地鐵暗挖車站多級楔形掏槽微振動爆破參數研究

何　闖， 王海亮

(山東科技大學礦山災害預防控制省部共建教育部重點實驗室， 山東 青島　266590)

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地鐵暗挖車站多級楔形掏槽微振動爆破參數研究

何闖， 王海亮

(山東科技大學礦山災害預防控制省部共建教育部重點實驗室， 山東 青島266590)

為了最大限度減小掏槽區(qū)域爆破振動對地表建筑物的影響，以青島地鐵2號線延安路站側穿166號樓為研究背景，從多級楔形掏槽的減振機制入手，通過理論分析和現場實驗，對各級掏槽孔間排距、深度、傾角、個數、單孔裝藥量及雷管段位分布等各爆破參數進行探討。結果表明：掏槽振速控制的重點是第2級掏槽及第3級掏槽；第2級掏槽孔與第3級掏槽孔間距不宜大于350 mm，排距不宜大于400 mm；第3級掏槽孔深度宜最大；第2級掏槽孔數目不宜少于5對，第3級掏槽孔數目不宜少于4對；第2級掏槽及第3級掏槽逐孔起爆。可使掏槽爆破振速得到有效控制。

青島地鐵； 暗挖車站； 楔形掏槽； 爆破振動； 爆破參數； 微振動

0　引言

當淺埋隧道采用鉆爆法開挖時，爆破施工引起的振動可能會對上方建筑物造成墻體開裂等破壞后果。為最大限度減小爆破振動對建筑物的影響，需嚴格控制爆破振速。由于掏槽爆破引起的爆破振速最大[1-2]，故減小掏槽的爆破振動成為隧道微振動爆破控制的關鍵。楊年華等[2]將單級楔形掏槽優(yōu)化為多級復式楔形掏槽，使爆破循環(huán)進尺達3.3 m，爆破振速控制在2.5 cm/s以內。但在城市地鐵隧道爆破中，2.5 cm/s的振速控制標準常常不能滿足要求。張祖遠等[3]和王軍濤等[4]對大直徑中空孔直眼掏槽方式進行了研究和應用，雖然將爆破振速控制在設計允許范圍，但其最大爆破循環(huán)進尺僅0.7 m，嚴重影響施工進度。琚振鵬等[5]對比了復式楔形掏槽、短進尺復式楔形掏槽和短進尺大直徑中空孔直眼掏槽3種掏槽方式，得出了短進尺大直徑中空孔直眼掏槽減振效果最好；但文中所采用的復式楔形掏槽的參數設置不甚合理，從而得出了楔形掏槽減振效果不佳的結論。戴俊等[6]從楔形掏槽破巖機制出發(fā)，提出了楔形掏槽爆破參數的計算方法，但由于其參數計算未考慮爆破振速控制，故在地鐵隧道爆破中無法直接應用。袁文華等[7]通過相似材料實驗，證明了楔形掏槽微差爆破模型炮孔利用率高，爆破塊度適中，但是未涉及爆破振速的研究。目前，微振動爆破控制的常用掏槽類型是大直徑中空孔直眼掏槽，對楔形掏槽的研究多集中在爆破機制和掏槽效果上，對楔形掏槽微振動爆破參數的研究較少；因此，本文以青島地鐵2號線延安路站側穿166號樓工程為研究背景，對多級楔形掏槽參數進行理論與現場試驗研究。

1　多級楔形掏槽減振機制

多級楔形掏槽掏槽孔起爆順序為第1級、第2級、第3級……逐級爆破。第1級掏槽孔傾角較小，深度較淺，裝藥量較少，巖石夾制作用較小，爆破拋擲較易完成，故產生的爆破振動較小。雖然第2級掏槽孔傾角、深度和單孔裝藥量較第1級掏槽孔的均變大，但第1級掏槽孔爆破產生的槽腔為第2級掏槽孔的爆破提供膨脹空間，第2級掏槽孔產生的未作用于巖石的那部分爆炸能量便于釋放，故爆破振動較易控制。在多級楔形掏槽中，槽腔最終深度一般由第2級掏槽孔或第3級掏槽孔的深度決定，故第2級掏槽孔或第3級掏槽孔深度和單孔裝藥量最大。第3級掏槽孔爆破時已存在第2級掏槽孔爆破后形成的較大的槽腔，槽腔為其爆破提供了第2自由面，故爆破振動容易控制。為了更好地擴大槽腔體積，第3級掏槽孔的傾角應大于第2級掏槽孔。同理，后續(xù)爆破的掏槽孔傾角較第3級掏槽孔傾角適當加大，由于槽腔基本成型，故后續(xù)爆破掏槽孔的深度及單孔裝藥量較第2和第3級掏槽孔減小，爆破振動易于控制。

2　工程概況

青島地鐵2號線延安路站總體為暗挖單拱雙層結構，采用雙側壁導坑法施工。其中車站主體Ⅳ部上臺階開挖斷面寬8.0 m，高3.9 m，斷面面積19.5 m2，圍巖等級Ⅳ～Ⅴ級，Ⅳ部上臺階掏槽區(qū)距離166號樓的直線距離約為23 m。166號樓為毛石條基，7層(部分為6層)磚混結構，抗震性差，要求控制振速0.5 cm/s。Ⅳ部上臺階距離166號樓50 m處作為試驗段起始點，進行爆破設計調整，采用2臺TC-4850測振儀監(jiān)測振速，測點與掌子面在一條線上。測點與Ⅳ部上臺階平面位置關系見圖1。施工現場采用YT-28型氣腿式鑿巖機鉆孔，雷管采用第1系列毫秒延期導爆管雷管，炸藥采用2號巖石乳化炸藥。

3　多級楔形掏槽參數的確定

3.1各級掏槽孔間排距

爆破振速、圍巖等級、隧道斷面尺寸及掏槽區(qū)面積等因素決定了各級掏槽孔間排距大小。目前，斜眼掏槽的炮孔間距還沒有較好的理論計算公式，大多依照經驗參數取值[8]。從前期施工經驗可知，當振速控制在0.5 cm/s以內，需要保護的建筑物距爆心距離不超過25 m時，第1級掏槽孔間距不宜大于1.1 m，第2級掏槽孔與第1級掏槽孔、第3級掏槽孔與第2級掏槽孔間距不宜超過0.4 m。第2級掏槽、第3級掏槽爆破后的槽腔基本成型，后續(xù)爆破的掏槽孔存在2個自由面，其間距可適當加大至0.45 m。

圖1　測點與Ⅳ部上臺階平面位置圖(單位：m)

Fig. 1Relationship between blasting vibration monitoring point and top heading of part Ⅳ (m)

由文獻[9]可知，在掏槽設計時，主要以柱狀裝藥在介質中產生的裂隙圈大小為依據確定掏槽孔排距，而裂隙圈的半徑約為裝藥半徑的10～15倍[10]，本工程的掏槽孔半徑為21 mm，故裂隙圈半徑為210～315 mm。針對本工程0.5 cm/s的振速要求，必須縮小掏槽孔排距。結合現場施工經驗，只有當排距縮小至500 mm以下時，振速才滿足要求。結合第1節(jié)中所述的多級楔形掏槽機制，第1、2、3、4、5級掏槽孔排距分別為350、300、350、400、450 mm。

3.2各級掏槽孔深度及傾角

掏槽孔深度直接決定了爆破循環(huán)進尺。本工程格柵拱架間距為0.5 m，結合振速控制為0.5 cm/s，故將爆破進尺定為1.1 m。根據工程前期經驗，炮孔利用率為90%以上，故輔助眼深度定為1.2 m。一般而言，掏槽孔比輔助眼深100～300 mm[11]。由于第2級掏槽孔或第3級掏槽孔深度決定槽腔深度，故第2級掏槽孔或第3級掏槽孔深度較其他掏槽孔深。本工程試驗了2種類型的掏槽孔深度，圖2為第2級掏槽孔深度決定槽腔深度，即第2級掏槽孔深度最大，對應振速曲線見圖3；圖4為第3級掏槽孔深度決定槽腔深度，對應振速曲線見圖5。為便于對比，利用Blasting Vibration Analysis軟件，將X、Y、Z3個方向的爆破振速進行矢量合成，圖3和圖5為合振速曲線。由圖3可知，當第2級掏槽孔深度決定槽腔深度時，第2級掏槽的爆破振速最大，超過0.5 cm/s。分析可知，由于第1級掏槽爆破后形成的槽腔較小，當第2級掏槽孔深度最大時，第2級掏槽需爆破的巖石量大，巖石夾制作用大，故振速較大；由于第2級掏槽爆破后槽腔進一步擴大，當第3級掏槽孔深度最大時，槽腔成型較容易，巖石夾制作用較小，振速容易控制。

圖2　第2級掏槽孔深度最大時各掏槽孔布置圖(單位：mm)

Fig. 2Arrangement of cut eyes with maximum depth of Level 2 cutting (mm)

圖3　第2級掏槽孔深度最大時對應的爆破振速3矢量合成圖

Fig. 3Three vectogram of blasting vibration velocity vs. Level 2 cutting with maximum depth

圖4　第3級掏槽孔深度最大時各掏槽孔布置圖(單位：mm)

Fig. 4Arrangement of cut eyes with maximum depth of Level 3 cutting (mm)

掏槽孔傾角決定了孔底間距和每級掏槽孔拋擲的巖石量。合理的掏槽孔傾角應使掏槽孔爆破后孔底形成的裂隙圈連通，確保槽腔內巖石與周圍巖石分離，且拋出工作面，從而形成楔形槽腔。故掏槽孔的孔底間距應小于孔內炸藥爆炸后形成的裂隙圈直徑。對稱的掏槽孔孔底間距依據式(1)計算。

d=S-2Lb·cosθ。

(1)

式中：S為掏槽孔間距； Lb為掏槽孔長度； θ為掏槽孔傾角； d為孔底間距。

圖5　第3級掏槽深度最大時對應的爆破振速3矢量合成圖

Fig. 5Three vectogram diagram of blasting vibration velocity vs. Level 3 cutting with maximum depth

當孔底間距過大時，槽腔底部會呈現駝峰形，即“鼓肚”現象。圖6的掏槽孔布置易造成“鼓肚”現象，圖7為爆破現場“鼓肚”現象。因為掏槽深度由第5級掏槽決定，而第2級掏槽與第3級掏槽、第3級掏槽與第4級掏槽、第4級掏槽與第5級掏槽的孔底間距均超過500 mm，所以槽腔底部巖石無法順利拋出，造成“鼓肚”現象。在下一個爆破循環(huán)時，由于掏槽區(qū)厚度大，極易超振。

圖6　造成“鼓肚”的各掏槽孔布置圖(單位：mm)

圖7　爆破現場“鼓肚”現象

根據第1節(jié)中所述多級楔形掏槽的原理，各級掏槽孔深度及傾角如下：第1級掏槽孔深度680 mm，傾角50°；第2級掏槽孔深度1 350 mm，傾角63°；第3級掏槽孔深度1 490 mm，傾角70°；第4級掏槽孔深度1 330 mm，傾角77°；第5級掏槽孔深度1 310 mm，傾角85°。

3.3各級掏槽孔個數及單孔裝藥量

掏槽孔個數與單孔裝藥量密切相關，當掏槽孔個數較多時，單孔裝藥量便會減少，爆破振速相應降低，但掏槽孔個數越多，工人勞動量越大，施工效益無法保證。掏槽孔與個數裝藥量的關系依據經驗公式(2)確定。

(2)

式中：Q為單個掏槽孔裝藥量，kg； S為槽腔平均橫斷面積(掏槽孔深度方向)，m2； Lb為掏槽孔長度，m； N為裝藥掏槽孔個數； q為炸藥單耗，kg/m3。據統(tǒng)計表明：當 f=4～6時，q=2.5kg/m3； 當f=6～8時，q=3.5kg/m3。本次爆破的掏槽區(qū)域圍巖等級為Ⅳ級即堅固性系數f=6，q取3kg/m3。

綜合第1節(jié)中所述機制和現場實踐經驗，第1級掏槽設置4對，第2級掏槽設置5對，第3、4、5級掏槽均設置4對。

單孔裝藥量必須考慮爆破振速的控制要求。依據薩道夫斯基公式對單段最大起爆藥量進行理論計算。

(3)

式中：R為爆源與需要保護的建筑物之間的距離，本工程R=23m； Qmax為炸藥量，kg，延時爆破為最大一段藥量； v為保護對象所在地質點振動安全允許速度，本工程為0.5cm/s； K、α為與爆破點至計算保護對象間的地形、地質條件有關的系數和衰減指數。根據工程前期數據利用最小二乘法對K、α回歸，得出本工程K=220，α=1.8。

經計算得出，Qmax=0.478kg。故單孔裝藥量不能超過0.478kg。將第3.1節(jié)中各級掏槽孔的間排距、第3.2節(jié)中各級掏槽孔深度、孔底間距及第3.3節(jié)中各級掏槽孔個數分別代入式(3)計算各級掏槽孔單孔裝藥量。

第1級掏槽：S=(1.1+0.27)÷2×0.35×3=0.719m2；Lb=0.68×sin50°=0.521m，N=8，q=3，計算得出Q=0.141kg，結合現場裝藥方便，取Q=0.15kg。第2級掏槽：理論計算同第1級掏槽，得Q=0.358kg，結合現場爆破經驗，單孔裝藥量Q取0.35kg。第3級掏槽：理論計算得出Q=0.419kg，根據前期爆破經驗，調整為Q=0.4kg。第4級掏槽及第5級掏槽的巖石夾制作用較小，根據前期爆破經驗，單孔裝藥量均為0.3kg。

3.4各級掏槽孔雷管段位

一般認為，楔形掏槽應盡量使成對的掏槽孔同時起爆才能獲得較好的掏槽效果[12]。但同時起爆掏槽孔時，單段最大起爆藥量必然增加，爆破振速不能較好地控制。由第3.3節(jié)可知，第2級掏槽單孔裝藥量為0.35 kg，而單段最大允許起爆藥量為0.478 kg，若對稱起爆第2級掏槽，則爆破振速超過0.5 cm/s。圖8為對稱起爆掏槽孔的雷管布置，圖中阿拉伯數字為雷管段位，對應的合振速曲線為圖9。

圖8　第2級掏槽與第3級掏槽對稱起爆的雷管布置(單位：mm)

Fig. 8Arrangement of detonator when Level 2 cutting and Lever 3 cutting symmetrically blasting (mm)

圖9　第2級掏槽和第3級掏槽對稱起爆的合振速曲線

Fig. 9Amalgamative vibration velocity when Level 2 cutting and Lever 3 cutting symmetrically blasting

由圖9可知，在對稱起爆時，從第6～14段雷管的振速均超過0.5 cm/s，因此，必須對第2和第3級掏槽逐孔起爆，降低掏槽爆破的單段最大起爆藥量。由文獻[13]可知，自由面數量對爆破振動強度的影響非常明顯。3個自由面爆破的振動速度是2個自由面爆破的1/3～2/3，是單個自由面爆破的1/6～1/3。由于第4和第5級掏槽及輔助眼爆破時已存在槽腔和工作面2個自由面，巖石夾制作用比只有1個自由面小，在相同的單段裝藥量爆破時產生的爆破振速較小，故第4和第5級掏槽孔對稱起爆。

由于雷管段別的限制，故應用“孔外3段雷管延期”技術，逐孔起爆第2級掏槽、第3級掏槽的雷管，如圖10所示，爆破網絡見圖11，圖12為對應的合振速圖。

圖10　逐孔起爆的雷管布置圖(單位：mm)

圖11　孔外3段延期的爆破網絡

Fig. 11Blasting network out-hole 3-section extension detonator blasting

圖12　孔外3段雷管延期的合振速曲線

Fig. 12Amalgamative vibration velocity of out-hole 3-section extension detonator blasting

4　多級楔形掏槽爆破的應用

上臺階炮孔布置見圖13。上臺階共計炮孔103個，分2次起爆，采用多級楔形掏槽，循環(huán)進尺1.2 m。開挖斷面面積19.5 m2，耗藥總量29.65 kg(其中各級掏槽孔單孔裝藥量見第3.3節(jié)；A區(qū)域周邊眼、輔助眼和底板眼單孔裝藥量0.3 kg；B區(qū)域輔助眼及周邊眼單孔裝藥量0.25 kg)，炸藥單耗1.33 kg/m3。起爆順序如下：第1炮起爆A-Ⅰ、A-Ⅱ區(qū)域，之間用 20段雷管進行孔外延期；第2炮起爆B區(qū)域，13～19段應用“孔外3段延期”技術，實現逐段起爆。通過現場試驗確定多級楔形掏槽爆破參數后，車站Ⅳ部下穿166號樓的鉆爆開挖工程都應用此掏槽方式進行。現場振動監(jiān)測表明，在共計20個爆破循環(huán)中，爆破振速基本控制在 0.25～0.43 cm/s，炮孔利用率達95%，爆破塊度適中。證明了該掏槽方式及爆破參數的可行性。

圖13　上臺階炮孔布置(單位：mm)

5　結論與建議

在隧道爆破中，掏槽爆破的效果決定著后續(xù)輔助眼及周邊眼的爆破質量，同時，一般認為掏槽爆破產生的振動最大。因此，如何控制好掏槽爆破的振動是實現微振動爆破技術的關鍵。本文就多級楔形掏槽的爆破參數進行了理論和試驗分析，得出結論與建議如下：

1)多級楔形掏槽可有效降低掏槽區(qū)的爆破振速，同時，相比較大直徑中空孔直眼掏槽，多級楔形掏槽不僅減少了炮孔個數，而且加大了爆破循環(huán)進尺。本工程在掏槽區(qū)距離需保護的建筑物約23 m，控制爆破振速0.5 cm/s的情況下，采用多級楔形掏槽將爆破循環(huán)進尺提高到1.2 m，且炮孔利用率達95%。

2)根據多級楔形掏槽機制可知多級楔形掏槽振速控制的重點是第2級掏槽和第3級掏槽。本工程實踐證明，當控制振速0.5 cm/s且距離需爆破的建筑物約23 m時，第2級掏槽孔與第1級掏槽孔、第3級掏槽孔與第2級掏槽孔間距不宜超過0.4 m。各級掏槽孔排距不應超過炸藥爆炸形成的巖石裂隙圈直徑。

3)各級掏槽孔傾角從第1級掏槽到第5級掏槽逐漸變大，同時應滿足相鄰掏槽孔孔底間距小于炸藥爆炸形成的巖石裂隙圈直徑。各級掏槽孔深度以第3級掏槽孔深度最大時掏槽區(qū)減振效果最佳。

4)本工程實踐證明，當振速控制嚴格時，第2級掏槽和第3級掏槽應采用逐孔起爆技術，當延期雷管的段別不足時，可采用“孔外3段雷管延期”技術。而依據薩道夫斯基公式計算第4和第5級掏槽及后續(xù)起爆輔助眼的單段最大起爆藥量時，應考慮槽腔作為第2自由面的減振作用，可依據現場爆破經驗適當增加第4和第5級掏槽及后續(xù)起爆輔助眼的單段最大起爆藥量。

5)本文對于多級楔形掏槽微振動爆破參數的研究，是依據現場試驗的結果而得出結論，因而存在一定的局限性，且對多級楔形掏槽機制的研究不夠深入。故后續(xù)研究可通過數值模擬方法對多級楔形掏槽各參數進行研究，進一步驗證現場試驗結果，對不同振速要求、圍巖等級及爆破進尺的多級楔形掏槽爆破參數進行量化，以期更好地指導工程實踐。

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Study of Micro Vibration Blasting Parameters of Multilevel Wedge-cutting of Mined Metro Station

HE Chuang, WANG Hailiang

(Key Laboratory of Mine Disaster Prevention and Control, Shandong University of Science & Technology,Qingdao266590,Shandong,China)

The vibration reduction mechanism of multilevel wedge cutting used in Yananlu Station side crossing Building No. 166 on Line No. 2 of Qingdao Metro is studied; the blasting parameters, i.e. row spacing, depth, angle, number, and charge volume of wedge cutting and arrangement of detonator are analyzed and tested, so as to minimize the influence of blasting on the existing buildings on ground surface. The results show that: 1) The Level 2 cutting and Level 3 cutting are the keys. 2) The spacing among blasting holes should not be larger than 350 mm and the row spacing should not be larger than 400 mm. 3) The depth of Level 3 cutting should be the largest. 4) The amount of Level 2 cutting should larger than 5 pairs; the amount of Level 3 cutting should larger than 4 pairs. 5) The Level 2 cutting and Level 3 cutting should be detonated hole by hole. The analytical results can effectively control the blasting vibration.

Qingdao Metro; mined Metro station; wedge cutting; blasting vibration; blasting parameters; micro vibration

2015-06-11;

2016-07-19

山東科技大學研究生科技創(chuàng)新基金項目(YC150304)

何闖(1990—)，男，河北邯鄲人，山東科技大學采礦工程專業(yè)在讀碩士，研究方向為隧(巷)道爆破和隧(巷)道支護等。E-mail：584650078@qq.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.08.008

U 45

A

1672-741X(2016)08-0941-06