城市地鐵風井金屬膨脹劑開挖和爆破開挖技術對比

李 琳，王海亮，周 宜，張祖遠

(山東科技大學礦山災害預防控制省部共建國家重點實驗室培育基地，山東 青島 266590)

0 引言

為了緩解日益增加的交通壓力，全國各大城市都已經開始建設和運營地鐵，至2015年，全國地鐵運營總里程將達3 000 km，而至2020年，將有40個城市建設地鐵，總規劃里程達7 000 km［1］。城市地鐵風井施工面臨的一個重要問題就是對城市地鐵周邊建筑物及市政建設管道和線纜等的影響。馬長濤［2］介紹了爆破施工的方式、布孔方式、爆破參數、裝藥和填塞、起爆方式、起爆網設計和爆破的安全防護等。王亞峰［3］針對在城市復雜環境條件下，無法采用爆破方式進行通風豎井施工的情況，以重慶軌道交通六號線一期工程豎井及橫通道施工過程為例，介紹了非爆破施工的方法。沈捷［4］探討了地鐵區間隧道組合豎井的設計方案，通過對組合豎井和傳統單豎井方案的比較，指出組合豎井方案可以減少豎井工程數量、縮短建井周期、降低建井成本和提高經濟效益。可以看出，國內對豎井開挖的爆破施工工藝和施工方法介紹的較多，但對一個風井開挖工程采用多個施工方法的介紹較少，并且沒有金屬膨脹劑施工的相關研究。本文以青島地鐵2號線一期工程延安路站1號風井為例，對采用的機械開挖、金屬膨脹劑開挖和爆破開挖這3種開挖方式進行分析。

1 工程概況

延安路站1號風井位于貴和福利廠南側小公園內，該地塊與延安三路高差為4～7 m。風井開挖跨度17.9 m，寬 7.9 m，深 29.291 m，采用明挖法施工。1號風井南側為延安三路172號居民樓，距離1號風井開挖邊線5.8 m，該樓建造于20世紀70年代，為7層磚混結構，基礎為毛石條形基礎，基礎深度1.5 m;據青島建學建筑工程司法鑒定，該樓為整棟危樓，爆破振動安全允許標準為0.5 cm/s［5］。振動監測點A布設在延安路站172號居民樓一樓樓房基礎位置，處于1號風井的垂直平分線與172號居民樓的交界處。延安路站平面布置和振動監測點布設如圖1所示。

圖1 延安路站1號風井平面布置圖(單位:m)Fig.1 Plan layout of No.1 ventilation shaft of Yan’an Road Metro Station(m)

1號風井風道正上方有一條2 m×2 m的漿砌片石雨水暗渠，因無遷改路徑，施工前在風井范圍內將雨水暗渠換成鋼渡槽過渡。根據地質勘察資料反映該工程地面以下的主要地質情況依次為:素填土、強風化花崗巖上亞帶、強風化花崗巖下亞帶、中風化花崗巖和微風化花崗巖。具體位置關系和地質情況如圖2所示。

2 風井整體開挖方案

延安路站1號風井根據周圍環境和地質條件的不同，采用了不同的開挖方案。具體開挖方案如表1所示。

圖2 延安路站1號風井剖面圖(單位:m)Fig.2 Profile of No.1 ventilation shaft of Yan’an Road Metro Station(m)

表1 延安路站1號風井整體開挖方案Table 1 Excavation program of No.1 ventilation shaft of Yan’an Road Metro Station

1號風井上部埋深在0～11 m時其地質是素填土和強風化花崗巖，比較松散，采用機械開挖［6］，直接裝運。在開挖埋深2.872 m處的雨水暗渠，應注意對其進行保護，采用了鋼渡槽加固的方法，以減少后期采用的開挖方法對雨水暗渠的擾動和破壞。

3 金屬膨脹劑開挖

埋深達到12 m時，地質情況變為中風化花崗巖，地質情況已經不適合機械開挖，并且機械開挖施工工期長、成本高，為了減小爆破振動對172號居民樓的影響，并未采用爆破施工，而是采用了金屬膨脹劑破巖施工。

3.1 金屬膨脹劑破巖原理

金屬膨脹劑是一種裝有金屬混合物的膠囊狀物體。基巖穿孔后插入金屬膨脹劑，然后用專用電線連接到啟動裝置，后經過PLASMA反應使其發生化學反應，生成超高溫、超高壓下的瞬間熱體積膨脹能量。用此膨脹能量達到良好破巖效果，可確保最適當、最佳化的破巖狀態。

1)PLASMA反應原理。先用啟動裝置提供瞬間提升大電力，大電力沖擊到膨脹劑時，瞬間在膠囊內部生成超高溫和超高壓，使裝在膠囊里的金屬混合物間發生反應產生高頻等離子，反應過程中發生噴射式體積膨脹，以此熱膨脹能量達到分割、隔離巖體的效果，是一種全新的破巖功法。

2)基巖破碎原理。以金屬膨脹劑為中心，產生同心環狀膨脹壓力達到破巖目的。而此膨脹壓力在破巖的同時瞬間消失。其特殊物理特性，使震動和破巖沖擊波氣流瞬間減至最小，是一種低振動的全新破巖法。

3.2 金屬膨脹劑破巖方案

根據爆破施工經驗，金屬膨脹劑破巖施工必須也要有臨空面，因此，本破巖方案先在1號風井的Ⅰ部位進行掏槽破巖。為了減小對172號居民樓的擾動，在靠近172號居民樓的一側風井內周邊鉆單排φ150 mm、孔間距250 mm的單排減震孔，孔深為2 000 mm，為防止孔內充水，其內裝入全封閉的PVC管。Ⅰ部位掏槽破巖之后，再對Ⅱ部位進行破巖，創造出足夠大的自由面之后，再對Ⅲ部位進行破巖。金屬膨脹劑施工方案炮眼布置如圖3所示。

3.3 鉆眼裝藥

根據本工程實際情況，選用直徑為48 mm、長度為35 cm的金屬膨脹劑。使用氣腿式鉆機(帶配套鉆桿及φ 50 mm鉆頭)鉆取φ50 mm的炮孔，炮孔深度1 300 mm。鉆孔完成后，將鉆孔清理干凈，保證鉆孔內無積水及雜物。然后每孔內裝金屬膨脹劑1支，金屬膨脹劑裝入到炮孔底后，將已準備好的炮眼堵塞劑(堵塞劑采用條狀塑料袋按細石與砂比例1∶1混合裝入袋中封閉而成)填塞入孔內并搗實，直至孔口。具體填塞方法如圖4所示。

圖4 金屬膨脹劑炮眼填塞圖(單位:mm)Fig.4 Stemming of metal expansive agent blasting holes(mm)

3.4 起爆

當所有炮孔裝藥填塞完成后，受金屬膨脹劑專用起爆裝置起爆能力的限制，只能將4～5支金屬膨脹劑外導線串聯起來，并連接至激發器接線端，將裝好的金屬膨脹劑分次起爆。

3.5 金屬膨脹劑施工破巖材料成本

延安路站1號風井開挖斷面面積為124 m2，每個斷面共需布孔262個，根據現場施工情況，平均破巖進尺為1 m，破巖使用的金屬膨脹劑為3支/m3，材料價格為市場價格100元/支，每m3填充砂石混合物為0.006 m3，材料價格為80 元/m3，根據上述條件，總的材料成本為300.003元/m3。

鑒于金屬膨脹劑破巖成本高和超欠嚴重的現象，1號風井開挖方案改為采用金屬膨脹劑與爆破結合開挖的方法。因此方案只是對1號風井開挖了2 m，故對其不做詳細敘述。

4 爆破開挖

當埋深達到22 m時，爆心離172號居民樓的距離達到了22.8 m，并且對金屬膨脹劑與爆破結合開挖方案采取的爆破施工進行了振動監測，振速并沒有超過爆破振動安全允許標準0.5 cm/s，因此1號風井開挖方案改為爆破開挖。

4.1 爆破開挖方案

爆破施工方案采用垂直楔形掏槽方式爆破，分為Ⅰ－1，Ⅰ－2，Ⅱ，Ⅲ 4個爆破區域，Ⅰ－1和Ⅰ－2區可利用20段普通導爆管雷管孔外延時一次起爆［7］。起爆Ⅱ區后觀察爆破效果，騰出足夠大的自由面后再起爆Ⅲ區，以減小Ⅲ區爆破對南側小區樓房的擾動。炮眼布置如圖5所示，孔網爆破參數如表2所示，起爆網絡示意如圖6所示。

圖5 爆破開挖炮眼布置圖(單位:mm)Fig.5 Layout of explosive blasting holes(mm)

表2 爆破開挖參數Table 2 Explosive blasting parameters

圖6 爆破網絡示意圖Fig.6 Explosive blasting network

4.2 鉆眼

爆破開挖選用的是φ32 mm的2號巖石乳化炸藥，鉆取φ42 mm的炮孔，炮孔深度1 100 mm。

4.3 爆破開挖破巖材料成本

延安路站1號風井開挖斷面面積為124 m2，爆破施工每個斷面共需布孔131個，每孔乳化炸藥0.4 kg，共消耗乳化炸藥52.4 kg，根據現場施工情況，平均破巖進尺為1 m，乳化炸藥單價為8.274元/kg，得出乳化炸藥2.91元/m3，每 m3填充砂石混合物為0.006 m3，材料價格為80元/m3，共使用普通導爆管雷管140發，單價為4.87元/發，得出普通導爆管雷管4.58元/m3，根據上述條件，總的材料成本為87.49元/m3。

5 警戒、飛石和噪音控制

為了減小金屬膨脹劑和乳化炸藥起爆時產生的噪聲和飛石對172號居民樓居民的影響，采取了以下措施:

1)在每次爆破前10 min，警戒人員均以揚聲喇叭和鳴哨的方式，提醒附近居民及過往行人做好心理準備。

2)風井開挖時，采取近體覆蓋防護和龍門架全封閉二級防護和降噪措施［8］，都要覆蓋2層橡膠條編織而成的炮被，并在炮被上方密排沙袋。其他孔口位置堆放2個以上砂包，可以有效地保護網路不被巖石砸壞［9］。

3)井口安裝海綿隔音板作為爆破噪音的一級降噪，龍門架采用吸音板材料進行封閉，作為二級降噪進一步減少噪音的外散。

6 振動監測

為研究2種施工方法不同埋深時的合振速v大小，監測點A布設在延安路站172號居民樓一樓樓房基礎位置，振動監測儀布設在1號風井的垂直平分線與172號居民樓的交界處。監測振動的垂直方向振速vc，水平徑向振速 vr，水平切向振速 vt，合振速 v=。當埋深 h=11 m，爆心距 R=14.09 m時，vc=0.10 cm/s，vr=0.04 cm/s，vt=0.05 cm/s，=0.11 cm/s，金屬膨脹劑施工的振動曲線如圖7所示。當埋深h=24 m，爆心距R=25.56 m時，vc=0.131 cm/s，vr=0.08 cm/s，vt=0.09 cm/s，v==0.18 cm/s，爆破開挖的振動曲線如圖8所示。收集豎井開挖線距監測點A水平距離8.8 m處的測振數據，得出2種施工方法在不同埋深時的振速，如表3所示。

通過表3比較2種施工方法不同埋深時合振速v以及各自的平均合振速ve，可以看出:1)金屬膨脹劑破巖施工的合振速v變化波動小，爆破施工的合振速v變化波動大;2)金屬膨脹劑破巖施工平均合振速ve=0.08＜爆破施工的平均合振速ve=0.18。由此可以得出金屬膨脹劑破巖施工的減振效果優于爆破施工。

圖7 金屬膨脹劑的施工振動曲線Fig.7 Curves of vibration caused by metal expansive agent blasting

圖8 爆破施工的振動曲線Fig.8 Curves of vibration caused by explosive blasting

表3 2種施工方法振速對比Table 3 Comparison and contrast between vibration velocity caused by metal expansive agent blasting and that caused by explosive blasting

7 金屬膨脹劑施工的優缺點

7.1 優點

1)既不用炸藥又不用雷管，較適宜應用于人口稠密地區和正進行生產的廠房改建、擴建工程。

2)裝放金屬膨脹劑以及連接網絡過程比裝放炸藥更安全。

3)破巖工程中的減振效果勝于一般炸藥。

4)由于金屬氣體的膨脹力有限，故混凝土不致飛散，僅產生裂縫，大大增加了施工的安全性。

7.2 缺點

1)與普通炸藥相比爆破所產生的碎石塊度較大。

2)存在延期起爆的現象，對破巖后續工作正常進行產生不利影響，并嚴重威脅到現場工作人員的人身安全。

3)超挖與欠挖現象嚴重，破巖效果穩定性不如一般炸藥。

4)成本較高，金屬膨脹劑破巖材料成本約為普通炸藥的3.4倍。

5)在更好控制振動速度的前提下，單次起爆炮孔數有限，使得施工工序時間延長，延緩了施工進度。

8 結論與體會

根據延安路站1號風井的整個施工過程以及測振所得的數據，得出以下結論:

1)在風井的施工過程中，不同的埋深可以采用不同的破巖施工方法，應根據現場的實際情況選擇合適的施工方法。

2)金屬膨脹劑破巖施工較爆破施工容易控制振速，對振速要求高的工程，可以采用金屬膨脹劑施工。

3)金屬膨脹劑的破巖成本約為爆破施工的3.4倍，從節省經濟成本的方面考慮，可以采用爆破施工。

在現場施工過程中，雖能夠減小振動對周邊建筑物的影響，但是難以解決金屬膨脹劑破巖施工和爆破施工產生的噪聲對周圍居民的影響。而基于金屬膨脹劑破巖施工，后續工作有必要對金屬膨脹劑在淺埋暗挖隧道中的應用進行研究。

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