鄰近地鐵的巖石和工程支撐梁爆破施工技術

北京鐵路局 北京 100860

0 引言

近年來，隨著我國經濟的高速發展，城市建筑業的發展進程加快，城市內既有建筑附近的深基坑工程施工越來越多，技術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邊緣的深基坑中進行巖石爆破的施工。根據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，充分利用場地現有地質條件并做好切實可行的防護措施[1,2]。

1 工程概況

廣州某深基坑工程位于荔灣區地鐵1號線坑口站站前，西側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處于巖石強風化帶（K2d2，層號為⑦）、巖石中風化帶（K2d2，層號為⑧）、巖石微風化帶（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《爆破安全規程》（GB 6722—2003）及廣州市公安部門的管理規定，在繁華市區、鄰近地鐵等既有建筑、交通主干道邊等實施爆破，屬于復雜環境爆破，必須嚴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、工期滿足相關要求的同時，確保周圍設施及環境安全。為滿足以上要求，決定采用微差控制爆破方案和靜態破碎相結合的施工方法。

2 微差振動爆破方案的實施

2.1 開挖、爆破方案設計

結合本工程地質情況和基坑設計形式，基坑開挖遵循“縱向分段、豎向分層、先支撐后開挖”的原則?？傮w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

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

考慮到基坑及維護結構在施工過程中的安全性，在鄰近基坑邊緣2 m范圍設置緩沖區，在緩沖區爆破施工時應采取淺孔臺階弱松動爆破的施工方法，且臨空面應朝向基坑內襯內側，緩沖區內應預留松動石方，此區域松動石方可采用挖機等振動小的施工機械及人員進行拆除。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，炮孔深度應控制在基底上30 cm，爆破后此區域的剩余部分應采用機械進行鑿除。

另外，基坑西側為地鐵車站，車站跨度較大，外觀有損壞，如地鐵車站墻體、外柱等有裂縫，車站東西側均有裂縫，框架的砌體有水平裂縫和斜向裂縫。從設計剖面圖可見，車站樁基終孔于風化泥質砂巖，由于風化、水位變化作用，容易對基礎產生不利影響。經綜合考慮，本設計確定基坑內西側距地下連續墻20 m為非爆破區，非爆破區采用靜態破碎與炮機打鑿相結合的施工方法，具體設置如圖2所示。

圖2 非爆破區設置示意

2.2 爆破參數選取

臺階松動爆破的炮孔布置如圖3所示。

圖3 炮孔布置示意

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

爆破高度小于2 m地段，應適當加密炮孔，調整孔網參數，增大超深，減少單孔裝藥量，以保證足夠的炮孔填塞長度，防止產生爆破飛石。

表1 爆破參數表（淺孔）

2.3 裝藥、填塞和起爆網路設計及防護

本工程巖石及支撐梁爆破采用φ32 mm乳化炸藥，采用可以連續裝藥的結構，炮孔應用黃泥或巖粉等材料進行填塞，當經過計算后發現單孔裝藥量導致填塞減少時，應優先滿足填塞長度；非電導爆管雷管的塑料管要保護好。

起爆網路采用非電導爆管起爆網路。采用簇聯起爆網路，為了確保準爆，淺孔爆破每孔均需放置一發雷管，同時還需要選擇合理的毫秒微差時間。淺孔爆破非電導爆管雷管的連接方式見圖4。

圖4 非電起爆網路示意

由于時間間隔對降低爆破振動效應以及改善爆破效果有重要作用，故應充分考慮及確定合理的時間間隔，藥包直徑、孔網參數和巖石的物理力學、地質等因素是確定微差間隔時間的主要考慮參數[3,4]。經分析及計算后，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、地質有關的系數；

V——振動安全速度。

根據周圍保護對象（地鐵車站）的標準，取建筑物V=2.0 cm/s，能可靠滿足重要設施的安全；按《爆破安全規程》（GB 6722—2003），取K=150、α=1.8。

確定爆破單段最大起爆藥量公式：

經計算確定本工程爆區距地鐵結構邊線的距離為20 m時，單段最大起爆藥量不得超過6.0 kg。巖石爆破每個爆區總藥量不超過200 kg。

2.5 基坑內鄰近支撐系統格構柱爆破施工

基坑內格構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確保鋼構柱安全，鋼構柱附近的巖石爆破采用如圖5所示的爆破順序。

圖5 鋼構柱附近巖石爆破順序

2.6 保護地下連續墻安全的爆破施工

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

圖6 保護地下連續墻的爆破工藝

2.7 飛石防護

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，保證填塞質量，同時控制爆破的主導方向朝向空曠方向，避免爆破主導方向朝著重要設施，在被爆巖體上面進行滿鋼板覆蓋防護，減少飛石飛散距離，爆區覆蓋鐵板，鐵板上再壓砂包，絕不可不壓或用石頭壓。爆區平面覆蓋防護見圖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墻外邊線40 m范圍，爆破時應確保鄰近道路、地鐵站周邊及人行道、所有人員及機械均撤離至安全區域后，再實施爆破，重點部位應加強警戒。

圖7 爆區防護示意

3 對地鐵的影響及處理措施

3.1 對地鐵的影響

本次爆破區域在市區內且鄰近地鐵，屬于復雜環境的爆破施工，由于爆破時產生的沖擊波衰減較快，對鄰近設施產生危害的空氣沖擊波超壓值與距爆區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施造成不利影響。如可能會使地鐵車站墻體、外柱等產生裂縫，由于車站樁基終孔于風化泥質砂巖，爆破過程中容易對基礎產生不利影響，甚至于對地鐵的運營產生影響。

3.2 處理措施

為避免上述情況的發生，本工程采取了以下措施，確保爆破過程中地鐵設施的安全。

1）設置非爆破區：在鄰近地鐵站邊線20 m范圍內先行斷開，設置為非爆破區，該區域內不宜采取爆破法拆除支撐梁，而用炮機或靜態膨脹劑破碎施工。

2）設置減振溝槽：在遠離地鐵設施結構邊線20 m以外實施爆破時，盡量在距地鐵設施較近位置先爆破，形成減振溝槽，使爆破振動減弱，最大限度地保護地鐵設施。

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

4）控制爆破主導方向：在近地鐵設施一側實施爆破時，先用炮機打鑿或用靜態膨脹劑破碎離地鐵設施較近一側的混凝土支撐，以形成切斷效應，使爆破振動傳不到地鐵設施，最大限度地保護地鐵設施。

4 爆破效果評價

施工現場嚴格按照爆破方案進行布眼、打孔、裝藥、聯線、防護以及起爆、振動檢測，經過試爆以及正式施工爆破，振速均嚴格控制在了2.0 cm/s內，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，達到預期效果。設計部門根據本工程特點并經過計算，確定監測工程的警戒值如下：

1）地下連續墻測斜：墻頂最大位移不得超過25 mm，警戒值取20 mm，每天發展不得超過2 mm；墻頂最大豎向位移不得超過15 mm，警戒值取12 mm，每天發展不得超過2 mm；地下連續墻深層最大位移不得超過40 mm，警戒值取32 mm，每天發展不得超過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，每天發展不得超過2 mm。地鐵站沉降量與時間關系曲線如圖8所示。

圖8 基坑鄰近建（構）筑物沉降量-時間關系曲線

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，每天發展不得超過800 mm。

5 結語

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度、節約能源、保證施工進度、縮短工期、提高施工效率，最重要的是在城市密集建筑區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關系很大，首先地質參數應準確，以計算巖石與炸藥匹配；其次不能完全套用經驗系數，必須進行試爆，并對參數進行調整，合理的爆破參數才能更好地控制爆破安全風險[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、常發安全隱患要提前預控、周密防范，做好應對措施，確保爆破施工安全。