水壓光面爆破在大斷面淺埋地鐵車站主體隧道運用＊

申秦川，應 杰，陳高生

（1.重慶市住房和城鄉(xiāng)建設工程質量總站，重慶 400000；2.中國建筑第五工程局有限公司，重慶 400000）

隨著社會的不斷發(fā)展，由于隧道施工而給臨近環(huán)境帶來的不良影響越來越受到人們關注。在采用常規(guī)鉆爆法對工作面施工時，會產生較大的機械振動和噪聲，同時可能因地表沉降對周邊既有建筑造成安全隱患。在過去的幾十年里，已有較多學者對隧道爆破施工工藝做了大量研究和優(yōu)化，既有研究成果有光面爆破技術、靜態(tài)爆破技術、水壓光面爆破技術等[1]。其中水壓光面爆破技術在控制隧道超欠挖、炸藥用量、振動幅值等方面有較大優(yōu)勢，同時其極小的粉塵污染符合目前的綠色施工理念，在降低爆破危害上效果顯著[2]。

1 工程概述

悅港大道站位于重慶市渝北區(qū)，屬于軌道交通5號線北延伸段地下工程。車站位于秋成大道下方。巖層從上到下分別為填土層、粉質黏土層、沉積巖層。沉積巖層由頁巖、砂泥巖和砂巖組成，砂泥巖交界處巖性較差，為軟弱結構面。巖體裂隙較發(fā)育，為塊狀結構，結構面受構造裂隙控制，無斷層。巖層產狀：258°＜38°，巖層傾角較大，順層開挖具有滑塌風險。悅港大道站頂部距離地表15.2～18.5 m，站臺分為站廳和站臺兩層，屬于島式暗挖車站。局部地段拱頂位于填土段。其中約25.8 m 拱頂位于填土段，最深覆巖僅14.6 m，圍巖為頁巖與泥巖互層，且以頁巖為主，為淺埋隧道。車站左側走向與層面小角度相交，隧道易沿層面局部產生滑塌破壞，存在著由于圍巖擾動而帶來局部失穩(wěn)的風險，因此在開挖時需嚴格控制爆破對圍巖的擾動。本工程主要的工程風險為淺埋暗挖大斷面隧道帶來的工程自身風險和工程建設對周邊環(huán)境造成的風險[3]。

2 隧道施工方案

2.1 總體施工設計

由前期地勘報告可知，本車站的圍巖等級為IV級，埋深在15.2～18.5 m。車站施工共分3 個斷面A1、A2、A3，其中A1 斷面面積為445.07 m2，A2 斷面與A3 斷面面積都為446.63 m2。3 個斷面均采用雙側壁導坑法施工。其中A2 斷面和A3 斷面上部分處于土石回填區(qū)，通過人工配合機械的方法開挖，剩余部分通過鉆爆法進行開挖。

由于車站隧道位于城市道路下，埋深30 m 以內，且車站附近環(huán)境復雜，故車站隧道施工需要采用水壓光面控制爆破，控制城市道路路面及周圍建筑物處爆破震動速度一般不超過1.5 cm/s，同時滿足相關構筑物及設備防震動要求。

2.2 開挖方法

如圖1 所示，本車站隧道采用雙側壁導坑法開挖，每個施工循環(huán)分為九步，除了局部上半斷面采用機械開挖外，均采用鉆爆法施工，注意“管超前、嚴注漿、短開挖、強支護、早封閉、勤量測”的施工原則。根據位移量測結果，評價支護的可靠性和圍巖的穩(wěn)定狀態(tài)，及時調整支護參數。在施工當中，為確保人員生命安全，先進行超前地質預報，再根據實際情況，確定支護是否合理，做到動態(tài)施工。將工作面清理之后，進行測量放線，然后施作超前支護并注漿，最后進行開挖。本工程雙側壁導坑每臺階長度控制在3～5 m，核心土每臺階長度控制在3 m 左右。

圖1 雙側壁導坑法施工工序圖

3 水壓爆破技術開挖

3.1 水壓爆破介紹

為確保安全文明施工，引進先進施工工藝，悅港大道站嚴格采用水壓爆破開挖。隧道水壓光面爆破與隧道常規(guī)光面爆破的爆破設計和開挖方式基本相同，施工過程沒有增加太多工作量[4]。唯一不同的是水壓光面爆破的炮眼里增添了水袋，如圖2 所示。

圖2 水壓爆破圖

水壓爆破的炮眼中炸藥被水袋包住，爆炸產生的能量首先傳到水中，再由水傳遞到與之接觸的圍巖，由于水的不可壓縮性，此過程中爆炸能量損失較小，這樣相較于常規(guī)爆破更加有利于圍巖破碎。除此之外，會在爆破區(qū)產生大量水霧，有效減輕灰塵飛揚，避免瓦斯爆炸[5]。

3.2 炮泥及水袋的制作

如圖3 所示，把水裝入長200 mm、直徑35 mm的長條狀塑料袋中，塑料袋厚0.1 mm，具有一定強度，防止其在裝進炮眼時出現剮蹭破裂的情況。采用定制的自動灌水封口機，加工效率高，每小時可制作700個水袋。

圖3 水袋

炮泥使用特制的炮泥機加工，長200 mm，直徑35 mm。炮泥由土、砂和水混合組成，注意采用的黏土不能夾雜碎塊，砂采用普通河沙即可，土、砂、水的比例控制為0.76∶0.9∶0.15，將三者攪拌均勻后放入炮泥機，將其加工成如圖4 所示的炮泥。按照以上比例加工出的成品炮泥，具有軟硬適中的優(yōu)點。

圖4 炮泥

3.3 水壓光面爆破裝藥工序

按設計爆破要求，準備好炮棍和相應數量的絕緣膠帶；將提前加工好的水袋和炮泥放置在工作面附近；每個炮孔（除掏槽孔）放置1 個水袋，利用炮棍將其推入孔底；將炸藥和導爆雷管裝入炮孔；再次裝入水袋，將炮泥回填深度控制為40 cm（掏槽孔可視實際情況增加炸藥用量，減少水袋用量）；利用炮泥封堵炮孔；聯線起爆。

4 隧道施工爆破設計

4.1 起爆方式及順序

在隧道爆破施工現場，常采用并聯、并簇式起爆方式。本施工段采用毫秒延時雷管，隔段使用雷管進行爆破。起爆順序為：掏槽眼→輔助眼（掏槽區(qū)以外）→底板眼→輔助眼（內層）→內圈眼→光面爆破眼。為了保護臨近既有建筑物及管線的安全，振速不得超過1.5 cm/s。

4.2 水壓光面爆破參數設計

4.2.1 A、D 斷面爆破參數設計

關于建立罪犯離監(jiān)探親常態(tài)化機制的探索與思考四川省監(jiān)獄管理局獄政管理處、四川省崇州監(jiān)獄聯合課題組（2018年第7期）

炮眼數目估算公式如下：

式（1）中：q為單位炸藥消耗量（根據類似工程相關經驗，設計取q=1.1 kg/m3）；S為坑道斷面面積（取34.6 m2）；α為裝藥系數（概略綜合取值為0.4）；r為炸藥密度（取1 kg/m）。

計算得：N=1.1×34.6/（0.4×1）≈95 個，實取N=87 個。

每循環(huán)炸藥總量計算公式如下：

式（2）中：η為炮孔利用率，一般為0.8～0.95，本設計取0.85。

Q=qSLη=1.1×34.6×1.2×0.85≈38.8 kg，取37.6 kg。

掏槽孔的深度L1=1.2/sin70°≈1.2 m，L2=1.2/sin90°=1.2 m；輔助孔深度L=1.2 m；拱孔深度L拱＝1.3 m；底眼長度L底=1.3 m。

為鉆眼方便，根據圍巖情況，各周邊眼眼口均距輪廓線10 cm，其眼底超出開挖輪廓線10 cm。

單孔裝藥量：據經驗數值裝藥系數，掏槽眼α掏=0.5，輔助眼α輔=0.35～0.4，底板眼α底=0.45，幫孔α拱=0.15～0.2。

Q掏1=α掏1·r·L=0.6×1.28≈0.77 kg，取0.8 kg。

Q掏2=α掏2·r·L=0.45×1.2≈0.54 kg，取0.55 kg。

Q輔=α輔·r·L=（0.35～0.4）×1.2≈0.42～0.48 kg，取0.45 kg。

Q底=α底·r·L=0.45×1.3≈0.58 kg，取0.6 kg。

Q拱=α拱·r·L=0.2×1.3≈0.26 kg，取0.3 kg。

掏槽眼布孔及掏槽孔剖面：掏槽眼為垂直楔形掏槽，掏槽眼與開挖面間的夾角α分別為70°，上下兩對炮眼間的距離a=60 cm，同一平面上兩炮眼眼底的距離為10 cm，采用二級掏槽。同一平面兩掏槽炮眼的距離B=1.07 m，如圖5 所示。

圖5 掏槽孔剖面示意圖

4.2.2 總孔孔位布置圖

經測量計算得車站主體結構總孔孔位布置圖，如圖6 所示。

圖6 總孔孔位布置圖

4.2.3 炸藥用量

整個車站分九部分鉆爆開挖，循環(huán)進尺約1.0 m，一個循環(huán)總體積為446 m3，炸藥量為363.1 kg，最大單段藥量4.8 kg，平均單耗約為0.81 kg/m3。

5 效益分析

經現場實際對比，本工藝主要區(qū)別于常規(guī)爆破工藝的特點如下。

第一，經實踐測得，相對常規(guī)爆破，隧道進尺提高了0.1 m，降低對掌子面前方圍巖的擾動，形成平整度較高的作業(yè)面，一定程度上降低了傾角巖層安全隱患，如圖7 所示。第二，相對于常規(guī)爆破不耦合性間隔裝藥填充的空氣柱而言，水壓爆破法其間隔裝藥結構所采用的水袋充分利用沖擊波在水中的傳播速度比空氣中快且無損失性和爆破的封堵，充分利用了炸藥的有效能量，可節(jié)約炸藥量17%左右。第三，本工程實際最大振速均小于或等于1.0 cm/s，基本確保了周邊建（構）筑物及既有市政道路的安全。第四，使用水袋替代空氣柱，將爆破能量分散均勻作用于巖面，有效控制爆破能量對圍巖的擾動，降低了爆破形成“臨空面”后的陡傾角圍巖垮塌和自由下滑的不良特性，形成了較好的光面爆破效果。第五，水袋在爆破后形成的“水契”作用（即水霧與固體顆粒結合），降低了揚塵和炮煙污染，并節(jié)約通風時間及所用電量。

圖7 陡傾角頁巖中水壓爆破效果

6 結論

本文所述的水壓爆破法，在悅港大道地鐵車站隧道開挖過程中得到了實際應用。實際情況表明：①該方法有效減輕了爆破施工對圍巖的擾動，極大程度保證了圍巖的整體穩(wěn)定性；②相對于常規(guī)爆破而言，節(jié)約了爆破材料約17%；③加快了施工進度，減少了人工成本，提高了經濟效益；④有效降低了爆破產生的粉塵濃度和噪聲，符合綠色環(huán)保要求，保障了施工人員的身體健康，取得了良好的社會效益。