)分析及計算后，本工程采用50 ms的微差時間間隔，即雷管級別1～9段跳段使用，10～15段順段使用。

2.4 爆破的起爆藥量控制

爆破振動安全允許距離公式：

式中：R——與爆源的安全距離；

Q——最大起爆藥量；

K、α——與地形、地質(zhì)有關(guān)的系數(shù)；

V——振動安全速度。

根據(jù)周圍保護(hù)對象（地鐵車站）的標(biāo)準(zhǔn)，取建筑物V=2.0 cm/s，能可靠滿足重要設(shè)施的安全；按《爆破安全規(guī)程》（GB 6722—2003），取K=150、α=1.8。

確定爆破單段最大起爆藥量公式：

經(jīng)計算確定本工程爆區(qū)距地鐵結(jié)構(gòu)邊線的距離為20 m時，單段最大起爆藥量不得超過6.0 kg。巖石爆破每個爆區(qū)總藥量不超過200 kg。

2.5 基坑內(nèi)鄰近支撐系統(tǒng)格構(gòu)柱爆破施工

基坑內(nèi)格構(gòu)柱作為后期基坑支撐體系的有效組成，在基巖爆破實施中應(yīng)確保鋼構(gòu)柱安全，鋼構(gòu)柱附近的巖石爆破采用如圖5所示的爆破順序。

圖5 鋼構(gòu)柱附近巖石爆破順序

2.6 保護(hù)地下連續(xù)墻安全的爆破施工

基坑巖石爆破采用劃分爆破區(qū)域的爆破方法，將基坑分成：A主爆破區(qū)，B松動爆破區(qū)，C弱松動爆破區(qū)。其爆破順序依次為：A主爆破區(qū)→B松動爆破區(qū)→C弱松動爆破區(qū)（圖6）。

圖6 保護(hù)地下連續(xù)墻的爆破工藝

2.7 飛石防護(hù)

爆破個別飛石距離計算公式為：

式中：Rf——個別飛石的安全距離，m；

D——炮孔直徑，英寸，取D=40/25.4=1.57英寸。

計算得Rf=31.4 m，過程中采用微差爆破，保證填塞質(zhì)量，同時控制爆破的主導(dǎo)方向朝向空曠方向，避免爆破主導(dǎo)方向朝著重要設(shè)施，在被爆巖體上面進(jìn)行滿鋼板覆蓋防護(hù)，減少飛石飛散距離，爆區(qū)覆蓋鐵板，鐵板上再壓砂包，絕不可不壓或用石頭壓。爆區(qū)平面覆蓋防護(hù)見圖7。

2.8 爆破安全距離

綜合考慮振動、飛石、噪聲及沖擊波等因素，最終確定本工程的警戒距離為距地下連續(xù)墻外邊線40 m范圍，爆破時應(yīng)確保鄰近道路、地鐵站周邊及人行道、所有人員及機(jī)械均撤離至安全區(qū)域后，再實施爆破，重點(diǎn)部位應(yīng)加強(qiáng)警戒。

圖7 爆區(qū)防護(hù)示意

3 對地鐵的影響及處理措施

3.1 對地鐵的影響

本次爆破區(qū)域在市區(qū)內(nèi)且鄰近地鐵，屬于復(fù)雜環(huán)境的爆破施工，由于爆破時產(chǎn)生的沖擊波衰減較快，對鄰近設(shè)施產(chǎn)生危害的空氣沖擊波超壓值與距爆區(qū)距離的三次方成反比，因此爆破過程中不可避免地會對鄰近地鐵設(shè)施造成不利影響。如可能會使地鐵車站墻體、外柱等產(chǎn)生裂縫，由于車站樁基終孔于風(fēng)化泥質(zhì)砂巖，爆破過程中容易對基礎(chǔ)產(chǎn)生不利影響，甚至于對地鐵的運(yùn)營產(chǎn)生影響。

3.2 處理措施

為避免上述情況的發(fā)生，本工程采取了以下措施，確保爆破過程中地鐵設(shè)施的安全。

1）設(shè)置非爆破區(qū)：在鄰近地鐵站邊線20 m范圍內(nèi)先行斷開，設(shè)置為非爆破區(qū)，該區(qū)域內(nèi)不宜采取爆破法拆除支撐梁，而用炮機(jī)或靜態(tài)膨脹劑破碎施工。

2）設(shè)置減振溝槽：在遠(yuǎn)離地鐵設(shè)施結(jié)構(gòu)邊線20 m以外實施爆破時，盡量在距地鐵設(shè)施較近位置先爆破，形成減振溝槽，使爆破振動減弱，最大限度地保護(hù)地鐵設(shè)施。

3）控制單段起爆藥量：按照爆破振動速度不大于2.0 cm/s的設(shè)計依據(jù)，嚴(yán)格控制單段起爆藥量。原則上盡量多分段，并結(jié)合爆破振動的實際測量結(jié)果，嚴(yán)格控制爆破振動。

4）控制爆破主導(dǎo)方向：在近地鐵設(shè)施一側(cè)實施爆破時，先用炮機(jī)打鑿或用靜態(tài)膨脹劑破碎離地鐵設(shè)施較近一側(cè)的混凝土支撐，以形成切斷效應(yīng)，使爆破振動傳不到地鐵設(shè)施，最大限度地保護(hù)地鐵設(shè)施。

4 爆破效果評價

施工現(xiàn)場嚴(yán)格按照爆破方案進(jìn)行布眼、打孔、裝藥、聯(lián)線、防護(hù)以及起爆、振動檢測，經(jīng)過試爆以及正式施工爆破，振速均嚴(yán)格控制在了2.0 cm/s內(nèi)，飛石未出基坑，噪聲和塵土均滿足要求，爆破效果良好，基坑工程順利完工，達(dá)到預(yù)期效果。設(shè)計部門根據(jù)本工程特點(diǎn)并經(jīng)過計算，確定監(jiān)測工程的警戒值如下：

1）地下連續(xù)墻測斜：墻頂最大位移不得超過25 mm，警戒值取20 mm，每天發(fā)展不得超過2 mm；墻頂最大豎向位移不得超過15 mm，警戒值取12 mm，每天發(fā)展不得超過2 mm；地下連續(xù)墻深層最大位移不得超過40 mm，警戒值取32 mm，每天發(fā)展不得超過3 mm。

2）周邊地鐵等既有建筑：地鐵拱腳處最大位移不得超過10 mm，警戒值取8 mm，每天發(fā)展不得超過2 mm。地鐵站沉降量與時間關(guān)系曲線如圖8所示。

圖8 基坑鄰近建（構(gòu)）筑物沉降量-時間關(guān)系曲線

3）基坑外水位：基坑開挖過程中坑外水位下降不得超過2 000 mm，每天發(fā)展不得超過800 mm。

5 結(jié)語

基坑巖石及支撐梁工程施工采用爆破法可以降低工人的勞動強(qiáng)度、節(jié)約能源、保證施工進(jìn)度、縮短工期、提高施工效率，最重要的是在城市密集建筑區(qū)深基坑爆破開挖施工時，可在保證深基坑本身及鄰近地鐵安全的前提下大大提高拆除效率。

爆破振速與基坑地質(zhì)關(guān)系很大，首先地質(zhì)參數(shù)應(yīng)準(zhǔn)確，以計算巖石與炸藥匹配；其次不能完全套用經(jīng)驗系數(shù)，必須進(jìn)行試爆，并對參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，合理的爆破參數(shù)才能更好地控制爆破安全風(fēng)險[5,6]。

在施工中由于采用了一系列的綜合爆破減振措施，使得開挖爆破對周邊建筑物（尤其是地鐵站）的影響降到了最低程度。在實際的爆破施工中，對爆破的各種易發(fā)、常發(fā)安全隱患要提前預(yù)控、周密防范，做好應(yīng)對措施，確保爆破施工安全。