復雜地質條件下地鐵隧道下穿建筑物減振爆破技術

胡 平

(北京京投交通發展有限公司，北京 102606)

隨著我國經濟的飛速增長，國內主要城市規模的快速擴張而引起的城市交通壓力陡增，城市地鐵軌道交通進入快速發展階段，目前全國已有36個大中型城市規劃建設或在建城市軌道交通項目[1-3]，其中青島、大連、廣州、深圳、重慶、貴陽、南京、烏魯木齊等城市因地層地質多為上層為土質層，下層為硬質巖石，地鐵隧道建設施工時多采用鉆爆法或TBM工法，但因鉆爆法工序簡單、施工效果顯著且成本較低等優勢而被廣泛采用，與此同時隧道鉆爆施工引起的振動危害效應需重點關注[4]；特別是城市地鐵規劃建設因受各種因素制約不可避免的近距離下穿或側穿建筑物時，為降低鉆爆施工產生的振動對穿越建筑物的不利影響，對鉆爆施工的爆破振速控制有著嚴格要求。

目前，在城市淺埋地鐵隧道爆破振動控制方面，國內學者做了大量的研究工作，何闖等[5-6]為減低爆破振動對地表建筑物的影響，運用多級楔形掏槽方法有效地控制了爆破振動；王軍濤等[7-8]針對青島地鐵下穿建筑物采用直孔掏槽減振爆破技術，優化爆破參數設計，取得良好的社會效益；陳至昊等[9]通過ANSYS/LS有限元數值分析和現場爆破振動監測研究了地鐵區間隧道爆破開挖施工對33層混凝土高層建筑物的振動影響規律。李立功等[10]為降低重慶軌道5號線下穿建筑物爆破振動的危害，運用水壓爆破和延時起爆等方法有效控制了爆破振動。曹楊等[11-15]通過對城市隧道下穿建筑物爆破振動監測及減振爆破技術進行研究，通過優化設計掏槽方式、裝藥結構、延時爆破等措施，實現爆破振速的控制，確保了下穿建筑物的安全。但在上砂下巖復雜地層條件下淺埋隧道下穿建筑物的爆破振動控制研究不多。

本文以青島地鐵3號線一期工程萬年泉路站～李村站區間隧道爆破施工下穿萬隆商廈為工程實例，對上砂下巖復雜地層下地鐵隧道鉆爆法掏槽形式、爆破參數設計、裝藥結構及起爆網路進行優化設計，并將爆破振速理論計算值與實測數據進行對比分析探討，為以后類似工程提供借鑒。

1 工程概況

1.1 工程概況

青島地鐵3號線一期工程萬年泉路站～李村站區間隧道全長1 088.5 m，隧道結構埋深約11～21 m，區間隧道為6.35 m×5.9 m單洞單線馬蹄形斷面，采用礦山鉆爆法施工，臺階法開挖。隧道正線往李村站方向在近鄰李滄區商業步行街附近處下穿多棟建筑物，其中在K19+533.5～K19+590.0下穿萬隆商廈，該建筑物建成于1992年，地上9層，地下1層，框架結構、條形基礎，基礎距隧道拱頂垂直距離為10.94 m；區間隧道下穿萬隆商廈的長度為57.2 m，隧道拱頂部為飽水砂層，下部處于中風化巖層中，為上軟下硬地層，圍巖綜合等級為V級；隧道正線與萬隆商廈剖面位置關系如圖1所示。

圖1 隧道與萬隆商廈剖面位置關系Fig.1 Profile showing relationship between the tunnel and the Wanlong Commercial

1.2 工程重難點

該地鐵區間隧道下穿建筑物段位于青島李滄核心商業區，隧道周邊環境復雜，下穿建筑物段地質條件較為復雜，主要穿越飽水砂層及中風化巖層交接面，隧道拱頂部為飽水砂層，下部處于中風化巖層中(見圖2)，圍巖等級較差，爆破掘進施工對上部砂層擾動較大，有引起地表建筑物不均勻沉降的安全風險，爆破振動控制嚴。

圖2 上臺階砂巖交界Fig.2 Sand-stone boundary on upper step

2 爆破設計原則和安全判據

2.1 爆破設計原則

城市地鐵隧道爆破開挖過程中，為降低爆破振動對周圍建筑物的影響以及周邊環境的干擾，根據工程實際、地質條件、周邊環境情況，確定爆破設計原則如下。

1)為保證爆破施工的安全進行，爆破設計方案需嚴格按照《爆破安全規程》GB 6722-2014[16]進行設計、施工，設計方案還需進行爆破振動安全驗算。

2)采用“短進尺、多打孔、少裝藥、勤監測”的原則[16]進行爆破設計，嚴格控制單循環爆破進尺，多打孔增加爆炸臨空面，控制單孔裝藥量和單段最大起爆藥量，采用延時起爆網路，從而控制爆破振速在要求范圍內。

3)爆破方案設計應根據下穿建筑物和地質情況進行現場爆破試驗，以便取得更合理的爆破參數，并根據現場監測得到爆破振速數據，及時調整、動態控制。

2.2 爆破安全判據

為確保地鐵隧道掘進安全施工，降低或避免對下穿建筑物造成不利影響，根據《爆破安全規程》GB 6722-2014[16]和地鐵區間隧道上方沿線建筑物現狀調查情況，經專家論證會綜合考慮，確定隧道下穿該建筑物爆破振動速度安全控制值≤1.5 cm/s。

3 爆破參數設計

3.1 施工方法

地鐵隧道下穿萬隆商廈主要處于上砂下巖地層中，臺階法開挖，砂巖交界面位于上臺階，上臺階上部為砂層、下層為巖層，下臺階為中風化巖層；上臺階上部砂層爆破施工前先采用注漿加固后開挖，巖層部分采用松動爆破技術[17-18]，以“短進尺，弱爆破，強支護，快封閉”為作業原則，爆破進尺控制在0.5 m左右；在砂巖交界處采用增設一排減振空孔，既能將上部注漿加固體擾動影響降至最小，也能大大降低對地表建筑物振動影響；下臺階中風化巖層爆破時充分利用上臺階開挖形成的臨空面，采用延時爆破技術，爆破進尺為1 m。

3.2 鉆爆材料

鉆機選用YT-28型氣腿式鑿巖機，直徑42 mm。周邊孔裝填直徑φ20 mm的2號巖石乳化炸藥，其他炮孔裝填直徑φ32 mm的2號巖石乳化炸藥，非電毫秒延時導爆管雷管。

3.3 爆破參數

1)炮孔直徑。d=42 mm。

2)孔深。根據地質條件和爆破施工安全規程，上臺階開挖進尺為0.5m，孔深L=0.6 m；下臺階開挖進尺為1.0 m，孔深L=1.2 m。

3)炮孔布置及爆破參數。上、下臺階炮孔布置及爆破參數分別如圖3、圖4、表1、表2所示。

圖3 上臺階巖層爆破炮孔布置Fig.3 Layout of blasting holes in upper bench rock

圖4 下臺階巖層爆破炮孔布置Fig.4 Layout of blasting holes in lower bench rock

表1 上臺階巖層爆破參數

表2 下臺階巖層爆破參數

3.4 爆破振動安全校核

地鐵區間隧道下穿建筑物時，在隧道內爆破施工需要對上部建筑物進行爆破振動安全校核，此建筑物為框架結構，此處圍巖級別為Ⅴ級，上砂下巖，隧道下穿建筑物，砂巖交界面處于掌子面上臺階，上部人工配合機械開挖，下部巖層爆破開挖，由于是臺階法開挖，爆源距離應為建筑物距隧道拱頂距離+拱頂至下臺階起爆點距離，即R=10.94+4.66=15.6 m，爆破施工時最大單段裝藥量為1.2 kg，根據薩道夫斯基公式[16]：

(1)

式中：v為建筑物安全允許的最大振速，cm/s；Q為爆破最大一段裝藥量，kg；R為爆破區至被保護物距離，m；k為與爆破場地條件有關系數；α為衰減指數；k、α取值根據本工程地質實際現狀，同時參考《爆破安全規程》GB 6722-2014[16]中第13.2.4條以及中國礦業大學在青島地質情況與相關測試結果[19]綜合考慮：k取180，α取1.85，代入式(1)中計算：

計算結果表明：本爆破設計對下穿建筑物所產生的爆破振動控制在合理范圍之內，地表建筑物的安全得到了保證，滿足規范要求。

3.5 裝藥及填塞

為達到爆破施工效果，掏槽孔、底板孔采用連續裝藥，周邊孔采用間隔裝藥，裝藥后孔內剩余空間采用炮泥填塞；炮泥采用黏土與砂子(1∶3配比)的混合物。導爆管全長鋪設。并加強孔口填塞，裝藥結構如圖5所示。

圖5 炮孔裝藥結構Fig.5 Charging structure of blasting holes

3.6 起爆網路

采用非電導爆管起爆網路(見圖6)，起爆器擊發起爆，起爆網路的聯結順序[20-21]：毫秒雷管→導爆管→非電毫秒雷管。每段炮孔采用非電毫秒雷管延時起爆技術，不但能控制單段炮孔的起爆藥量，又能有效控制每段雷管間的起爆時間，使爆破振動效應不疊加，這樣既能保證巖石達到理想的爆破效果，又能有效降低爆破振動。

圖6 起爆網路Fig.6 Initiating circuit

4 爆破振動效果分析

為驗證本爆破設計對下穿地表建筑物的振動影響，在隧道爆破掘進施工時，采用TC-4850爆破振動監測儀對每一次爆破施工時地表建筑物進行振動監測，監測儀布置在隧道拱頂上方建筑物外墻上，隧道下穿建筑物時某一爆破掘進循環現場爆破振動監測波形如圖7所示。

圖7 某一循環爆破振動監測波形Fig.7 Blasting vibration monitoring waveform in a driving cycle

為有效控制爆破施工對地表建筑物的振動影響效果，對區間隧道下穿建筑物連續60次循環進尺最大爆破振速數據進行整理分析，得出每次爆破最大振速v與開挖循環次數n的變化關系(見圖8)。

圖8 爆破振速與開挖循環的關系Fig.8 Relation between blasting vibration velocity and driving cycle numbers

由圖8可以得出，區間隧道下穿建筑物實測爆破振速平均值為1.15 cm/s，大多數爆破振速實測值在爆破設計振速驗算值1.25 cm/s上下波動，均控制在建筑物要求的安全振速1.5 cm/s以內，爆破開挖過程中沒有出現爆破振速超標情況，區間隧道也順利通過萬隆商廈；由此可見，本爆破設計方案是切實可行，滿足隧道下穿建筑物的爆破振動安全要求，具有一定工程實踐意義。

5 結論

1)在復雜地質條件下城市鬧市區淺埋暗挖隧道下穿建筑物爆破施工時，通過采取“短進尺、弱爆破”的原則，充分提高炮孔利用率和降低裝藥量，上、下臺階分別以0.5 m和1.0 m進尺分步爆破掘進方案是可行的，既能有效降低爆破振動，又能保證隧道掘進進度。

2)上臺階砂巖交界面處增加減振空孔的措施，充分利用上部砂層開挖后形成的臨空面，采用松動爆破的方式，有效降低了爆破振動對上部注漿砂層的擾動，又降低了爆破振動效應，確保了下穿建筑物的安全。

3)針對青島地鐵3號線泉李區間復雜地質條件下穿建筑物段施工爆破振動控制標準嚴格的要求，通過方案理論設計與現場監測數據相結合，爆破設計方案取得了良好的爆破振速控制效果，實現了隧道下穿建筑物爆破振動控制的目標，可為今后類似城市地鐵淺埋隧道下穿建筑物爆破開挖振動控制提供參考。