復雜環境下巖溶強發育區基坑爆破技術

賀 婷

(廣州鐵路投資建設集團有限公司，廣州 511400)

爆破作為當前一種最有效的破巖方法，已被廣泛應用于工程實踐中。然而爆破有害效應帶來的安全風險，也備受社會各界關注。爆破有害效應的理論及控制技術研究，成為了學界與工程界的研究熱點之一。堅硬巖層基坑的開挖，類比于機械法、膨脹劑靜態破巖法、二氧化碳相變致裂等非炸藥爆破法，采用炸藥爆破法施工，其高效性、經濟性尤為突出[1]。然而，此類工程地處城市環境、巖溶強發育區位時，一方面因周邊環境復雜，爆破施工倍受關注；另一方面，巖溶強發育特殊地質對爆破的影響突出，施工安全風險高，極具挑戰性[2]。針對爆破產生的飛石、振動等危害，通常通過近體防護、隔離防護等技術對爆破飛石進行控制，采取弱松動控制、延時起爆、預裂爆破等技術，有效地控制了爆破振動的危害。盡管已有許多有關于深基坑工程方面的分析研究以及相應的豐碩成果，但總體來說，當前的大部分研究均是局限于工程具體城市區域，工程條件差異性較大，當前爆破工程的理論研究仍不甚成熟，特別是對于城市巖溶強發育地區的爆破施工關鍵技術方面，相關研究尤顯不足，遠不足以滿足工程應用的需要。因此，城市巖溶強發育地區精確控制爆破有害效應，安全、可靠、環保施工，不但有利于破解復雜環境爆破施工的敏感性難題，而且對此類工程的具體實踐也有積極的現實意義。

1 工程概況

廣州白云站綜合交通樞紐項目，是國家戰略性工程。該項目樞紐場站的基坑工程位于新市街既有京廣線東側、棠新路西側的地段內，基坑長約588 m，最寬處為168 m，總平面積約8.2萬m2，面積超大?；娱_挖深，深度15.9、23.45～24.56、34.68～35.18 m不等，呈大基坑套多個標高迥異的小基坑狀，開挖總方量約189.5萬m3。

基坑區內巖溶廣布，并以表層溶蝕發育為主要特點。查明的溶洞多達133個，且形態規模各異，分布規律性差，呈無序狀。洞高在0.2～27.2 m，平均3.90 m，洞體頂板厚度大部分小于洞體高度(頂板最小厚度僅為0.05 m)。洞體充填差，多呈未充填、半充填狀，多屬于不穩定洞體，對基坑及樁基穩定性很不利。

基坑東側為民用宅，距離最近建筑物約90 m，南側有金源小學，距其教學樓約80 m，西側緊鄰京廣線鐵路，最近距離為50.61 m，北側是空地，作為土石方臨時堆放場?；庸こ趟幍貛В┕きh境十分復雜(見圖1)。

圖1 基坑四鄰環境

2 爆破難點與對策

1)工程地處南部沿海，暴雨、臺風等極端天氣多，對工程施工影響大。

2)工程所在區域，地下大量分布不規則、無規律的溶洞、土洞，巖溶地面極易塌陷，地下水豐富，地質十分復雜，施工潛伏的涌水、地面塌陷及沉降等風險極高。

3)項目地處城央，周邊車流、人流量大，施工環境非常敏感[3]，坑內結構復雜，爆破施工既不能對京廣鐵路的正常運營造成任何影響，對基坑支護造成任何損壞，對連續墻腳造成任何錯動，也不可造成水土流失、環境污染和嚴重擾民，施工要求高。

4)石方爆破既要考慮基坑內巖溶地質情況，又要兼顧坑內預施工樁柱多的因素，同時要關注到環境敏感、復雜等條件，爆破工況的控制極其復雜，施工技術難度大。

5)工程涉及面廣，工程量巨大，工期緊張，施工組織難度極大。

基于本工程存在上述技術難點，爆破施工對應采用成套的基坑爆破關鍵技術，包括可降低圍巖擾動強度、滿足施工規模要求的“三小一多”爆破開挖法，能解決巖溶地質鉆孔成孔難題的鉆孔成孔技術，以及可破解爆破工況控制復雜難題、并確保爆破安全的特殊裝藥與爆破控制技術。

3 關鍵技術與爆破參數

3.1 爆破開挖方法

基于本工程特性，爆破開挖總體上優選小孔徑、小藥卷、小進尺、多循環的“三小一多”施工方法，按自上而下的開挖施工順序，以臺階分級、爆破分層多循環的方式，進行松動淺孔臺階控制爆破，將基坑開挖至控制標高。

現場對比試驗表明，“三小一多”松動淺孔臺階控制爆破，降低單孔藥量，控制爆破振動對爆區周邊環境及巖體的破壞，降低爆破振動的擾動范圍，較好地滿足環境與巖溶地質對爆破施工的安全要求，同時也有利于防范和處理坑底突水。

施工時，根據自上而下的開挖順序，以臺階分級多循環、每循環2～3個臺階，上臺階超前下臺階一定安全距離的施工方式，從基坑一端向另一端推進(見圖2)。每級臺階的爆破從基坑中間先拉槽，利用拉槽形成的自由面，向基坑兩側進行爆破。超前臺階溶洞揭露情況可為后續臺階起到預警作用；臺階由中間向兩邊爆破，最大程度降低溶洞頂蓋巖體出現整體垮塌的風險。

注：1)圖中B為安全距離；a為孔距；L為鉆孔深度；L1為裝藥長度；L2為填塞長度；H為臺階高度；h為超深；α為臺階坡面角；Lk、Lj為多臺機械作業間距；2)三級臺階各臺階高度和臺階坡度應嚴格遵照設計，并根據現場實際情況適當變化；3)鉆機和挖機臨邊安全距離應大于1 m；4)多臺機械同時作業間距一般應大于10 m，施工空間不足時也要保證間距大于兩機旋轉半徑之和；5)其他事項遵照設計和相關規定。

3.2 巖溶地質鉆孔、成孔技術

采用風動潛孔鉆鉆具，鉆孔遭遇巖溶地質，往往易出現卡鉆、塌孔等現象[4]。因此，準確查明工程區內巖溶的分布規律、形態特點等狀況，對提高鉆孔效率及成孔率至關重要。

對于隱伏巖溶溶洞的分布范圍、埋深、大小及連貫等情況，采用低頻率天線探地(GPR)雷達及層析成像(CT)技術進行探測，并結合利用GPS定位儀、紅外線導向給線儀按照定位測量、投影原理及操作要求，按照“溶洞危險區、一般溶洞區、非溶洞區”對施工區進行整體定位劃界與標識。鉆孔時，采取“快旋轉、緩進尺、強吹風”操作方法，控制操作鉆具的鉆頭及鉆桿快速旋轉，并調大鉆孔風量進行強吹風，同時放緩鉆桿的推進速度，使鉆具以“旋磨鉆進”的穿鑿方式通過溶洞破裂帶。鉆孔過程中，根據鉆孔鉆進狀態，確定其位置和深度[5]。

當遭遇的巖溶地帶較破裂、難以成孔時，根據“填料護壁旋磨鉆進”原理，以“旋磨、套拉、緩進”的動作方式進行鉆進護壁成孔。在鉆具旋磨、套拉動作時，停止給風，鉆具鉆進時正常給風。填料視溶洞地質情況而定，溶洞含水時，選用水灰比合適的水泥砂漿作護壁填料，溶巖破裂程度大，選擇濕度合適的三合土為護壁填料，溶巖破裂程度低，選擇濕度合適的黏質土作壁填料。

對遭遇溶洞或裂隙的炮孔未做觀察和記錄，采用測繩掛墜物沿孔壁用“墜吊緩拉”法，檢測炮孔是否遭遇溶洞或裂隙。當掛有墜物的測量繩在炮孔內緩慢下放或提拉的過程中，出現不暢或受卡時，說明孔遭遇了溶洞或裂隙，應記錄不暢或受卡的位置及長度。

3.3 溶洞區爆破與裝藥技術

爆破施工區域存在溶洞，可能改變最小抵抗線的大小和方向，造成大量的炸藥爆破能量向溶洞或其結構弱面方向聚集釋放，產生飛石、根底和大塊、甚至出現“帶炮”的拒爆現象，容易造成對爆破有害效應控制的失敗及惡化爆破效果[6-7]。爆破時溶洞的存在，同時能夠在一定程度上減小爆破對巖體的位移擾動,對溶洞周圍的巖體起到二次擠壓破碎的作用，以及爆破振動速度經過溶洞后有疊加放大作用[8]。

基于溶洞地質特點，爆破采用“VCR法”技術原理進行[9]。鉆孔直接穿透巖溶頂蓋巖層，裝藥時，利用套袋裝藥法，在炮孔底端填塞預定長度，使炮孔形成以巖溶洞體為臨空面。對處在巖溶區內的炮孔，采用套袋間隔裝藥結構。間隔裝藥的間隔段設置在巖溶空隙間區，長度以保證炮孔臨空巖溶抵抗線比爆破設計炮孔抵抗線大30～50 cm為準。裝藥袋以聚乙烯塑料薄膜等柔性材料制成，其直徑與炮孔直徑相適配，長度略長于炮孔長度、可滿足裝藥操作為宜。間隔材料選用鉆孔巖屑、沙土等惰性材料，當需滿足爆破減塵、降塵時，將孔口填塞長度的2/3和間隔長度段套裝內裝水的水袋，構成水柱間隔裝藥結構進行水袋爆破，進而利用爆破出來的水霧進行捕降爆塵[10]。爆破裝藥采用人工方式，運用“掉裝法”進行。溶洞區洞體頂蓋巖層爆破的炮孔，按“裝袋—填塞炮孔底部—裝藥—在炸藥上部填塞炮孔”的程序進行裝藥；遭遇巖溶或裂隙采用套袋間隔裝藥的炮孔，按照“套袋—底部裝藥—間隔填料裝填—上部裝藥—孔口填塞”的步驟進行裝藥(見圖3)。裝藥過程中應確保裝藥與填塞的長度及質量與設計要求相符。

圖3 裝藥結構

3.4 起爆及安全防護技術

爆破對周邊造成危害的主要因素是爆破振動和爆破飛石。文獻[11-13]表明，在其他參數基本不變的情況下，地震波傳播距離相同時，大藥量爆破產生的地震波振幅強、優勢頻率較低，小藥量爆破產生的地震波振幅弱、優勢頻率較高，而一般建筑物的固有振動頻率均較低。因此，同等條件下大藥量爆破相比小藥量爆破，對建筑物的危害更大些。采用延時起爆的方法，降低爆破振動效應。爆破最理想的消振、降振效果，便是設置合理的間隔時間，使后一段雷管起爆產生的地震波與前一段雷管起爆產生的地震波的波峰波谷相互疊加與干涉，致使爆破地震波振動趨零。

研究表明[14]，采用延時起爆技術，如果前、后段雷管起爆的時間間隔大于前段的衰減時間，則地震波疊加可能性小，疊加后振幅變化不大；如果前、后段雷管起爆的時間間隔小于前段的衰減時間，則可能存在振動的疊加，但因相位不同，延時爆破質點疊加振動速度的振幅變化較大。本工程爆破減振試驗進一步顯示，延時起爆前、后段雷管起爆的時間間隔控制在13～17 ms，對爆破降振效果明顯。

本工程爆破安全防護主要是對爆破飛石的防護。針對安全敏感度不同的施工區位，采用不同的防護技術(見圖4)。對于安全敏感區，采用“砂袋+鋼板+砂袋”三層防護法進行防護，即2～3個砂袋(每袋20～30 kg)壓蓋炮孔孔口，砂袋上再加壓2～3 mm厚的鋼板，鋼板再用壓砂袋壓??；對于非安全敏感區，采用“安全網+砂袋”防護方法進行防護，即用安全網將爆區全覆蓋，在安全網上用多個砂袋將每個炮孔的孔口壓嚴實。安全網用“HDPE網+多層鐵絲篩網+HDPE網”覆疊縫制而成。

圖4 爆破安全防護

3.5 爆破參數

開挖施工采用“梅花”布孔的松動淺孔臺階控制爆破，炸藥選用φ32 mm乳化炸藥藥卷。通過試驗，優化的鉆孔、裝藥等爆破主要技術參數[4,7](見表1)。當炮孔采用間隔裝藥結構時，現場試驗表明，孔內裝藥量按“孔底段∶孔口段=13∶7”的質量配比進行裝藥是合適的。

表1 爆破參數

4 爆破效果

通過采取上述爆破關鍵技術，并“錯峰”安排爆破時間，克服了工程施工難點，達到了施工有序、進展順利、工效明顯的工程目的。在爆區周邊50 m范圍內布置數十個振動檢測點、爆破域周界架設攝像儀進行同步檢測、影像記錄。統計顯示，通過應用上述爆破關鍵技術，爆破時距爆區5 m處的振動速度值從未超7 cm/s(單次最大為6.79 cm/s)，爆區緊鄰京廣線鐵路，最近距離為50.61 m處的振動速度值從未超1.3 cm/s(單次最大為1.19 cm/s)；爆破飛石與爆塵從未溢出過基坑外，飛石最大飛散距離不足30 m(單次最大為25.6 m)。

爆破施工未對周邊環境及重要保護對象帶來任何危害，未對現有京廣線的正常營運造成任何影響。

5 結語

1)小孔徑、小藥卷、小進尺、多循環的“三小一多”施工方法，按自上而下的開挖施工順序，以臺階分級、爆破分層多循環的方式，進行松動淺孔臺階控制爆破，既可按環境與場地的需要，靈活組織和控制施工，滿足安全要求，又能根據工程進度，合理地擴大施工規模，適應性較強。

2)采用以聚乙烯塑料薄膜等柔性材料制成的裝藥長袋進行炮孔套袋裝藥，操作簡單、靈活、可靠，可適配多種裝藥結構。

3)利用“VCR”爆破技術原理對溶洞洞體頂蓋巖層進行爆破，可實現在其巖體自重作用下向下垮落，達到安全爆破破巖目的。

4)針對巖溶地質進行松動淺孔爆破，采用數碼電子雷管實施減振延時起爆，前、后段雷管起爆的時間間隔控制在13～17 ms，對爆破降振效果明顯。