城市地鐵暗挖隧道爆破設計

施伯超

(福州市地鐵建設工程質量安全監督站 福建福州 350001)

引 言

福州市地鐵1#線達道站至上藤站區間暗挖隧道分為上行、下行兩條，上行隧道長558m，下行隧道長558m。沿線穿過的巖層不同，且地面建構筑物較多又密集，多為老舊居民區。其中SK13－600處豎井和SKl3+800－14+000段穿越居民區暗挖隧道是本次隧道爆破的控制重點。如何做好減振爆破控制至關重要。

1 地質情況簡介

1.1 巖層分布

沿線巖體主要為燕山早期侵入混合二長花崗巖及燕山晚期輝長巖，呈球狀巖，沿線各地段均有揭露，按其風化程度分為;全、強、中、微風化四個區帶，基巖風化帶的力學強度高－較高，工程性能好－較好。勘探過程中未發現有臨空面或軟弱夾層。巖層由上至下分為:

①強風化帶:可分為散體狀強風化和碎塊狀強風化兩層，散體狀揭露厚度1.10～15.6m，頂板標高12.38～34.2m。碎塊狀揭露厚度為19m，頂板標高8.28～25.80m。

②中風化帶:揭露厚度為 30.50m，頂板標高 4.48～50.80M，巖體基本質量等級為II類。

③微風化帶:揭露最大厚度12.10m，頂板標高11.22～25.96m，中壓縮性，物理力學性質較好。

1.2 隧道沿線工程地質和圍巖分類

①洞門段

隧道進口段為空地，隧道洞口坡體基本穩定，斜坡上植被稍發育，覆蓋強風化巖層，厚度約1.10～15.6m，巖土強度較低，洞門段為強風化至中風化巖體，巖石風化較劇烈。隧道進出口圍巖主要為坡積土及強風化、中風化混合二長花崗巖，巖體較破碎－破碎，圍巖級別Ⅳ－V級。

②洞身段

隧道洞身圍巖主要為微風化混合二長花崗巖，局部地段為微風化輝長巖等，巖石較堅硬－堅硬，巖體較完整－完整，節理裂隙發育差－較差。隧道洞身圍巖級別為II－III級。

③破碎段

隧道穿越兩處構造帶，該地段由于受F1、F2斷裂構造及隧道頂板距離地面厚度約6.0m的淺埋段影響，隧道圍巖級別會相應降低，地下水較豐富，巖體力學性能相對較差，圍巖級別為IV－V級。

2 隧道開挖爆破施工設計原則

①不同地段的巖性采用不同的開挖方法爆破掘進;

②在F1、F2破碎帶段，采用超前砂漿錨桿管棚支護，再進行淺孔，小藥量爆破;

③在穿越地面建筑地段，采用多臺階爆破，控制弧頂裝藥量，控制爆破振動，減小爆破振動對地面建筑物的擾動;

④在靠近公路附近段采用超前預裂孔、短進尺、快掘、快支、速成巷方法爆破;

⑤采用非電起爆網路起爆，起爆要在安全距離外起爆，確保爆破安全;

⑥洞口明挖及近洞口爆破，采用小臺階淺孔松動爆破法施爆;

⑦洞口明挖及近洞口爆破，要采用防飛石危害的安全措施;

⑧現場選擇安全地點建立臨時庫房，存放爆破器材，雷管要放入保險柜內;

⑨光面爆破和預裂爆破要采用Φ25小條藥爆破;

⑩放炮時間段盡量安排在合理時間段，減少對地面居民的干擾影響。

3 隧道控制爆破設計方案

不同爆破施工方法的采用，主要是考慮圍巖類型、地質構造、斷面大小、地面對應位置有無主要建筑物以及臨時支護的配合等因素。

3.1 穿越居民樓段爆破設計

此段圍巖為III－IV類，上行隧道位于SKl3+800～14+000，長度 200m，下行隧道位于 XKl3+800～14+000，長度200m。隧道拱頂距地面6.3～6.6m，為淺埋段。且受F1斷裂構造影響，但巖石為較堅硬至堅硬，巖體較破碎－完整。故此段上行、下行隧道掘進采用上下導坑法爆破施工。

鉆孔爆破設計為上導坑爆破參數，下導坑參照上導坑，但可根據上導坑爆破效果可適當調整下導坑的各爆破參數進行施爆。

①掏槽孔布置

采用中間雙空孔直線掏槽方式。共布10個孔。

孔距:a=30cm，排距:b=60cm，孔深:L=1.8m，孔徑:D=42mm。

②輔助孔

布置在掏槽孔周邊，為擴大掏槽孔爆破后擴大空間。

孔距:a=0.6m，孔徑:D=38～42 mm，孔深:L=1.6m，共14個孔。

③崩落孔

這是隧道開挖爆破主要和大量炮孔，爆破效果直接影響到隧道進尺快慢。

孔距:a=0.7m，孔徑:D=38～42mm，孔深:L=1.6m，共85個孔。

④幫孔

幫孔爆破的質量直接影響到隧道兩側墻弧形的好壞，同時還影響到對兩側圍巖的穩定性以及隧道的超、欠挖量。

孔距:a=0.6m，孔徑:D=38～42mm，孔深:L=1.6m，共10個孔。

⑤底孔

底孔一般要根據仰拱的設計要求，鉆孔要向下以仰角5°～10°鉆進。要保證底板永久支護厚度要求。

孔距:a=0.7m，孔徑:D=42mm，孔深:L=1.6m，共15個孔。

⑥頂孔

采用光面爆破方法爆破。鉆孔按設計隧道拱頂弧度及邊界，沿設計邊界線相互平行鉆進，各孔底要落在一個平面上，頂孔鉆進的質量直接影響到光面爆破效果，降低對圍巖的穩定性影響，減少隧道的超、欠挖量，同時可以減小隧道支護材料的損耗。

孔徑:D=42mm，孔距:a=12× D=0.5m，孔深:L=1.6m，最小抵抗線 W=Q/C·a·L=0.7m

Q－單孔裝藥量，kg;C－爆破系數;a－孔距;L－孔深;孔數:27個。

炮孔密集系數:K=a/w=0.71;

不耦合系數:K1=D/d=1.68～2.1(d－藥徑:20～25mm);

線裝藥密度:q=0.2～0.3kg/m。

根據以上設計參數，計算以下參數:

⑦爆破一次總裝藥量，kg

式中:Q－爆破一次總裝藥量，kg;k－炸藥單耗，k=1.0kg/m3;

S－隧道斷面積，m2;L－炮孔密度，m;

η－炮孔利用系數，95%。

則:Q=1.0×84.19×1.6×0.95=127.96kg

小直徑中空直眼掏槽(單位:cm)

⑧一次爆破進尺爆破石方量

V=L×η×S=1.6×0.95×84.19=127.96m3

⑨實際炸藥單耗

q實=129.30/127.96=1.0lkg/m3

⑩裝藥結構

采用Φ32乳化炸藥連續裝藥，起爆藥包位于孔底，孔口未裝藥段用黃泥全部堵塞緊密。

上導坑斷面炮孔布置示意圖

?起爆網路

采用非電毫秒雷管按起爆順序裝入不同作用炮孔中，孔外采用束—并聯，但每束不超過10根連接1發MS3非電雷管，將各束連接MS3段的導爆管與光面層的引爆非電雷管導爆管并聯成一束，用MSl段雷管引爆，起爆線要拉到安全地點起爆，用高能起爆器引爆。

3.2 預裂爆破設計

達道站至上藤站區間隧道上、下行線穿過舊居民小區，南江濱路和上藤路從其下方通過。隧道開挖爆破點都位于建筑物下方，爆破振動對地面建筑物勢必會產生一定影響，故在爆破設計本身除了控制每次的起爆藥量，加快臨時支護，超前管棚及超前錨桿等措施外，為了減小其影響，在這些地段采用預裂爆破方法也是個行之有效地技術措施。其爆破參數如下:

①孔徑:D=42mm

②孔深:a=(9～14)D=0.4～0.58m

根據巖石軟、硬程度及巖石結構完整狀況而選取，一般中硬巖取0.45～0.5m。

③抵抗線:w=w/c·a· lb

Q－單孔藥量;c－爆破系數;a－孔距;lb－炮孔長度

本工程采用w=0.6～0.8m。

④炮孔密集系數

m=a/w=0.5/0.7=0.71

⑤線裝藥密度

式中:K－與巖石性質有關的系數，中硬巖K=0.75～0.95，取 0.8，則 Q =0.8×0.042=0.23kg/m，一般取 q=0.2～0.25kg/m。

⑥不耦合系數

d－藥徑，Φ22～25條藥

⑦軸向空氣間隔:l=18～20cm

根據以上設計，對于不用巖石地段可適當調整各參數選用。

⑧鉆孔施爆要求

炮孔要平行鉆進，孔底要齊，不能上仰或下傾角度鉆進，鉆孔質量是保證預裂爆破好壞的第一道工序。下一步是裝藥結構及單孔裝藥量的控制，孔底要裝l節Φ32條藥，主要是克服孔底巖石壓力作用，Φ22～25小條藥必須是加工廠加工好的成品，不能用Φ32條藥改制，藥量不準會影響爆破效果，同時要導爆索捆綁各小條藥，可保證軸向不耦合，這幾個關鍵環節做好了，才有預裂爆破的效果保證。

4 爆破振動測試與分析

4.1 監測的儀器和方法

本項目爆破振動監測主要采用L20型爆破振動測振儀 ，主要由L20型爆破測振儀主機、三分量速度探頭、爆破振動分析軟件等組成的振動測試系統，量測過程中測振儀自動采集、存儲和分析相關數據。

4.2 爆破振動測點布置

根據建構筑物與隧道的空間位置及距離，在隧道地表周邊范圍內共布置了10個測試點 。分別在SK13+600～SK13+700段和XK13+600～XK13+700段左右洞沿隧道布置5個測點(間距20m)。

4.3 監測的結果

采用L20型爆破振動測振儀進行爆破振動測試，測得數據見(表1)。

表1 爆破參數和振動測試結果

5 減振爆破控制技術

5.1 控制最大裝藥量

通過爆破振動監測表明，當降低藥量時，可以使質點的振動速度減小，達到減振的目的。福州市地鐵1#線達道站至上藤站區間暗挖隧道上行線SKl3+800～14+000，長度200m，下行線XKl3+800～14+000，長度200m。洞身處于Ⅲ～Ⅳ級圍巖，埋深在6.3～6.6m之間 ，地表為舊居民區地段，房子密集分布。為盡量降低隧道爆破施工對地表居民生活影響，爆破振動速度值應控制在1.5 cm/s以下，且95%以上小于1.0 cm/s。因此，根據薩道夫斯基的經驗公式 ，最大裝藥量應控制在20.58～60kg之間。

5.2 控制掘進進尺

為控制總裝藥量的單段藥量，擬將Ⅳ級圍巖段的爆破進尺控制在1.2～1.5m，Ⅱ、Ⅲ級圍巖段 的爆破進尺控制在2～2.5m，并采用分部下導洞、分臺階掘進，從而控制了單段藥量，使爆破振動效應控制在較低的水平。

5.3 其它減振技術

本工程設計采用控制爆破技術，除采用光面、微差爆破施工的減振措施外，另外在周邊密排空眼減振，開挖面增打減振孔、預留光爆層等綜合減振措施的爆破技術，減小噪聲和振動源強，并實時對該段隧道施工的地表建筑物進行爆破振動監測和地表沉降監測。

5.4 工程實際應用效果

本工程實際施工中，嚴格按照上述各項爆破設計和減振措施進行施工，目前隧道已順利通過居民區。根據爆破振動監測(表2)和地表沉降觀測的結果，最大振動速度均小于1.0cm/s，與預測模型最大振動速度差別較小，減振效果明顯，地表建筑物無明顯裂痕，未發生地表塌陷現象。

表2 隧道爆破振動監測結果

6 暗挖法隧道爆破總結

(1)福州地鐵達道至上藤暗挖隧道在施工中采用精細爆破方法施爆，采用可靠的鉆、爆、臨時支護合理工藝施工，采用預裂爆破方法降低爆破振動作用對地面建構筑物的影響。在施工中各項爆破后的沉降觀測數據符合設計規范要求，現場施工的質量符合技術規范要求。為今后福州市地鐵暗挖隧道提供了很好的爆破設計借鑒。

(2)本項目通過爆破智能測試儀對福州地鐵暗挖隧道進行爆破振動測試，在測試數據的基礎上進行分析，找出符合該隧道地質條件的爆破設計參數，為隧道爆破施工提供了預測依據;

(3)在隧道進入舊居民區前，經過反復的爆破試驗并根據監測數據及其分析，逐步優化調整了爆破參數。通過舊居民區時，采取控制最大裝藥量、控制掘進進尺等綜合減振措施，從而將爆破振動效應控制在較低的水平，達到確保施工安全和降低施工對居民生活影響的目的;

(4)洞內爆破設計參數根據洞外監測結果不斷地優化，通過對爆破振動速度進行跟蹤監測，逐步改善爆破振速預測模型，根據監測結果及時調整爆破參數和施工方法，確保爆破作業安全，從而有效地控制爆破地振效應，同時也可以為爆破振動引起的民事糾紛提供科學依據。

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