中深孔控制爆破在長(zhǎng)沙地鐵基坑巖石開挖中的應(yīng)用

毛益松,單志國(guó),祝振生,陳章明

(1.國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué), 湖南長(zhǎng)沙 410073;2.湖南長(zhǎng)工工程建設(shè)公司, 湖南長(zhǎng)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(zhǎng)沙地鐵基坑巖石開挖中的應(yīng)用

毛益松1,單志國(guó)2,祝振生3,陳章明2

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

結(jié)合長(zhǎng)沙市地鐵 2號(hào)線體育公園站基坑巖石開挖工程實(shí)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(dòng)對(duì)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(jì)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(zhǎng)沙市軌道交通 2號(hào)線體育公園站位于長(zhǎng)沙市雨花區(qū)勞動(dòng)?xùn)|路上,為 2、3號(hào)線換乘站。2號(hào)線車站垂直勞動(dòng)?xùn)|路呈南北向布置,車站長(zhǎng) 180.2 m,寬20.7 m,深 17.2 m;3號(hào)線車站平行勞動(dòng)?xùn)|路呈東西向布置,車站長(zhǎng) 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。基坑巖石地質(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(dòng)?xùn)|路主干道,雙向 8車道,東南角為長(zhǎng)沙國(guó)中星城置業(yè)有限公司萬國(guó)商業(yè)廣場(chǎng),距離基坑邊 97 m;南側(cè)為規(guī)劃體育公園、焰火廣場(chǎng),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(zhǎng)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(tái)階松動(dòng)爆破。由于基坑爆破深度較大,爆破需分層進(jìn)行,爆破順序?yàn)椤疤筒邸_(tái)階”,如圖2所示。開挖爆破順序?yàn)棰?②-③-④-⑤-⑥,其中③、⑤、⑥部分為弱松動(dòng)控制爆破區(qū),②、④部分為松動(dòng)控制爆破區(qū),①部分為加強(qiáng)松動(dòng)爆破區(qū)。

圖2 2號(hào)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(duì)旋挖樁的震動(dòng)影響,離旋挖樁 1.5 m處為弱松動(dòng)控制爆破區(qū),該部分采用小臺(tái)階單孔微差弱松動(dòng)控制爆破,臺(tái)階高度 1.5 m。必要時(shí)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?yàn)樗蓜?dòng)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(jì)

3.1 中深孔爆破孔網(wǎng)參數(shù)設(shè)計(jì)

由于巖石多為裂隙發(fā)育,風(fēng)鉆鉆孔時(shí)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(tái)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(zhǎng)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(jì)

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。孔內(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(shí)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(zhǎng)度

采用孔底密實(shí)裝藥結(jié)構(gòu),裝藥時(shí)根據(jù)設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)。

填塞長(zhǎng)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(shí)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(jì)

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(dòng)安全允許距離,m;Q為炸藥量,齊發(fā)爆破為總藥量,延時(shí)爆破為最大一段藥量,kg;V為保護(hù)對(duì)象所在地質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)安全允許速度(見表1),cm/s;K、α為與爆破點(diǎn)至計(jì)算保護(hù)對(duì)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(dòng)安全允許標(biāo)準(zhǔn)

按上表第二項(xiàng)“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(xiàng)“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(xiàng)“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(dòng)速度 3～5 cm/s。部分建筑物允許一次起爆藥量計(jì)算如下:

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

基坑爆破對(duì)車站結(jié)構(gòu)的影響中,取車站結(jié)構(gòu)允許震動(dòng)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(jì)算

炮孔起爆時(shí)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(shí),對(duì)旋挖樁不會(huì)造成破壞。

3.4.3 爆破飛石最大安全距離及安全防護(hù)

個(gè)別飛石的飛散距離(Rf)可由 Lundborg公式計(jì)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(zhǎng)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(cuò)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(cuò)誤等種種原因,個(gè)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(zhǎng)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(gè)炮孔口用 1個(gè)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(gè)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(gè)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(shí)拉開幾張蓋板,作為通道,爆破時(shí)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(zhǎng)沙市建設(shè)地鐵中首次進(jìn)行,10個(gè)月的爆破實(shí)踐表明:松動(dòng)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(jì)劃,高峰時(shí)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(dòng)計(jì)算公式計(jì)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(dòng)檢測(cè)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(shí)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(cè)[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(huì)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(jì),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。