精細爆破在地鐵硬巖深基坑開挖中的應用

曹 平 徐 華

精細爆破在地鐵硬巖深基坑開挖中的應用

曹 平 徐 華

結合青島地鐵某深基坑開挖工程實例，介紹精細爆破在地鐵硬巖深基坑開挖過程中的應用。根據工程地質條件，為滿足周邊復雜環境下的嚴要求，基坑采用“中部拉槽、橫向分區、縱向分段、豎向分層”爆破開挖方案，增加了爆破自由面，同時，結合理論分析和多次試驗數據的回歸分析調整并選取合理的爆破參數，確保了爆破開挖的施工安全并加快了工程進度。

地鐵硬巖；深基坑開挖；精細爆破

精細爆破，即通過定量化的爆破設計和精心的爆破施工組織，通過對炸藥爆炸能量釋放與介質破碎、拋擲等過程的控制，既達到預定的爆破效果，又實現爆破有害效應的有效控制，實現安全可靠、綠色環保及經濟合理的爆破作業。為滿足青島地鐵某深基坑周邊建筑物對爆破的相關要求，通過合理的設置爆破開挖方案，采用實測現場爆破試驗振速，結合回歸分析確定本場區內的爆破參數，實現爆破效果及效應的可預見性。

1 工程概況

青島地鐵3號線李村—君峰路站區間明挖段位于李滄區維客廣場西南側，沿京口路方向布置。明挖區間所在范圍為李滄區重要商圈，南側為利客來商貿大廈、嶗山百貨等大型商業設施；北側為維客廣場，地下1層設置了超市及停車場。

區間明挖段為雙層三跨箱型框架結構，長約130.35 m，標準段寬22.8 m，高14.5 m，頂板覆土約6.0 m，基坑深約19.5 m。場區內上覆第四系全新統堆積層，局部為上更新統粉質黏土，下伏燕山晚期粗粒花崗巖，部分地段穿插有煌斑巖、細粒花崗巖、花崗斑巖等脈巖，構造破碎帶、糜棱巖、碎裂狀花崗巖局部發育，地下水為基巖裂隙水，水量一般貧，部分地段具弱承壓性。

根據《利客來商貿大廈在地鐵隧道施工前的安全鑒定》，利客來商貿大廈安全性等級為Bsu級。鄰近李君區間明挖段基坑爆破開挖的爆破振速控制指標為不大于1.0 cm/s，沉降控制標準不大于20 mm，差異沉降控制標準不大于10 mm。

2 精細爆破開挖方案

根據周圍環境保護的要求，本工程采用淺孔微差松動控制爆破的施工方法。

2.1 爆破自由面的選擇

爆破自由面的數量是影響爆破效果的重要因素。實際爆破開挖過程中，通過在基坑中部拉槽，縱向分段等措施形成縱向和橫向的“L”型爆破自由面。通過增加爆破自由面數量有效地提高爆破效果，降低和改變爆破振速傳播大小和方向，最大限度地降低對利客來建筑物的影響。

2.2 爆破區劃分及開挖爆破順序

根據基坑條狀的平面特點、鄰近建筑物的平面關系、基坑開挖及出渣設備的約束等，基坑爆破區劃分采用“中部拉槽、橫向分區、縱向分段、豎向分層”的原則。

先對距離建筑物較遠的中部開槽防護區進行爆破開挖，然后逐步開展弱振爆破區和微振爆破區的爆破開挖，最后進行一般爆破區的爆破開挖（圖1）。

圖1 基坑開挖平面分區圖 （單位：cm）

3 精細爆破參數設計

爆破參數精細化設計技術路線：①根據工程經驗初步確定各個爆破區的爆破參數，并收集現場的爆破振速；②根據整理后的爆破振速采用回歸分析的手段確定本場區內的對應地層爆破參數；③根據本場區內的地層爆破參數，修正各個分區的爆破裝藥量等參數；④實時監測現場的爆破效果，必要時及時調整裝藥量以有效控制現場爆破振動，最大限度地降低對周邊建筑物的影響。

3.1 試驗爆破參數

考慮到場區內以強、中風化花崗巖為主，試驗爆破中采用中硬巖石相關參數，初步擬定試驗爆破參數并取保守值K=150、α=1.8。在滿足爆破振速指標V=1.0 cm/s的前提下，在基坑內遠離建筑物的11 m區域內進行試爆破，試爆點距利客來安全距離為18.7～29.7 m，距振速測點距離分別為14 m、15 m、16 m、24 m。儀器采用中科測控三軸向振動速度傳感儀（TC-4850）及高能脈沖EF-1000型起爆器。根據工程經驗，基坑橫向各分區試驗爆破參數見表1。

表1 試驗爆破參數表 m

3.2 精細爆破關鍵參數的確定

3.2.1 爆破孔的精細布置

嚴格控制自由面邊緣的首排炮孔與自由面的距離，確保此距離略小于炮孔填塞長度以確保首排炮孔起爆后將自由面完全釋放，從而為后續臺階爆破創造良好的臨空條件。通過橫向分區，針對性的控制爆破量，進而有效地控制爆破效果。同時，炮孔布置時應盡可能避開巖石節理突變層，防止因巖層的節理突變而產生飛石。

3.2.2 單孔裝藥量的精細設計

（1）線性擬合公式推導。根據爆破振速控制值及最小安全距離要求，炸藥量Q由薩道夫斯基公式計算：

式（1）中，Q為炸藥量，kg；R為爆破振動安全允許距離，m；V為保護對象所在地安全允許質點振速，cm/s；K和α為與爆破點至保護對象間地形、地質有關的系數和衰減指數。

整理公式（1），得：

對公式（2）兩邊取對數，可得：

則公式（3）可簡化為：

（2）對參數K、α求解。試驗爆破過程中，采用2號乳化巖石炸藥（φ32 mm，150 g）及非電毫秒雷管。對實測得到的爆破參數進行線性回歸，并取垂向、徑向、切向三個方向的平均值，可得公式（4）中的回歸系數a＝-4.98，b＝1.95，將其代入a＝lnK，b＝α，可求得爆破參數K＝146，α＝1.95。

（3）修正單孔裝藥量Q。將回歸爆破參數K＝146、α＝1.95代入公式（1），可求得場區內修正后的單孔裝藥量Q，見表2。

3.2.3 填塞質量的精細控制

炮孔填塞方式采用連續裝藥，單孔裝藥的精度為±30 g。起爆采用正向起爆方式，起爆藥包設置在爆破孔口第1節。用現場的砂石分層填塞炮孔內裝藥后的剩余空間并分段搗實。針對炮孔內積水現象，用粗砂作為炮孔填塞物確保炮孔填塞質量。

4 爆破效果

為了監測施工現場按修正后的參數進行爆破作業的效果，采用3臺測振儀同時對重點保護建筑物進行爆破振速監測（圖2）。

圖2 振動速度傳感儀現場布置圖

表2 單孔裝藥量表 kg

圖3給出了場區內典型爆破振速時程曲線，由典型爆破振速時程曲線可知，現場垂向爆破振速在0.02～0.04 s時段達到峰值，最大振速接近1.0 cm/s且持續的時間較短，在0.25 s之后基本無振動（圖3a）；徑向爆破振速在0.02～0.04 s時段達到峰值，最大振速接近0.5 cm/s且持續的時間較短，在0.2 s之后基本無振動（圖3b）；而切向振速在0.02～0.06 s時段達到峰值，最大振速接近0.75 cm/s且持續的時間相對較長，在0.2 s之后基本無振動（圖3c）。可見，場區內爆破振速以垂向和切向振動為主，其中，垂向振動幅度最大，且衰減相對較慢，切向振動的峰值持續時間較長，峰值過后振速衰減較快。

圖3 典型爆破振速時程曲線

表3給出了本場區基坑爆破開挖9個月的三向振速最大實測值，表3數據表明，現場實測爆破振速均小于爆破振速控制值1.0 cm/s，說明精細爆破設計合理可行。

表3 爆破三向振速最大實測值 cm/s

5 爆破飛石控制

為有效控制爆破飛石，主要采取以下技術措施：

（1）確定合理的爆破單耗值，絕不能因挖方要求塊度小而任意加大藥量以提高破碎度，必須避免單耗失控造成飛石；

（2）堵塞段長度須大于最小抵抗線，并確保堵塞密實，嚴格控制堵塞質量；

（3）對于軟弱帶、裂隙、節理等地質構造，施工時需慎重，應采取調整孔網參數、間隔堵塞、調整藥量等技術措施；

（4）多排爆破時要選擇合適的延遲時間，避免因前排帶炮造成后排最小抵抗線大小與方向失控；

（5）采取表面覆蓋防護措施后，為防止仍有個別飛石逸出，在基坑鋼筋混凝土支撐上設置空中隔離防護，將爆區上空完全封蓋。

6 結論及建議

（1）本文結合硬巖深基坑的平面特點、工程地質條件，在滿足周邊建筑物保護嚴格要求的條件下，提出“中部拉槽、橫向分區、縱向分段、豎向分層”的爆破開挖方案合理可行。

（2）通過試爆和回歸分析等技術措施，在基坑橫向各分區內針對性的選取爆破參數，實現了巖層基坑爆破的精細化設計和施工。在有效控制爆破振速和飛石等前提下，加快了爆破開挖速度，取得了較好的效果。

（3）場區內巖層主要為硬巖，振動擴散能力強，振速傳播速度快，爆破方案中未考慮減振孔的措施。因此，對減振孔的必要性有待于做進一步研究。

（4）本場區巖層主要為強中風化粗粒花崗巖，煌斑巖、花崗班巖呈脈狀穿插其間，地下水主要為基巖裂隙水，水量一般。如何考慮基巖巖體破碎、節理裂隙發育且呈現非均一性、地下水蘊含不同等差異的影響，選取合理的爆破參數以適用不同環境下的爆破施工要求，都有待于做進一步的探討。

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責任編輯 朱開明

Application of Fine Blasting in Excavation of Hard Rock Deep Foundation Pit

Cao Ping, Xu Hua

Taking the engineering of a deep foundation pit excavation in Qingdao metro as an example, the paper introduces the application of fine blasting in the excavation process of hard rock deep foundation pit. According to the engineering geological conditions, in order to meet the strict requirements of the surrounding complex environment, the blasting excavation scheme of Middle Section Trough, Vertical Direction Area Division, Longitudinal Direction Section Division, Vertical Direction Section Division is used to increase the blasting freedom surface. At the same time, taking into consideration of the theoretical analysis and regression analysis as well as many times of tests to adjust and select reasonable blasting parameters, the construction safety and speed up the progress of the project is ensured.

hard rock, deep foundation pit excavation, fi ne blasting

TD235.37

2015-03-14

曹平：中鐵隆工程集團有限公司，工程師，四川成都 610000