城市復雜環境下基坑的爆破開挖

任才清,周明安,夏 軍,鄭 懿

(國防科技大學指揮軍官基礎教育學院, 湖南長沙 410072)

城市復雜環境下基坑的爆破開挖

任才清,周明安,夏 軍,鄭 懿

(國防科技大學指揮軍官基礎教育學院, 湖南長沙 410072)

根據郴州市 107國道同心立交橋舊址爆破作業施工實踐,針對城市復雜環境下基坑爆破施工的特點,在設計及施工中采用小孔徑中深孔微差松動爆破,采用監測手段指導施工,將爆破震動、飛石和噪音控制在允許范圍內,實現了在城市復雜環境中安全、快速、高效爆破施工的目的。

復雜環境;基坑施工;中深孔微差爆破;爆破控制

1 工程概況

本工程位于湖南省郴州市 107國道同心立交橋橋舊址,需開挖基坑位置地質結構為巖石,主要是強風化炭質頁巖和中風化炭質頁巖,下挖深度 4～7 m,南北長約 100 m,東西寬約 50 m,開挖總方量約為20000 m2。

本工程位于市中心區域,爆破施工周邊環境較為復雜,爆破振動控制要求高,禁止出現爆破飛石等現象。如圖1 所示,爆破施工作業區距離東側建筑物最近為 16 m,距離西側建筑物最近 40 m,西南側35 m處有一高層瀕危大廈。爆破作業區東側 4 m地下埋有國防通信光纜。爆破施工作業部分區域高于周邊低矮建筑物,且周邊道路仍在正常通行。

圖1 爆破施工區域周圍環境

2 爆破方案設計

2.1 爆破總體方案

由于巖石為炭質頁巖,且爆破區域周圍環境極其復雜,四周為交通主干道,車流量大,且與周邊建筑物距離較近,為確保周邊建筑、行人、車輛的安全,減小爆破震動和飛石飛散距離,決定采用小孔徑中深孔微差松動爆破方案。

2.2 爆破參數

2.2.1 炮孔布置和鉆孔形式

布孔形式采用單排孔和多排孔 2種方式,一次爆破量較少時用單排孔,一次爆破量較大時則布置多排孔。多排孔的排列視情采用平行或交錯形式。本工程爆破采用 90°孔,預裂孔傾角與邊坡的傾角相同。炮孔布置形式見圖2,炮孔結構見圖3。

圖2 炮孔布置形式

圖3 炮孔結構

2.2.2 孔徑

本次爆破依據鉆機性能、臺階高度和地質條件,同時為了減小爆破振動和單孔裝藥量,采用炮孔直徑D=42 mm。

2.2.3 裝藥直徑

為確保爆破效果,本次爆破采用不偶合裝藥,即裝藥直徑 d小于孔徑。

2.2.4 孔深與超鉆深度

炮孔超鉆深度 h1與底盤抵抗線有關,為減少爆破次數和確保單次爆破的質量,施工過程中,孔深的超鉆深度為底盤抵抗線的 15%～35%。本工程施工中,孔深超鉆深度采用較大,超鉆深度 h1=0.3～0.4 m。

2.2.5 填塞長度

足夠的堵塞長度和良好的堵塞質量,有利于改善爆破效果和減少爆破飛石的距離。針對本次爆破的特殊環境,對控制飛石的要求特別高,因而對填塞長度和填塞質量提出了很高的要求,填塞過程中,其長度大于一般淺孔爆破的填塞長度。實際中,當孔深為 2 m時,填塞長度取 0.8～1 m;當孔深大于 2 m時,填塞長度取 1～1.2 m。

2.2.6 炸藥單耗

結合爆破施工作業區域的地質條件、周邊環境和爆破要求,參照類似工程施工經驗,初定前排和邊孔炸藥單耗 q取 0.3～0.4 kg/m3;后排炮孔炸藥單耗取 0.4～0.5 kg/m3。

2.2.7 孔距與排距

爆破巖石破碎是通過多孔的爆破應力波的共同作用實現的。為了獲得較好的松動爆破效果和控制爆破危害,孔距一般取 a=(0.8～1.2)W,本次爆破孔深 2 m時,孔距 a=1.2～1.5 m。

炸藥性能一定時,爆區巖石的破碎有一合理的單耗,在孔徑已確定及采用微差爆破的條件下,便可確定排距 b的值,排距一般取 b=(0.8～1.2)W。本次爆破孔深為 2 m時,排距 b=1～1.2 m。

2.2.8 微差時間

為降低爆破震動的危害效應,在保證破碎質量的前提下,可適當減少炸藥單耗。本次爆破施工采用多排炮孔一次性點火,按先后順序起爆,在后排炮孔起爆時,前排炮孔的爆碴起到阻擋作用,以最大限度的改善爆破質量。

2.3 起爆網絡設計

由于此次爆破施工選用了防水性強的乳化炸藥,決定采用非電導爆管網路起爆。為了減少外界雜散電流、感應電流、射頻電流等可能引起的早爆或誤爆事故,采用非電復式導爆管起爆網路,導爆管雷管采用孔外延期起爆網路,每一排使用同一段位的毫秒延期雷管,見圖4。

圖4 起爆網絡

3 爆破安全防護設計

安全是爆破工程的關鍵環節,對爆破產生的不安全因素必須進行有效的控制,以防止爆破振動、空氣沖擊波、飛石、噪聲和灰塵對周圍建筑物和人員、車輛的危害。本次爆破安全防護采取主動防護和被動防護相結合的方法。

3.1 最大單段起爆裝藥量

本次爆破重點防護目標為施工作業區域東側和西南側建筑,根據《爆破安全規程》,安全振動速度可取 2.5 cm/s,考慮到西南側樓房為瀕危樓房,爆破振動控制在 2 cm/s以內。此次爆破為內部裝藥松動微差控制爆破,因此,最大一段(次)起爆藥量按下式計算:

式中:V——被保護目標的安全振動速度,cm/s;

Qmax——最大單段起爆的炸藥量,kg,齊發爆破取一次爆破總藥量,微差爆破取最大一段裝藥量;

R——爆點中心至被保護目標的距離,m;

K、α——與爆破地形、地質條件等有關的系數和地震波衰減指數,通常根據試驗和經驗確定。

根據本次爆點周圍的實際地質條件,選取 K=180,α=2.0。取震速 V=2 cm/s、爆區與周邊建筑物間最小距離 R=16 m代入上式,則可計算最大一段(次)允許裝藥量。施工過程中,經過振動監測,最大振動速度 V=1.85 cm/s,達到設計要求。

3.2 爆破飛石

為達到控制爆破飛石的目的,在本工程爆破施工過程中主要采取以下控制措施控制飛石:根據施爆點的地質條件,合理確定炸藥的單耗,嚴格控制藥量;設計合理的起爆序列和最佳延期時間,以盡量減少爆破飛石;利用砂土對炮孔進行嚴實的堵塞,嚴禁堵塞物中夾雜碎石;根據現場試驗結果,正確確定炮孔參數。裝藥前通過復核孔距、排距、孔深、最小抵抗線等,如有不符合要求的現象,根據實測資料及時采取補救措施或修改裝藥量,嚴禁多裝藥;在滿足工程要求的前提下,盡量減小爆破作用指數,選用最佳的最小抵抗線;整個爆破施工區域周圍加裝高 2 m的硬質圍擋,特別是爆破施工作業區域東側,既可以防止無關人員的進入,也可以防止個別飛石飛出爆破區域;爆破區域采用剛柔結合安全防護法,爆破區域上首先用 30 cm厚成束柴草做墊層,再用組合型竹夾板進行覆蓋,并用沙袋壓實,保證不出現巖石的飛散現象,見圖5。

圖5 爆區覆蓋防護示意

4 爆破效果及經驗

本工程按照上述方案進行了爆破施工,在規定的工期內提前一周完成了施工,施工過程中未出現任何安全問題,實現了安全、快速、高效施工的目的。從爆破實踐來看,取得了如下經驗。

(1)采用多排孔延時臺階爆破時,在爆破參數的確定過程中,根據地質條件和安全施工的要求,對超深、最小填塞長度及炸藥單耗等基本爆破參數進行微調,能夠確保爆破后地面平坦、塊度適中。

(2)針對施工區域西南側存在瀕危樓房的現狀,通過嚴格控制最大一段起爆藥量,經過科學振動監測,振動速度最大值小于 2 cm/s,不會對該建筑產生任何安全風險。

(3)由于巖石中土夾層和少量孤石的存在,對爆破塊度影響較大,因此,在該基坑爆破開挖時,對炮孔布孔和巖體的節理面進行兼顧考慮,對于個別孤石沒有達到塊度要求的,采用改炮方式進行二次破碎,以確保整體爆破效果。

(4)由于業主方在爆破施工過程中,對巖石爆破塊度提出了粒徑控制在 40～60 cm的要求,選取炸藥單耗時,在安全允許的前提下,把單耗加大,實現了爆破塊度 75%以上的符合要求的良好效果。

[1] 楊晟釗,林 盛,李 慧.復雜環境中深基坑的爆破開挖[J].青島理工大學學報,2009,(6).

[2] 王東旭.復雜環境下體育館基坑爆破 [J].露天采礦技術,2009,(4).

2011-06-26)

任才清(1984-),男,博士研究生,講師,主要從事安全防護與爆破工程的設計與研究。