城市地鐵隧道基巖、大塊孤石控制爆破技術

郭 銀,陳晶鈴,運磊濤

(1.福建安順工程爆破有限公司,福建 福州 350000;2.福建省爆破行業協會,福建 福州 350000)

隨著我國現代化建設的步伐不斷加快,各大中城市的地鐵建設項目越來越多,目前,地鐵建設一般采用盾構法施工。 在城市地鐵隧道盾構施工中經常遇到地下堅硬的基巖、大塊孤石凸出,盾構刀具不僅無法有效破巖,還會造成刀具嚴重磨損,甚至損壞而無法掘進,因此,必須進行爆破處理。

與一般的露天、地下爆破工程不同,城市地鐵隧道基巖、大塊孤石爆破具有如下特點:巖石硬度高、強度大,無臨空面,爆破難度大;覆蓋層種類多、成分復雜,巖土地質結構變化大,鉆孔和成孔保護難度大;巖石大小、形狀、位置和巖性等變化大,爆破施工難度大、工藝復雜;爆區臨近建(構)筑物基礎、盾構機、地鐵既有線、地下管線等重要建(構)筑物和設施設備,作業環境復雜,爆破有害效應控制要求高。

結合福州地鐵4、5 號線隧道基巖、大塊孤石控制爆破施工實例,對地鐵隧道基巖、大塊孤石的控制爆破原理與參數選擇、爆破施工要點和關鍵技術、爆破安全措施等主要問題進行分析探討。

1 爆破原理與爆破參數

1.1 爆破原理

地鐵隧道基巖、大塊孤石埋藏在地下,位置較深、覆蓋層厚,爆破破碎的范圍僅限于地下巖體內部炮孔周圍較小的范圍,爆破破壞范圍遠小于覆蓋層的厚度,沒有地面破壞現象。 當炸藥爆炸后,被爆體沒有臨空面很難進行石渣拋擲;地下基巖、大塊孤石的爆破原理屬于炸藥的內部爆破作用,表現為“內部作用藥包”現象[1]。 基巖、大塊孤石爆破的破碎區域屬于炸藥爆炸應力大大超過巖石抗壓強度極限的壓縮區(空腔區)和破碎區(或粉碎區);炸藥爆炸的裂隙區、振動區雖然對基巖、大塊孤石的破碎也有一定的作用,但破碎塊度不能滿足地鐵盾構施工的要求。 基巖、大塊孤石爆破有效破碎區的大小與巖石強度、破碎要求、裝藥參數、裝藥結構和起爆順序等有關。

1.2 爆破參數

地鐵隧道基巖、大塊孤石爆破的主要參數有:孔徑、孔距、排距、孔深、裝藥直徑、炸藥單耗、藥量等。

1)鉆孔與孔徑

綜合考慮地鐵隧道基巖、大塊孤石爆破鉆孔、取芯、成孔保護便利、鉆孔費用經濟合理,以及爆破最大單段藥量符合爆破安全控制要求,地下基巖、大塊孤石爆破入巖前鉆孔直徑取100 mm,入巖后的炮孔直徑為90 mm。 成孔后炮孔內放置直徑為70 mm 的PVC 管,用來保護炮孔和裝填炸藥[2]。

2)孔距、排距

地鐵隧道基巖、大塊孤石爆破炮孔的間距、排距,應根據裝藥內部爆破作用破碎圈的大小確定。影響裝藥內部爆破破碎圈大小的主要因素有巖石性質、風化程度、覆蓋層的厚度與類型、裝藥直徑、不耦合系數等。 根據裝藥內部爆破的有關理論,單個炮孔爆破的破碎圈半徑為Rp=(8 ～10)ro(ro為裝藥直徑)[3],多個炮孔共同爆破時,炮孔的間距可取(14～16)ro。

經爆破試驗確定,當炮孔直徑為90 mm、裝藥直徑為50 mm 時,炮孔間距a取0.7～0.8 m 為宜;排距b取0.7 m 為宜;炮孔布置采用梅花形較好。

3)孔深

地下基巖和大塊孤石底部超出隧道斷面較大時,炮孔深度一般按照該孔位處地鐵隧道斷面底線深度加一定的超深確定。 炮孔超深一般取裝藥直徑的15～25 倍。 同一斷面上不同位置炮孔的深度和裝藥長度各不相同,每個炮孔的裝藥長度均以其所處隧道斷面邊界外延裝藥直徑的15 ～20 倍為宜,如圖1 所示。 巖石較薄、硬度較小時取小值;巖石較厚、硬度較大時取大值。 例如,福州地鐵4 號線地下基巖爆破,基巖厚度為2.0 ～6.5 m 時,裝藥直徑取50 mm,炮孔超深取0.75～1.25 m。 位于隧道斷面范圍內的大塊孤石,炮孔貫穿孤石,沒有超深。

圖1 基巖孤石爆破處理鉆孔斷面圖

4)炸藥單耗

地下巖體內部爆破的炸藥單耗,根據《瑞典爆破技術》一書的相關資料,按下列公式計算:

式中:q1為基本裝藥量,基巖、大塊孤石一般位于地下15 ～25 m,基本裝藥量是一般地面臺階爆破的3～4 倍;q2為爆區上方水壓增量,q2=0.01h2,h2為水深,本工程為0;q3為爆區上方覆蓋層增量,q3=0. 02h3,h3為覆蓋層(淤泥或土、砂) 厚度,取20 m;q4為巖石膨脹增量,q4=0.03h,h為梯段高度,取1.0 m。

福州地鐵4、5 號線孤石爆破工程為堅石,基本炸藥單耗取0.7,則

5)裝藥量

根據炸藥單耗的計算結果、炮孔參數和裝藥直徑,地鐵基巖、大塊孤石爆破的線裝藥密度約為1.6 kg/m,實際爆破線裝藥密度取2.0 kg/m。

2 地鐵基巖、大塊孤石爆破的施工要點

2.1 鉆孔、護孔

地鐵隧道基巖、大塊孤石爆破鉆孔,一般采用地質鉆機鉆孔。 鉆孔應嚴格按照設計的孔位、孔深鉆孔。 每個炮孔鉆取的巖芯都要保留完整、拍照,詳細記錄巖土類別、長度、強度和風化等級情況。 鉆孔達到設計深度后,應立即穿入PVC 管護孔。 PVC 管的口部應用保護帽蓋好,以防雜物掉入堵塞炮孔。PVC 管內應注水,防止管壁變形、上浮。

2.2 炮孔裝藥結構圖

爆破工程技術人員應根據地鐵基巖、大塊孤石鉆孔驗收記錄,在地鐵盾構斷面圖上精確標繪出基巖、孤石的巖面、巖底的位置及入巖、出巖的標高,按炮孔裝藥參數,繪制出詳細的炮孔裝藥結構圖,如圖2(孤石、基巖裝藥結構)所示。

圖2 孤石、基巖裝藥結構

2.3 裝藥與堵塞

裝藥時先用測繩(或皮尺)逐個復核炮孔的深度,根據每個炮孔的裝藥量和裝藥結構,用PVC 管把相應長度的藥卷綁扎固定好,在 PVC 管的指定位置處安裝好雷管,之后對 PVC 管的兩端采取密封處理措施[5];然后把綁扎好的藥卷分配到對應炮孔邊,最后經核對無誤后裝入炮孔。

必須嚴格按設計的藥量和裝藥結構進行裝藥。裝藥過程如發現因套管堵塞、變形、塌孔等導致炮孔的深度與設計不符時應采取處理措施。

地鐵基巖、大塊孤石爆破炮孔內一般充滿泥水,為保證裝藥和間隔堵塞的位置準確、長度符合設計要求,裝藥間隔堵塞宜用裝藥間隔器或粒徑為0.5 cm 的石子。 為確保裝藥和間隔堵塞準確到位,每節裝藥和堵塞材料下沉到位后,都要用測繩(或皮尺)進行復核。 每個炮孔的最后一節裝藥裝完下沉到位后再用小石子將炮孔填滿。

3 爆破安全防護措施

基巖、大塊孤石爆破的危害主要是爆破振動、炮孔堵塞物飛濺和套管上沖等有害影響。 其中,爆破振動對附近建(構)筑物的影響是爆破施工安全的重點、難點問題,采取的主要安全防護措施如下:

1)合理確定最佳炸藥單耗,嚴格控制最大單段齊爆藥量[6]。

2)適當縮小孔網參數。 即當爆區與地下管線、建(構)筑物等重要保護對象距離較近時,通常應把臨近保護物的2～3 排炮孔的孔網參數縮小至常規孔網參數的一半,以增加藥包數量,減少單孔裝藥量和單段齊爆藥量[7]。

3)采用減振孔阻礙爆破振動傳播,減小爆破振動峰值。

4)合理分段,確保安全起爆、避免爆破振動峰值疊加。

5)在爆破區域外 1 m 處采用雙層沙包圍成高度不低于 0.5 m 的沙包墻,孔口壓沙包,上部放置5 mm 厚的鋼板并壓沙包及噸袋,防止泥漿沖出[8]。

6)網路連接遵循“收管成束—配置傳爆雷管—聯線—核對檢查”的操作程序[9]。

4 爆破施工效果

根據爆破后鉆孔取芯和地鐵盾構出渣結果分析,福州地鐵4、5 號線地下基巖、大塊孤石控制爆破破碎效果良好,巖石的塊度均小于30 cm,巖芯長度最大16 cm,達到了預期的爆破破碎要求。 如圖3(基巖、孤石爆破后鉆孔取芯照片)所示。

爆破后,炮孔上覆蓋物的位置沒有明顯移動,沒有任何飛散物,爆破飛散物控制滿足安全要求。爆破振動監測顯示,爆破振動速度均沒有超過爆區附近地下管線和地面建(構)筑物的安全允許值,爆區附近地上建(構)筑物和地下管線安全,沒有受到破壞。

5 結論

綜上所述,合理的爆破參數、精細的施工組織和必要的安全防護措施是解決城市地鐵隧道基巖、大塊孤石爆破重難點問題的有效措施。

1)合理的爆破參數

根據地鐵基巖、大塊孤石的爆破原理,結合福州地鐵4、5 號線的爆破施工經驗,炮孔直徑為90 mm,裝藥直徑為50 mm,不耦合系數為1. 8,單耗為3. 23 kg/m3,孔距為0.7～0.8 m,排距為0.7 m 時,花崗巖(普氏硬度系數為12～16)爆破效果好,塊度滿足要求。

2)精細的施工組織

地鐵基巖、大塊孤石鉆孔應嚴格按照設計要求,并穿入帶有保護帽的PVC 管護孔;爆破裝藥結構和裝藥布置應根據隧道斷面形狀合理確定,孔內間隔裝藥的位置可采用PVC 管片、裝藥間隔器或間隔堵塞材料(粒徑為0.5 cm 的石子)定位。

3)必要的安全防護措施

嚴格控制最大單段齊爆藥量、適當縮小孔網參數、采用減振措施、合理分段等安全防護措施,可有效降低爆破振動對附近建(構)筑物的影響。