湘祁二線船閘深基坑控制爆破開挖效果與邊坡防護(hù)措施探討

段元振， 黃圣平， 劉 領(lǐng)， 張文侃， 彭 哲

(湖南省湘水集團(tuán)有限公司, 湖南 長沙 410011)

0 引言

在船閘深基坑開挖過程中，時(shí)常會遭遇大面積復(fù)雜的巖石地質(zhì)問題，爆破作業(yè)因其高效快捷的特點(diǎn)，成為解決此類問題的首選。雖然船閘深基坑爆破開挖可以松動一定范圍內(nèi)硬度較大的巖石，有效提高采掘機(jī)械的施工效率和工程施工進(jìn)度，但爆破也可能造成巖石損傷失穩(wěn),引發(fā)安全事故。因此，如何有效控制船閘深基坑爆破效果、保障邊坡穩(wěn)定、降低危害和消除隱患成為了亟待研究的問題。

近些年來，為了促進(jìn)爆破開挖技術(shù)在船閘工程中的有效運(yùn)用，諸多學(xué)者對此進(jìn)行了針對性研究。戴會超[1]、劉利軍[2]、余明昌[3]、段瑞超[4]、羅鵬飛[5]、萬國權(quán)[6]等從不同角度對船閘工程爆破開挖的影響因素及控制爆破指標(biāo)進(jìn)行了研究。這些研究在許多工程中取得了較好的應(yīng)用效果，但是關(guān)于船閘深基坑控制爆破開挖與邊坡安全防護(hù)措施相結(jié)合的研究成果卻很少。鑒于此，以湖南省在建水運(yùn)項(xiàng)目爆破量最大工程湘祁二線船閘為依托，采用合理的爆破設(shè)計(jì)參數(shù)，對比薩道夫斯基公式計(jì)算出的振動速度理論值與爆破實(shí)測振動監(jiān)測數(shù)值，結(jié)合沉降變形實(shí)測數(shù)據(jù)對邊坡安全穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，同時(shí)提出了針對性的邊坡防護(hù)工程措施。研究成果可為類似船閘工程控制爆破開挖與邊坡防護(hù)相結(jié)合技術(shù)的運(yùn)用提供借鑒。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)條件

湘祁二線船閘位于湘江左岸，船閘基坑石方爆破量110萬m3,為目前湖南省在建水運(yùn)項(xiàng)目爆破量最大的工程。船閘區(qū)原始地貌為沖溝及小山坡，地形較起伏，沖溝中出露湘江I級階地；船閘下游通過山坡及湘江I級階地，小山坡最大高程94.8m，坡度30°～45°，局部人工開挖后坡度達(dá)70°～80°，山坡坡體較穩(wěn)定。沿閘線第四系覆蓋層多為殘坡積和沖積堆積粉質(zhì)黏土及塊石填土，中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、微風(fēng)化粉砂巖等基巖局部出露。

1.2 爆破設(shè)計(jì)參數(shù)

以下游船閘基坑段石方爆破開挖為目標(biāo)進(jìn)行研究，為能很好地控制爆破飛石，確保爆破自由面與飛石方向一致，全部實(shí)施垂直鉆孔，排間呈梅花形。主爆區(qū)爆破網(wǎng)路采用導(dǎo)爆管非電起爆系統(tǒng)，毫秒延期起爆網(wǎng)路，即孔內(nèi)延時(shí)孔外接力傳爆網(wǎng)路，孔外用MS3～MS4段，孔內(nèi)用MS7～MS10段非電導(dǎo)爆管雷管。為了保證最大段單響藥量不超過計(jì)算藥量，在距離建筑60 m以內(nèi)爆破，中深孔爆破應(yīng)采取逐孔(簇)起爆，隨著爆破點(diǎn)遠(yuǎn)離保護(hù)目標(biāo)，可逐步增加每段起爆炮孔的數(shù)目。該工程爆破條件良好，起爆網(wǎng)路設(shè)計(jì)為“排間起爆”，前排先爆，由前往后逐排起爆，邊孔比同排孔高一個(gè)段別，同時(shí)采取在基坑靠近邊坡預(yù)留保護(hù)層的兩側(cè)周邊布置若干減震孔等工程技術(shù)措施，以確保邊坡穩(wěn)定。施工過程中配合采用振動監(jiān)測儀和邊坡沉降變形觀測設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。該研究段中深孔臺階爆破設(shè)計(jì)參數(shù)為： ① 鉆孔直徑D=90 mm；②孔距a=2.2 m；③排距b=2.0 m；④鉆孔深度L=4.5 m；⑤炸藥單耗q=0.4 kg/m3(按松動爆破的經(jīng)驗(yàn)取值，通過現(xiàn)場試爆效果進(jìn)行調(diào)整)；⑥單孔裝藥量Q=qabH；⑦裝藥深度L1=2.0 m；⑧填塞長度L2=2.5 m；⑨藥卷直徑φ=70 mm；⑩長度為500 mm；每卷重2.0 kg。

2 爆破理論公式

結(jié)合工程所屬地區(qū)地質(zhì)特征，采用薩道夫斯基公式計(jì)算振動速度：

(1)

式中：R為爆破振動安全允許距離，m；Q為炸藥量，kg；齊發(fā)爆破為總藥量，延時(shí)爆破為最大一段藥量；v為保護(hù)對象所在地質(zhì)點(diǎn)振動安全允許速度，cm/s；k、α分別為與爆破點(diǎn)至計(jì)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)。

根據(jù)此工程地質(zhì)特點(diǎn)，考慮到地下水豐富，基本處于飽和狀態(tài)，巖石中風(fēng)化和微風(fēng)化，結(jié)合湖南省株洲航電樞紐二線船閘主體爆破所得經(jīng)驗(yàn)，k取250，α取1.8。

本次爆破作業(yè)距下游船閘基坑控制點(diǎn)安全距離R為100 m，最大單響藥量Q為24 kg，將數(shù)值代入式(1)，計(jì)算得下游船閘控制中心的振動速度理論值v為0.42 cm/s。

3 監(jiān)測分析

爆破作業(yè)過程中采用振動監(jiān)測儀實(shí)時(shí)監(jiān)測下游船閘基坑段的振動速度，通過記錄多組爆破監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析爆破控制效果，振動速度監(jiān)測數(shù)據(jù)見表1。

表1 湘祁二線船閘下游基坑段振動速度監(jiān)測數(shù)據(jù)序號水平X方向最大振速/(cm·s-1)半波主頻/Hz水平Y(jié)方向最大振速/(cm·s-1)半波主頻/Hz垂直Z方向最大振動速/(cm·s-1)半波主頻/Hz10.2014.930.1617.240.1822.3520.2816.460.2824.540.0120.7330.1715.270.1021.740.0142.5540.3020.300.1627.590.0134.7850.1116.460.1317.240.0145.5460.3433.900.3122.220.0115.81

從表1數(shù)據(jù)可知，船閘下游基坑段質(zhì)點(diǎn)峰值振動速度為0.34 cm/s，通過計(jì)算其理論峰值振動速度值為0.42 cm/s，100%質(zhì)點(diǎn)峰值振動速度值小于理論計(jì)算值。根據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB6722—2014)規(guī)定，對一般民用建筑物安全允許振動速度為2.0～2.5 cm/s(10 Hz～50 Hz)。由爆破振動測試結(jié)果可知，實(shí)測爆破振速、振動頻率低于《爆破安全規(guī)程》(GB6722—2014)規(guī)定的爆破振動安全允許標(biāo)準(zhǔn)。爆破所產(chǎn)生的振動不會對周邊建筑物、邊坡等造成安全影響。從主頻率因素看，觀測點(diǎn)的主頻率在14.93～33.9 Hz之間變化，爆破振動頻率大于建筑物的固有頻率(建筑物的固有頻率一般小于3 Hz)，爆破振動不可能與周邊建筑物發(fā)生共振，因此建筑物不會因共振而出現(xiàn)裂縫。以上分析表明爆破控制比較理想，爆破施工設(shè)計(jì)參數(shù)比較科學(xué)。結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際邊坡監(jiān)測情況，基坑爆破未對控制區(qū)域內(nèi)的邊坡巖石有過度損傷和擾動，邊坡整體處于安全穩(wěn)定狀態(tài)。爆破完成后該段邊坡的整體效果見圖1，局部效果見圖2。

本次爆破作業(yè)完成后對下游船閘基坑段進(jìn)行了實(shí)時(shí)的邊坡沉降變形觀測，沉降變形監(jiān)測數(shù)據(jù)見表2。

圖1 深基坑爆破邊坡整體效果

圖2 深基坑爆破邊坡局部效果

表2 湘祁二線船閘下游段基坑沉降變形監(jiān)測數(shù)據(jù)編號本期日均值/(mm·d-1)本期累計(jì)沉降值/mm本期累計(jì)位移總變形量/mm報(bào)警值日均值/(mm·d-1)累計(jì)沉降值/mm累計(jì)變形量/mm是否達(dá)到預(yù)警值10.0011.454030否20.1121.654030否30.0010.654030否40.1122.254030否50.0031.954030否60.0043.654030否70.0553.154030否80.0522.354030否90.1142.854030否100.2521.254030否110.5042.154030否120.2521.454030否 注: 沉降變形以向下為正,向上為負(fù)。

從表2數(shù)據(jù)可知，監(jiān)測沉降變形的日均最大值0.5 mm/d，遠(yuǎn)小于日均報(bào)警值5 mm/d；累計(jì)沉降最大值5 mm，遠(yuǎn)小于累計(jì)沉降值40 mm的報(bào)警值。累計(jì)位移變形量最大值3.6 mm，遠(yuǎn)小于累計(jì)沉降值30 mm的報(bào)警值。

以上監(jiān)測數(shù)據(jù)表明爆破控制作用有效，基坑爆破未對邊坡整體沉降變形產(chǎn)生顯著的影響，邊坡整體處于安全穩(wěn)定狀態(tài)。

通過爆破振動和沉降變形監(jiān)測分析，雖然邊坡整體處于安全穩(wěn)定狀態(tài)，但爆破后局部邊坡巖土體存在破碎和風(fēng)化程度加劇風(fēng)險(xiǎn)，需要采用措施對裸露邊坡進(jìn)行有效防護(hù)，以確保邊坡在后續(xù)施工中保持穩(wěn)定狀態(tài)。

4 邊坡防護(hù)措施

針對湘祁二線船閘深基坑的復(fù)雜地質(zhì)條件，在基坑爆破實(shí)施過程中，采用了多種實(shí)用可靠的邊坡防護(hù)措施，同時(shí)針對局部較軟弱巖土體優(yōu)化調(diào)整了爆破設(shè)計(jì)參數(shù)，有效地保障了邊坡的自身穩(wěn)定。主要采取了如下舉措。

1) 在基坑靠近邊坡預(yù)留保護(hù)層的兩側(cè)周邊布置若干減震孔，將最小爆破抵抗線指向控制在安全方向上，以此降低爆破振動對邊坡的擾動。

2) 采用精確的毫秒微差分段爆破、簡化爆破網(wǎng)絡(luò)、控制一次裝藥量、單孔單響設(shè)計(jì)等工程技術(shù)措施，使爆破振動速度控制在安全允許的范圍之內(nèi)。

3) 邊坡采用分級開挖、邊坡坡腳處設(shè)置施工便道、坡頂坡腳設(shè)置排水溝(見圖3)等工程技術(shù)手段，加大安全人員巡查頻次，經(jīng)常性地對邊坡滾落孤石進(jìn)行清理。

圖3 深基坑爆破施工邊坡坡頂排水溝

4) 上層砂礫土邊坡采用密目式防護(hù)網(wǎng)(見圖4)、土工布覆蓋、裸露邊坡生態(tài)復(fù)綠(見圖5)的工程技術(shù)措施，減少土塊的析離流失，以此增強(qiáng)邊坡固土保水能力。

圖4 深基坑爆破土質(zhì)邊坡密目網(wǎng)防護(hù)

圖5 深基坑爆破施工邊坡草籽生態(tài)護(hù)坡

5) 下層巖性邊坡采用整體式防護(hù)鋼絲網(wǎng)(見圖6)和設(shè)置攔擋平臺的工程技術(shù)措施，結(jié)合對松動的軟弱巖體進(jìn)行噴漿錨固，增強(qiáng)巖體固結(jié)穩(wěn)定性。

圖6 深基坑爆破巖質(zhì)邊坡鋼筋網(wǎng)防護(hù)

6) 采用預(yù)應(yīng)力錨桿加固，用以調(diào)動和提高巖土體的自身強(qiáng)度和自穩(wěn)能力。

5 結(jié)語

以湖南省在建水運(yùn)單體項(xiàng)目爆破量最大工程—湘祁二線船閘為背景，通過選取合理的爆破設(shè)計(jì)參數(shù)，對比薩道夫斯基公式計(jì)算出的振動速度理論值與爆破實(shí)測振動監(jiān)測數(shù)值，結(jié)合沉降變形實(shí)測數(shù)據(jù)對邊坡安全穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，現(xiàn)場爆破作業(yè)所采用的爆破設(shè)計(jì)參數(shù)較合理，爆破控制效果明顯，邊坡處于安全穩(wěn)定狀態(tài)。同時(shí)基于本工程的復(fù)雜地質(zhì)條件，輔之有效的邊坡防護(hù)措施，為邊坡的安全穩(wěn)定提供了更大保障。研究成果可為類似船閘工程控制爆破開挖與邊坡防護(hù)相結(jié)合技術(shù)的運(yùn)用提供借鑒與參考。