微振動淺孔控制爆破在基坑開挖中的應用

趙占軍

(石家莊職業技術學院建筑工程系，050081，石家莊∥副教授)

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微振動淺孔控制爆破在基坑開挖中的應用

趙占軍

(石家莊職業技術學院建筑工程系，050081，石家莊∥副教授)

某地鐵盾構始發井處基坑巖層屬于堅硬裂隙巖,巖石呈塊狀或巨塊狀,采用非炸藥爆破方式施工很難對石方進行開挖,且該基坑緊鄰小區建筑物及交通要道,炸藥爆破極易對周邊環境和安全造成影響，因此在基坑開挖中采用了微振動淺孔控制爆破方法。介紹了采用微振動淺孔控制爆破的技術方案(包括爆破參數選擇、爆破施工流程及相關工作)和安全防護措施。爆破振動監測及數據處理分析表明，采用微振動淺孔控制爆破技術并制定嚴密可靠的安全防護措施，能夠有效控制爆破飛石、噪聲及沖擊波,是一種安全、經濟、有效的施工方法。

基坑開挖; 微振動; 控制爆破; 安全防護

Author′s address Department of Architectural Engineering, Shijiazhuang Vocational Technology Institute,050081，Shijiazhuang，China

1 工程概況

1.1 工程簡介

西麗湖站位于南山區深圳市野生動物園南側、西湖林語名苑北側麗水路上，是深圳市軌道交通7號線工程的起點站,包括站前單渡線及站后折返線,車站全長608.812 m,結構的標準段寬19.4 m。在盾構始發井基坑處,需要爆破開挖的區域沿麗水路方向自東向西長25.45 m,南北寬28.8 m,開挖深度14.7 m。根據始發井地段地質資料可知，距地面2 m以下均為微風化花崗巖,巖體呈塊狀、巨塊狀,節理裂隙較發育。根據室內試驗結果,該場地微風化花崗巖的飽和單軸抗壓強度范圍為42.9～104.1 MPa,標準值為72.6 MPa,為堅硬巖,巖體基本質量等級為Ⅳ級。

1.2 周邊環境

西麗湖站盾構始發井基坑處于南山區麗水路與麗山路的交界地帶，附近行人較多,車流量較大,且車站主體結構南側距西湖林語名苑建筑群的最近距離為10.41～13.02 m。具體位置見圖1。

圖1 爆破區域周邊環境圖

1.3 爆破要求

(1) 由于爆點距離西湖林語小區建筑非常近,故需要周密制定爆破參數及采取安全防護措施,以嚴格控制爆破振動、爆破飛石，以及爆破噪聲、爆破粉塵等,達到保證周邊建筑、來往行人和車輛安全的目的。

(2) 在保證安全的前提下確保工程質量,爆破后巖石大塊率及循環進尺符合設計要求[1]。

2 技術方案

2.1 方案選取

現場在采取微振動淺孔控制爆破方法之前,曾采用過靜態破碎劑開挖、液壓鉆機引孔配合液壓錘破碎、巖石劈裂機等施工方法,但均因成本太高、工效太低、噪聲太大,完全不能滿足施工進度需要。為了滿足西麗湖站盾構始發井基坑石方開挖工程節點工期要求及保證爆破安全,采用微振動淺孔控制爆破方法,并結合爆破振動監測來驗證爆破振動速度。

2.2 爆破參數

根據地形地質情況及相關技術要求,初步擬定了西麗湖站始發井段石方微振動爆破試驗參數，如表1所示。

表1 西麗湖站始發井段微振動淺孔控制爆破參數表

3 爆破施工方法

(1) 爆破施工流程:施工準備→場地清理→測量

放線→鉆孔→清孔→驗孔→裝藥→堵塞→連網→爆破面被服→網絡檢查→警戒→起爆及噴霧除塵→爆后安全檢查→撤除警戒→清理爆渣→挖運→下一循環。

(2) 炮眼布置:炮眼布置必須符合“炮眼深度按設計進行控制,周邊眼沿著設計開挖輪廓線布置[2]”的規定。炮眼布置如圖2所示。

圖2 炮眼布置示意圖

(3) 裝藥：裝藥前，對炮孔進行嚴格檢查及處理；裝藥時,爆破員需在技術人員的指導下,按設計裝藥量、裝藥結構進行裝藥,且采取孔底密實裝藥；裝藥后，要檢查是否裝藥到位。為避免炮孔裝藥不密實的現象[3],需用炮棍對炮孔進行梳理,以保證裝藥質量。

(4) 炮孔堵塞：根據最小抵抗線、孔徑和現場具體施工條件等因素確定堵塞長度。炮孔堵塞要密實,堵塞長度要大于最小抵抗線。為了減小爆破產生的振動,保護臨近建筑物,炮孔采用水包+藥包+水包+炮泥的方式進行堵塞(見圖3)。此外,堵塞時要特別注意保護起爆線,以防由于起爆線破損而導致產生啞炮。

圖3 炮孔堵塞及裝藥示意圖

(5) 起爆網絡：采用電-非電起爆網絡(見圖4),孔內分段裝Ms1、Ms3、Ms5、Ms7、Ms9段導爆管,孔外采用Ms13段延時,毫秒電雷管激發起爆。采用此種起爆方式可控制最大單響起爆藥量,降低爆破振動危害,提高爆破質量和工作效率。

4 安全防護措施

4.1 爆破飛石和沖擊波防護

(1) 進行主動防護。采用砂袋+竹排+炮被+1.5 m厚黏土覆蓋爆點，以控制爆破飛石及減小沖擊波。如圖5所示。

(2) 爆破前交通疏導及爆破后啞炮排查。爆破前，對周邊行人及車輛進行疏導并設置警戒崗；爆破后，由相關技術人員進入爆區檢查,確認無啞炮后方可解除警戒,以保證爆點周邊區域行人及車輛安全。

(3) 正確進行爆破設計。石方爆破開挖時,合理規劃開挖順序和設計臨空面,爆破孔封堵段長度不得小于最小抵抗線,且最小抵抗線的設置方向盡量避開南側西湖林語生活小區。

圖5 主動防護覆蓋爆點后全貌

4.2 爆破振動防護

結合爆破安全控制標準及保護對象地理位置分析,本工程爆破振動主要防護對象為車站南側的西湖林語小區建筑物。為保證爆破安全及人們的正常生活、辦公不受影響，擬采用毫秒微差單孔單聯網絡連接爆破,以實現微振動控制爆破的目的:有效控制最大單響起爆藥量,有效降低爆破振動危害。

根據深圳市公安局的要求,西麗湖站爆破振動安全控制標準按1 cm/s控制。根據GB 6722—2011中允許最大單段起爆藥量的計算公式,微差爆破時的最大單段爆破藥量Qmax可按下式計算:

(1)

式中：

R——建筑物距爆源中心的距離；

v——距建筑物允許的地面振動速度；

a——與傳播途徑、距離、地質、地形等因素有關的系數；

檢測結果表明，本次施工路段施工后的各項路用性能指標，均滿足規范要求。英達就地熱再生技術得到了廣東廣惠高速公路有限公司相關領導的肯定，認為此次施工完全體現了質量效益高、環境社會效益好、經濟效益優、節能減排等優勢，并要求在以后的養護工作中積極的采用新技術、新設備、新工藝。

K——與介質特性、爆破方式等有關的系數。

參考深圳市相關工程經驗,取K=143.17,a=1.79,由式(1)得到允許的最大單段起爆控制藥量如表2所示。在施工之前，需要根據爆點和鄰近建筑物之前的實測距離,通過表2來確定最大起爆藥量[5]。

表2 爆點和建筑物間的距離、振動速度及起爆藥量關系表

5 爆破效果

5.1 爆破直觀效果

在微振動淺孔控制爆破方法及“砂袋+竹排+炮被+1.5 m厚黏土覆蓋層”安全保護措施的共同作用下,該次爆破在安全控制及工程質量控制兩方面都取得了較好的效果。通過第一時間對爆破后區域的觀測發現:

(1)爆破區域內沒有出現飛石,僅有少量炮煙,且爆破過程中噪聲較小。說明該爆破方法消除了爆破過程中可能產生的飛石、噪聲及粉塵等不良因素,從根本上保障了周邊建筑及來往行人、車輛的安全,達到了預期的效果,如圖6所示。

圖6 爆破過程中場景

(2)爆破后,通過計算得出巖石大塊率為8%;巖石清理完成后,爆區位置巖面平整度較好，且爆破尺寸和高程滿足設計要求,如圖7所示。

圖7 清理巖石后爆破點場景

5.2 爆破振動測試

5.2.1 爆破監測概況

為了驗證爆破施工的效果,沿西湖林語小區同排方向距離爆點中心10 m、30 m、60 m、80 m、100 m分別布置一套TC—4850 N爆破振動記錄儀,每個測點均布置4個通道,如圖8所示。其他區域視現場具體情況增設。

爆破之后對各個測點所搜集到的數據進行處理,得到圖9所示波形圖。爆破振動監測結果見表3。

圖8 爆破振動監測點布置示意圖

由表3可知,各測點振動最大速度均不超過1.0 cm/s,說明爆破效果較好,未對周邊建筑物表面產生任何破壞,也滿足相關部門對爆破施工的理論要求。從圖9中也可以直觀地看出,各測點每個通道的最大振動速度均未超過1.0 cm/s。

圖9 各監測點爆破振動波形圖

測點編號距爆心水平距離/m傳感器靈敏度/(mV/cm)質點峰值振動速度/(cm/s)爆破振動主頻率/Hz爆破振動時刻/s測點11029.000.392250.00.0010測點23029.000.248938.50.0075測點36029.000.1792100.00.7880測點48029.00未觸發測點510029.00未觸發

5.2.2 爆破振動監測數據處理及回歸分析

在爆破振動監測的過程中,難免存在人為、儀器、環境等影響因素,所監測到的數據會相應地受到影響、存在誤差,繪制的振動速度-距離曲線則會出現波動性,從而給預測和評價工作造成困難。可根據爆破振動測試數據,擬合出爆源距離和振動速度之間的關系式。其函數模型的基本關系式為:

f(x)=a+b ln x

(2)

式中:

a,b——常數;

f(x)——測點瞬時振動速度;

x——測點距爆心的距離。

將表3中的數據代入式(2)進行擬合分析得:

f(x)=6.651-1.199 ln x

(2)

函數模型的相關性系數r=0.971。

數據擬合情況如圖10所示。

圖10 爆破振動速度預測模型圖

r達到0.971,說明該函數曲線與真實數據具有較高的擬合精度。因此，采用該函數表示爆破振動速度的變化情況，可對振動速度的衰減特性起到較好的預測作用。從圖10也可以看出，該函數的圖形非常貼切地反映了數據的變化趨勢。

根據薩道夫斯基公式:

(3)

式中:

v——振動速度;

K,α——與爆源至監測點間的爆破條件、地質條件等有關的系數和衰減系數;

Q——單耗;

R——爆源到監測點的距離。

在TC—4850 N型爆破振動測試儀附帶的分析軟件中代入所測到的數據進行綜合回歸分析，得出K=32.65,α=1.48,說明爆破效果較好,滿足爆破相關規定的要求，且對爆點周邊各區域的振動速度起到良好的預測作用。

6 結語

在復雜環境條件下,采用微振動淺孔控制爆破技術并與具體針對性的安全防護措施相結合開挖基坑,收效非常明顯,爆破產生的沖擊波、飛石、噪聲等均得到了有效控制,不僅對鄰近建筑物進行了成功保護,也保障了周邊行人及車輛的安全[6],且具有較好的施工質量,能保證工期順利進行,是一種安全、經濟、有效的施工方法。但在具體應用中，還要結合現場和場外的具體情況制定周密的技術方案。筆者對于后續施工生產提出以下幾點思考:

(1) 爆破區域緊鄰西湖林語小區，周邊行人多、車流量大,爆破施工時要嚴格遵循“淺眼、密孔、小藥量、微振動、嚴覆蓋”的原則,對爆破振動、飛石、噪聲、粉塵等進行控制,以保護小區建筑物及保證施工周邊區域行人的人身及財產安全。

(2) 在每次爆破前，應根據現場實際情況、出露巖石、爆破環境等條件作出相應的爆破設計，并對爆破參數作出相應的調整,以保證施工質量和施工安全。

(3) 結合初步計算,在距離小區建筑物15 m以內區域進行爆破作業需采用0.309 kg單段起爆藥量，方可滿足相關規定,但這樣會導致施工進度非常慢且爆破成本高。為此,需考慮在距開挖邊線80 cm左右位置,沿西湖林語小區建筑物一側采用液壓鉆布置兩排減震孔,以在保證安全的同時保證施工質量及爆破效果。

[1] 王立國.復雜環境下石方控制爆破[J].工程爆破,2005,11(3):40.

[2] 付天杰,郭峰.特堅硬巖石基坑淺孔控制爆破技術[J].工程爆破,2011,17(2):31.

[3] 柳軍城,王圣彬.微震動爆破技術在軟弱松散圍巖中的應用[J].西部探礦工程,2002(4):73.

[4] 余健.盾構始發井基坑爆破施工技術[J].廣東水利水電,2011(6):54.

[5] 劉長革.密平路石方路塹開挖控制爆破[J].工程爆破,2002,8(6):52.

[6] 朱朝祥,蔡偉,楊建軍.深基坑爆破開挖技術在地鐵工程中的應用[J].爆破,2009,26(4):49.

Application of Micro Vibration Short-hole Controlled Blasting in Foundation Pit Excavation

ZHAO Zhanjun

The foundation pit rock of the shield starting well on a certain metro line is tough fractured rock in block or giant lump shape, and is hard to excavate by non-explosive blasting. But the explosive blasting will easily impact on the surrounding environment and the safety in close distance between the blasting site and the community construction. In this paper, a micro vibration short-hole controlled blasting with reliable safeguard is introduced, including the selection of blasting parameters, the blasting construction process and other related works. The vibration monitoring and data processing analysis show that this technology can effectively control the blasting slungshot, noise and shock wave, therefore is a safe, economic and effective technology.

excavation of foundation pit; micro vibration; controlled blasting; safeguard

TU 94+1

10.16037/j.1007-869x.2016.04.017

2014-09-21)