基坑爆破采用減振孔和數碼雷管降低振動速度應用技術研究*

張傳軍

(中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州 450001)

隨著我國經濟的快速發展，城市地鐵基礎設施建設方興未艾。但地鐵車站修建多處于鬧市區等復雜環境條件下，地鐵施工中在處理硬巖地層時，爆破施工最為經濟便捷。但由于地鐵的特殊性，其沿線通常貫穿城市繁華地段，復雜環境給爆破施工帶來一定難度。當城市爆破場地局限性較大時，為了不影響工程進度，又能保證安全，采取控制爆破和減振措施是實現進一步降振的較好選擇。

本文以廈門市地鐵3號線湖里公園站工程為例，對減振孔和數碼雷管的爆破技術進行研究并綜合應用，達到降振目標，降低爆破振動對周邊環境影響，為類似復雜環境條件下基坑爆破施工提供參考。

1 減振技術數值模擬計算

通過對數碼雷管及減振孔模擬計算，總結出減振規律。

1.1 數碼雷管減振技術數值模擬計算

通過數值模擬計算，探討減振孔參數對減振效果的影響。在裝藥量、傳播距離、巖土介質本身性質一定的情況下，實現干擾降振的關鍵方法在于確定合理的微差延期時間Δt。利用ANSYS/LS-DYNA3D有限元計算程序對爆炸波傳播過程、爆破地震波的形成和傳播過程進行數值模擬研究，進而得出使振動強度最小的微差延期時間差。

計算參數：炮孔孔徑40mm、孔深3m；乳化炸藥單耗0.3kg/m3，共4個孔，孔距2m；巖石為微風化花崗巖。電子雷管延期時間為1，3，5，7，10，15，30ms共7種工況。計算工況與模型如圖1所示。

圖1 計算工況與模型

GB 6722—2014《爆破安全規程》中將介質振動速度作為建筑物是否處于危險區的依據。因此，對不同延期時間在不同測點處的振動峰值進行對比分析。

1)孔距1.0m質點峰值振動速度對比

在淺孔臺階爆破數值模擬中，選取花崗巖表面上距離藥柱分別為5，10，15m的3個單元繪出振動速度變化曲線，通過將不同延期時間在不同測點處的振動速度峰值進行對比分析，繪出峰值對比曲線(見表1,圖2)。

表1 淺孔臺階(孔距1.0m)峰值振動速度 m·s-1

圖2 振動速度峰值(孔距1.0m)對比

2)孔距1.5m質點峰值振動速度對比

炮孔間距1.5m工況下，將不同延期時間在不同測點處的振動峰值進行對比分析，結果如表2,圖3所示。

表2 淺孔臺階(孔距1.5m)峰值振動速度 m·s-1

圖3 振動速度峰值(孔距1.5m)對比

3)孔距2.0m質點峰值振動速度對比

炮孔間距2.0m工況下，將不同延期時間在不同測點處的振動峰值進行對比分析，結果如表3,圖4所示。

表3 淺孔臺階(孔距2.0m)峰值振動速度 cm·s-1

圖4 振動速度峰值(孔距2.0m)對比

由圖2～4可見，淺孔臺階爆破中單孔單響時，在微風化花崗巖中的最佳延期起爆時間應為5～7ms。

1.2 減振孔降振數值模擬計算

通過數值計算，探討減振孔參數對減振效果的影響。

1.2.1計算模型

為了研究減振孔參數對減振效果的影響，現設定一種工況為基本參數。基本參數工況下爆源炮孔直徑為90mm，炸藥為1kg乳化炸藥。減振孔的基本參數為直徑100mm，孔深3m，孔距20cm，爆心距5m，單排炮孔。基本參數工況下數值計算模型如圖5所示。

圖5 基本參數工況下數值計算模型

1.2.2計算結果

減振孔前后垂直方向速度對比如圖6所示，無減振孔測區振動速度為34.4cm/s，有減振孔測區振動速度為10.4cm/s，在減振孔兩側對稱布置振速監測點，用減振孔兩側最大振速的差值與爆源側最大振速的比值作為減振率，更直觀地檢視減振孔的減振效果。減振率公式η=(v1-v2)/v1×100%，其中v1表示爆源側質點峰值振速，v2表示非爆源側質點峰值振速。根據減振率的定義，可得基準工況下減振孔的減振率為69.8%。

圖6 基準工況下減振孔前后速度對比

2 數碼雷管與減振孔的降振試驗

2.1 數碼雷管與淺孔臺階爆破振動試驗

2.1.1試驗設計思路

爆破試驗區域選址于湖里公園站基坑小里程端，采用數碼雷管起爆網路，露天淺孔臺階爆破試驗時，監測不同距離的孔間間隔5ms延期時的爆破質點振動速度。

2.1.2試驗參數

爆破開挖采用淺孔臺階爆破，臺階高度h=2.5m，采用梅花形布孔，分4排，使用2號巖石乳化炸藥，直徑32mm，每條0.2kg，總裝藥量為92.4kg，每個孔放置1枚雷管，單孔單響，單排孔間間隔5ms，排間間隔50ms。其中，第1～4排最大段藥量為2.2kg/m3，孔徑為50mm,孔深2.8m，孔距2m，排距1.5m；孔數分別為10，12，10，10個。

2.1.3監測點布置

爆破振動監測點共布置6個，分2組，每個測點上布置3向傳感器(1個垂直速度，2個水平速度)，監測質點振動速度的3個方向分量。數碼雷管爆破時監測點以爆源為中心點，垂直爆源方向布設，監測點布置如圖7所示。

圖7 監測點布置示意

2.1.4監測結果

對爆破現場進行振動監測，結果如表4所示，其中測點1，2，3為第1組，測點4，5，6為第2組。

表4 第1組爆破振動速度質點峰值

2.2 減振孔降振試驗

為研究觀測減振孔排數及減振孔與爆源距離對減振孔爆源側與非爆源側的爆破質點振動速度和頻率的影響，并對理論計算結果進行驗證，進行減振孔降振試驗。

試驗地點在湖里公園站基坑，先后進行單排孔、雙排孔及3排孔共計9組試驗(見圖8)。減振孔參數：孔深4m，孔距20cm，孔徑90mm，排距15cm。2號巖石乳化炸藥，導爆管雷管起爆。

圖8 爆源及爆破振動測試點位置示意

2.2.1單排減振孔爆源側振動監測結果

單排減振孔在距爆源15.1，14.2，13.3m工況下對振動速度進行監測結果如表5所示。

表5 單排減振孔在各工況下振動速度

2.2.2雙排減振孔爆源側振動監測結果

雙排減振孔在距爆源10.6,9.0,8.5m工況下對振動速度進行監測結果如表6所示。

表6 雙排減振孔在各工況下振動速度

2.2.33排減振孔爆源側振動監測結果

3排減振孔在距爆源6.7,5.2,4.8m工況下對振動速度進行監測結果如表7所示。

表7 3排減振孔在各工況下振動速度

3 數碼雷管及減振孔的綜合降振應用

3.1 工程概況

廈門市地鐵3號線湖里公園站緊鄰別墅區及軍纜、自來水等重要管線，周邊環境極其復雜(見表8)。車站基坑地層以中微風化花崗巖為主，巖石單軸抗壓強度可達120MPa，基坑總爆破開挖量達13萬m3。

表8 湖里公園站周邊主要建(構)筑物情況

3.2 爆破方案確定

湖里公園站開挖量大，且周邊環境復雜，為達到施工進度及確保基坑安全的要求，需嚴格控制爆破振動，采取淺孔臺階控制爆破及綜合應用數碼雷管和減振孔等技術措施，降低爆破振動危害。

車站兩側無施工運輸通道，基坑開挖采用拉槽至基底，橫向分幅，縱向分層，從車站北端依次倒退式開挖。鉆孔爆破以錯步臺階或梯段形式出現，充分利用天然臨空面或創造更多的臨空面增加爆破臨空面，左、右幅前后錯開一定距離，形成1～4個工作面，每個工作面縱向長4～6m，寬10m，高1.0～3.0m，基坑爆破作業施工組織方式如圖9所示。

圖9 基坑爆破作業施工組織示意

3.3 爆破參數設計

采用淺孔臺階爆破法開挖，為獲得較好的破碎及松散爆破效果，采用寬孔距、短排距的布孔方式實施微差爆破；嚴格進行覆蓋防護；為了減少大塊提高爆破效果，采用a/b=m>1的孔網參數設計，a，b分別是孔距、排距，取a=(1.5～2.0)b，b=W，W為炮孔最小抵抗線。采用梅花形布孔方式 ，耦合裝藥，分段延時起爆，爆破孔參數如表9所示。臺階分布及鉆孔布置如圖10所示。

表9 基坑爆破孔網參數及每孔裝藥量

圖10 鉆孔布置示意

根據《爆破安全規程》，考慮周邊建筑物的安全，單段總藥量應根據爆破振動安全允許距離的公式確定，則Q=R3(V/K)3/a，其中Q為炸藥量，延時爆破為最大單段藥量(kg)；R為爆破振動安全允許距離(m)；K，a為與爆破地點地形、地質等條件有關的系數和衰減系數；V為控制點的振動速度(cm·s-1)。具體實施過程中采取孔底加砂墊層、孔底起爆間隔裝藥延時起爆等措施進一步減振，對相關參數進行擬合，取K=150，α=1.8。同時，為了保證房屋安全，爆破點距離建筑物較近部位，在基坑外靠近建筑物保護區側布設減振孔，并采用數碼雷管進行減振控制。

根據多排減振孔試驗結果，在打設3排減振孔的平均降振率為50%，則許可振速為4.0cm/s時，不同建筑物最大允許段藥量如表10所示。

表10 不同距離處所允許的最大段藥量

3.4 裝藥結構

臺階淺孔微差松動爆破采用φ32 乳化炸藥，為減小段藥量而達到降低爆破振動，減少爆破空氣沖擊波和飛石，距離建筑物較近部位，采用孔底軟墊層裝藥結構或分層裝藥結構；采用砂質黏土作填塞料，裝藥結構如圖11所示。

圖11 裝藥結構示意

3.5 起爆方式及延期時間

入孔雷管和起爆雷管均為非電導爆管雷管。每個炮孔(沒分層)內裝1發導爆管雷管或每個藥包(分層/每層)內裝1發導爆管雷管，采用孔底或分層裝藥延時單孔單響或一孔多響，起爆間隔時間為5ms的起爆方式進行起爆。孔內起爆順序如圖12所示。

圖12 孔內起爆順序示意

3.6 爆破振動監測

在湖里公園站基坑爆破開挖施工中，對爆破振動進行實時監測，絕大部分爆破振動質點速度峰值未超過地表建筑物振動速度許可值，綜合應用減振孔和數碼雷管的降振效果顯著，從而確保了車站基坑周邊地面建(構)筑物和地下各管線的安全。

4 結語

1)理論分析表明，從爆源上改變技術措施，如采用數碼雷管，使產生的地震波干擾疊加，以減小爆破地震波強度；或從傳播途徑上采取措施，如采用減振孔，從傳播過程中對地震波進行干擾和爆破能量消耗。這兩種方式均能有效控制爆破振動。

2) 在淺孔臺階爆破相同的工況下，逐孔起爆的最佳延期起爆時間為5～7ms，比其他間隔延時的爆破效果好、振速小。

3)排數越多降振效果越好。打設1～3排減振孔試驗中，減振率分別能達到7.95%～27.19%，19.26%～38.91%，49.35%～67.55%。

4)在復雜環境條件下，可以通過綜合采用減振孔和數碼雷管的爆破技術達到降振目標。