重慶鯉劉區間地鐵隧道淺埋硬巖爆破開挖方案優化

黃旭 李棟

摘 要：重慶地區地鐵九號線鯉-劉區間屬于淺埋隧道，穿越圍巖以硬巖為主，施工效率低，對圍巖和周圍構筑物影響較大。為此優選了鉆爆參數，計算了安全藥量和單孔裝藥量，基于錯相減震機理選擇起爆方式、炮孔布置參數及起爆順序?，F場應用結果表明，采用爆破新工藝參數后，比原工藝單孔單響爆破時振動降低了58%。

關鍵詞：淺埋硬巖；地鐵隧道；爆破開挖

中圖分類號：U455.4 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）23-0111-02

Optimization of Blasting Scheme of Excavating for Shallow-buried

Subway Tunnel in Hard Rock

HUANG Xu1 LI Dong2

（1.Chongqing Changbo Parking Industry Development Co.， Ltd.，Chongqing 400000；2. Chongqing Energy Investment Group Technology Co.， Ltd.，Chongqing 400000）

Abstract： The Li-Liu section of the No. 9 subway line in Chongqing is a shallow buried tunnel. The surrounding rock is mainly composed of hard rock， with low construction efficiency and great influence on surrounding rock and surrounding structures. For this reason， the drilling and blasting parameters were optimized， the safety dose and the single-hole charge were calculated， and the detonation mode， the blast hole arrangement parameters and the detonation sequence were selected based on the phase-shifting mechanism. The field application results showed that after using the new blasting process parameters， the vibration was reduced by 58% compared with the original single-hole single-shot blasting.

Keywords： shallow buried hard rock；subway tunnel；blasting excavation

1 工程背景

重慶軌道九號線鯉魚池站-劉家臺站區間隧道總長為920m，其中鯉魚池站～TBM始發井段長約420m，采用復合式TBM法施工；TBM始發井～劉家臺站段長約500m，采用爆破+機械開挖施工。該區間隧道位于下部基巖中，以中厚層砂質泥巖夾砂巖為主，圍巖級別為Ⅳ級。區間沿線居民小區密集，對爆破振動要求。

2 鉆爆參數選取與安全藥量計算

本項目隧道斷面施工順序為上下臺階開挖，爆破設計應與開挖方式相適應。

2.1 鉆爆參數選取

2.1.1 炮眼深度[L]。隧道開挖要滿足立拱及下一輪周邊眼造孔的操作空間，一次需爆落的距離至少為70cm，1m深度的炮孔基本可滿足要求。

2.1.2 抵抗線[W]及孔距[a]。通常情況下，[W]、[a]均小于炮眼深度，否則各個炮眼將成為各自獨立的漏斗爆破，達不到理想的爆破效果。根據漏斗聯合作用原理[1，2]，漏斗聯合作用點在1/3孔深處時掌子面較平整，即當炮眼直徑為35～42mm時，抵抗線與炮眼深度有如下關系：

[W=（0.3～0.6）×L] （1）

在堅硬難爆的巖體中，或炮眼較深時，應取較小系數，反之則取較大系數。

2.2 安全藥量計算

根據式（2）可計算不同部位、不同安全距離的炮孔的最大安全藥量：

[Q1=R3vk3α] （2）

式中：爆破質點振動速度取[v=1.5cm/s]，爆心距[R]分別取不同位置炮孔的安全距離；[k]、[α]根據本工號已完成相鄰區域的設計參數取為[k=150]、[α=2]。施工過程中，需結合實測振速進行[k]、[α]值的回歸調整。

2.3 單孔裝藥量的計算

炮眼所在部位不同，其裝藥量也不同。炮孔單眼裝藥量可按式（3）計算：

[Q=k×α×w×L×λ] （3）

式中：[Q]表示單眼裝藥量（kg）；[k]表示炸藥單耗（kg/m3）；[α]表示炮眼間距（m）；[w]表示炮眼爆破方向的抵抗線（m）；[L]表示炮眼深度（m）；[λ]表示炮眼部位系數，一般取0.8～2.0。

爆破參數計算結果如表1所示。

表1 爆破參數計算結果

[開挖部位 炮眼名稱 孔深/m 單眼裝藥量/kg 安全校核藥量/kg 上臺階 掏槽 1.0 1.38 0.49 擴槽 0.62 0.48 掘進 0.51 0.62 掘進 0.51 0.37 掘進 0.51 0.28 掘進 0.51 0.2 掘進 0.51 0.14 掘進 0.51 0.09 掘進 0.51 0.06 掘進 0.51 0.03 底板 1.48 1.09 ]

3 起爆方式及爆破設計

3.1 起爆方式

本設計采用電子雷管逐孔起爆和電子雷管錯相減震起爆兩種起爆方法。當安全校核藥量是單孔藥量的[n]倍時，采用高精度非電導爆管毫秒雷管起爆法；當安全校核藥量大于等于單孔藥量時，采用電子雷管逐孔起爆法；當安全校核藥量小于單孔藥量時，采用電子雷管錯相減震起爆法。電雷管起爆利用錯相減震機理，能使爆破振動速度峰值顯著降低。

本設計為隔孔裝藥，炮眼間距350mm，抵抗線按式（1）計算。

3.2 電子雷管錯相減震起爆

錯相減是指在多炮孔起爆時，通過控制炮孔之間的起爆延時間隔，使達到被保護點的爆炸波主振相錯開約半個周期，從而降低爆破振動。根據Basebi[3，4]的工程試驗研究，采用單孔單響的電子雷管起爆可以降低約1/3爆破振動，能有效提高爆破掘進效率。根據波動與振動原理，爆破振動可認為是一系列簡諧波疊加的結果，即可表述為：

[v=inAit-Δticosωit+Δti+φ] （4）

式中，[ωi]為第[i]列波的角頻率；[t]為振動持續時間；[Δti]為炮孔起爆間隔時間，[φ]為初相位，函數[Ait]為第[i]個振動波形包絡線。

根據單孔爆破振動波形，其形式為：

[Ait=e-αt-e-βt] （5）

其中，[α，β]為正整數，且[α<β]。

錯相減震需要滿足的條件為：

[ωiΔti-ωjΔtj=2n+1π] （6）

式中，[n]為整數，考慮波形包絡線的變化，[n=0]時，錯相減震效果最好，[ωi]、[ωj]均屬于主振圓頻域。

令[ω]等于主振圓頻域的比例中值，代入[ω=2πf]得：

[Δti-Δtj=12f] （7）

4 應用效果

重慶地鐵九號線鯉-劉區間隧道采用毫秒延期雷管起爆，經過多次爆破方案優化，仍不能滿足振動安全和工期的要求。改用電子雷管起爆，進行全斷面爆破方案設計、施工，布置炮孔131個，總藥量126kg，徹底實現了單孔單響。雖然爆破振動的持續時間增長、峰值個數增多，但爆破波的疊加干擾更加明顯，爆破振動速度最大峰值為1.2cm/s，比原來1/4斷面爆破時降低了45%。在進行錯相減爆破設計時，盡可能實現相鄰炮孔間隔[1/2f]的時間對應起爆后，比單孔單響爆破時振動降低了58%。

5 結論

針對重慶軌道九號線鯉-劉區間淺埋硬巖隧道開挖難題，優選了鉆爆參數，計算了安全藥量和單孔裝藥量；基于錯相減震機理選擇起爆方式、炮孔布置參數及起爆順序。現場應用結果表明，采用爆破新工藝參數后，比原工藝單孔單響爆破時振動降低了58%。

參考文獻：

[1]王海亮.工程爆破[M].北京：中國鐵道出版社，2008.

[2]中國工程爆破協會.爆破工程施工與安全[M].北京：冶金工業出版社，2004.

[3]陽生權.爆破地震累積效應理論和應用初步研究[D].長沙：中南大學，2002.

[4]劉麗霞，蔣玉波，李進進.電子雷管起爆錯相減震試驗研究[J].施工技術，2014（17）：43-45.