城市轨道交通复杂环境下明挖区间控制爆破技术——以徐州轨道交通1号线一期振兴路站—徐州东站明挖区间为例

朱明勇

(徐州市城市轨道交通有限责任公司， 江苏 徐州　221000)



城市轨道交通复杂环境下明挖区间控制爆破技术
——以徐州轨道交通1号线一期振兴路站—徐州东站明挖区间为例

朱明勇

(徐州市城市轨道交通有限责任公司， 江苏 徐州221000)

摘要：为了在自身地质条件复杂，且外部存在交叉作业、无法实施封闭爆破施工的条件下，控制露天爆破振动及飞石对周边构建筑物的影响，以徐州轨道交通1号线一期地下市政工程振兴路站—徐州东站明挖区间爆破控制为例，采取减震带措施降低振速35%；主爆区通过严格控制同响最大装药量，合理布设炮孔和设计装药参数，使炮眼利用率超过90%；边坡采用预裂爆破技术成型较好，残眼率85%，超挖不超过15 cm；采取堵塞覆盖措施，有效控制了爆破飞石；通过联合警戒防护，避免了交叉施工、人群车辆繁多的风险；历时6个月开挖完成20万m3，取得了良好的进度、安全和成本效益。结果证明所采用的技术方法合理、安全，能够确保邻近高层建筑物的安全。

关键词：轨道交通； 明挖区间； 复杂环境； 控制爆破； 建筑物安全

Controlled Blasting Technology for Cut-and-cover Metro Tunnel in

0引言

目前，国内露天浅孔、中深孔爆破技术较成熟，主要用于矿山开采、野外爆破施工。工程建设者、学者们对野外露天爆破技术进行了许多卓有成效地研究及技术创新。文献[1]主要阐述深孔爆破飞石及振动控制措施；文献[2]主要阐述边坡预裂爆破成型质量控制；文献[3]主要阐述通过挖沟槽降低爆破震动的研究。但在城市轨道交通建设中，特别是在周边环境复杂区域修建区间隧道时，一般采用矿山法或者盾构、TBM掘进，很少有整个区间采用明挖露天爆破施工的经验。徐州市城市轨道交通1号线一期地下市政工程振兴路站—徐州东站站明挖区间，地处经济开发区，场区地表为灰岩，同期周边还有在建楼房，采用明挖爆破法开挖。本文通过结合减震措施、浅孔台阶爆破、预裂爆破和警戒防护等一系列综合技术措施，总结出了一种在城市区进行明挖爆破施工控制的有效方法。

1工程概况

徐州市城市轨道交通1号线一期地下市政工程振兴路站—徐州东站站明挖区间长874 m，放坡开挖深度12.7～15 m，宽度22.9～42.4 m，场区地表为灰岩，开挖范围为中风化岩层，强度等级59 MPa，爆破量约25万m3。区间线路穿越正在开发建设的房地产用地范围，线路右侧平行布满了13栋正在建设的高层楼房，楼房为筏板基础，已建层数6～23层不等，基础距离爆破区间15 m(见图1)，周边环境复杂，与房建交叉施工干扰极大(见图2)。

图1　区间明挖与建筑物关系平面图

Fig. 1 Plane sketch showing spatial relationship between cut-and-cover tunnel and buildings

图2　区间邻近在建楼房实景

Fig. 2Buildings under construction adjacent to the cut-and-cover tunnel

区间开挖范围勘察施工的59个钻孔中见溶洞31个，钻孔见洞率52.54%，场区溶洞多以硬塑黏性土充填，结构致密性较差，透水性较强。地质坡面见图3。

2施工方法及技术措施

本工程爆破作业为连续高强度生产，工期紧、安全问题突出、环境保护要求高。选定紧邻建筑物侧边坡部位2 m范围先采用预裂爆破形成减震带(爆破后岩体不清除)，再采用浅孔台阶爆破开挖中间岩体，钻孔采用YT28风钻配合φ90 mm潜孔钻机钻眼，采取人工装药、联线起爆方式施工。

图3　区间地质纵断面图

Fig. 3Longitudinal profile of geological conditions of the cut-and-cover tunnel

爆破作业流程如下： 施爆区构建筑物调查—清除施爆区土层和强风化岩面—爆破设计审批—放样布孔—钻孔—炮孔检查—装药范围警戒—装药连线—预警(人员清理疏散)—起爆—清除瞎炮—解除警戒。

2.1爆破器材的选择

乳化炸药采用小药卷φ25 mm(单节长20 cm，质量为150 g)、φ70 mm节装乳化炸药(单节长35 cm，质量为1.2 kg)以及粉状炸药；雷管采用3、9段非电毫秒雷管；其他还需导爆管、导爆索、起爆器和竹片等。

2.2同响最大装药量控制

根据萨氏公式

v=K(Qm/R)α。

式中：v为振动速度，cm/s；K、α为场地系数(与地形、地质条件有关的系数和衰减指数)；Q为同段起爆药量，kg；R为爆心距,m；m为装药指数，取1/3。

通过爆破前试爆确定场地系数按α=1.7、K=230考虑；允许振速v按文献[4]爆破振动安全允许标准的新浇大体积混凝土初凝至3 d允许振速上限2.0 cm/s控制；爆心距按距离房建基础15、20、25、30、35和40 m计算；允许同响最大装药量见表1。

表1　允许同响最大装药量

2.3爆破参数设计

根据作业特点按减震带预裂爆破、主爆区浅孔台阶爆破进行爆破参数设计，减震带与主爆区分区见图4。

2.3.1预裂爆破参数

1)炮孔间距根据经验公式a=(8～12)，式中D为钻孔直径，取40 mm；则a=(8～12)×40=320～480 mm；硬岩取大值、软岩取小值，本设计选用400 mm。

2)不耦合系数根据经验公式取D/d=40/25=1.6。

图4　减震带与主爆区分区示意图

Fig. 4Schematic diagram of vibration damping zone and main blasting zone

3)线装药密度按文献[5]长江科学院经验公式计算，q线=0.034(σ压)0.63×(d)0.67= 0.348，式中：q线为一炮孔的线装药密度，kg/m；σ压为岩石极限抗压强度，MPa；d为钻孔直径。

4)孔底装药一般取线装药量的3～4倍，装药长度1.0～1.5 m。因紧邻构建筑物需控制振速，孔底不多装药，采用等间距均匀装药，但孔底超深主爆区0.5 m。

5)一般在预裂孔与主爆孔之间布设缓冲孔。本工程采用紧邻绿地建筑物侧预裂孔先爆破(超前主爆孔区50 m)，再进行主爆区钻孔装药爆破，故不设缓冲孔。

经计算沿设计坡面角度采用YT28风钻钻φ40 mm孔，钻孔间距40 cm/个，深度4.0 m，排距60 cm，共装5卷，每卷150 g，单孔总装药量0.75 kg。孔内药卷采用导爆索串联，孔外延时逐孔起爆。

2.3.2主爆区浅孔台阶爆破参数

爆破孔依据最大单响起爆药量的控制要求，主爆区浅孔台阶爆破的主要参数有孔径、抵抗线、孔深、间距、排距、堵塞长度、装药量。浅孔台阶爆破要素见图5[6]。

1)孔径D。采用潜孔钻机钻孔，孔径D为90 mm。

H—台阶高度；L—炮孔深度；l—装药长度；h—超深；W—最小抵抗线；W0—底盘抵抗线；B—孔边距。

(a)

a—孔距；b—排距。

(b)

图5浅孔台阶爆破要素示意图

Fig. 5Schematic diagram of shallow hole bench blasting

2)孔深L。L≤5.0 m；设计H取3.5 m；钻孔超深h=(0.15～0.35)W0，取h=0.25×2 m=0.5 m；则L=H+h=3.5+0.5=4 m。炮孔利用率87.5%。

3)底盘抵抗线W0。W0=(0.4～1.0)L，取W0=0.5×4.0 m=2.0 m。

4)间距a。a=(1.0～2.0)W0，设计a=1.0W0=2.0 m。

5)排距b。b=(0.8～1.0)a，取b=0.8a=1.6 m。

6)堵塞长度L2。L2=(1/2～1/3)L，取L2=1/2L=2.0 m。

7)单耗q。根据施工现场岩石的硬度情况，一般取q=0.25～0.5 kg/m3，本工程取q=0.45 kg/m3。

2.4布孔

计算得出预裂爆破布孔参数见表2，浅孔台阶爆破布孔参数见表3。

表2　预裂爆破参数表

表3　浅孔台阶爆破参数表

2.5装药和堵塞

预裂爆破孔采用轴向不耦合间隔装药，药卷采用竹片固定，预留空气柱间隔，为了充分利用空气柱的缓冲、均压作用，采用正向起爆[7]，炮孔无需堵塞。轴向不耦合间隔装药见图6。

图6　轴向不耦合间隔装药示意图

Fig. 6Schematic diagram of axial non-coupling discontinuous charging

主爆区浅孔台阶爆破孔均采用孔底向外连续装药。为了保证爆破效果,炮孔用钻孔返出石粉填塞并捣实，以确保堵塞质量。

2.6连线

爆破网络为非电毫秒雷管孔外延时逐孔起爆, 延期毫秒雷管可跳段使用，段位间隔时间不小于100 ms，能避免震速峰值地震波相叠加而加大爆破振动[8]。为了使爆破达到最佳效果，采用炮孔反向起爆，即将雷管置于炮眼最底层药卷上进行引爆。预裂爆破网络连接见图7，浅孔台阶爆破网络连接见图8。

2.7爆破减震技术

2.7.1选择合适的爆破器材

通过优选炸药，使炸药与岩石的波阻抗尽可能匹配，以最大限度发挥炸药效率，达到减小装药量的目的。在国内不少工程项目施工中，通过与厂方合作，优选炸药，取得了良好的效果。

2.7.2控制同段最大装药量的振动速度

爆破振动速度与同段起爆的装药量有关，也与装药结构和各炮眼起爆顺序和间隔有关，与总装药量无关，综合各种因素严格控制装药量，以达到控制震速的目的。

图7　预裂爆破孔外延时逐孔起爆网络图

图8　浅孔台阶爆破孔外延时逐孔起爆网络图

2.7.3合理的起爆顺序和时间间隔

采用分段非电毫秒雷管通过孔外延时逐孔起爆，选择各段间隔时间不小于100 ms，以避免爆破震速重叠，控制爆破震速在允许值内。

2.7.4采取减震带措施

能有效降低爆破震速，在减震带形成后进行多次爆破试验，单响最大装药量1.8 kg，在采取了减震带侧距离20 m和未采取任何措施的另一侧20 m处，同时埋设振速监测仪，得出按以上减震带参数能衰减约35%的振速[9]。未采取减震带措施振速监测图见图9(2014年5月12日未采取任何措施段监测)，采取了减震带措施振速监测图见图10(2014年5月12日减震带段监测)。

图9　未采取减震带措施振速监测图(1.9 cm/s)

Fig. 9Vibration velocity measured when no vibration damping zone is arranged (1.9 cm/s)

图10　采取减震带措施振速监测图(1.2 cm/s)

Fig. 10Vibration velocity measured when vibration damping zone is arranged (1.2 cm/s)

2.8边坡预裂爆破成型技术

为了保证边坡成型质量控制超欠挖，选定采用预裂爆破技术，竹片等间距固定装药，孔内药卷采用导爆索串联起爆，炮眼利用率90%，炮孔残眼率达到85%以上，超欠挖控制在15 cm以内。边坡预裂爆破边坡效果见图11。

图11　预裂爆破边坡效果照片

3安全技术措施

3.1溶洞风险及处理措施

开挖范围存在大量溶洞，若溶洞处理不当，爆破装药会出现串孔、药量不均等问题，从而造成局部爆破威力过大的危险。因此，需采取以下技术措施：

1)开挖前分层采用地质雷达扫描开挖范围的地质情况，对异常区域进行标识，采取钻孔验证。若发现溶洞，应提前进行注浆处理。

2)爆破钻孔过程中一孔一表，详细记录钻孔是否存在地下水、破碎夹泥和地下溶洞。存在地下水的区域采用防水药卷装药，破碎夹泥区域少装药加强堵塞和覆盖，地下溶洞根据区域大小选择不装药或者注浆处理。

3.2爆破飞石风险及控制措施

爆破易产生飞石，飞石易造成周边人员、构建筑物伤害。根据文献[10]可采取以下技术措施：

1)采用钻孔产生的石屑、碎石封堵炮孔，炮孔封堵长度为孔深的1/3，且不小于1 m，堵塞严密。

2)炮孔口压制砂袋。

3)在爆破范围覆盖一层炮被，炮被采用汽车轮胎橡胶皮编制。

4)炮被上方采用钢丝绳整体连接，钢丝绳四角锚固牢固。

3.3爆破振动对构建筑物安全风险及控制措施

如果爆破振动过大，会对周边在建楼房结构造成破坏，需采取以下技术措施：

1)在爆破开工前及后续爆破过程中，委托第三方调查、更新周边构建筑物的外观质量，对楼房自身存在质量缺陷的部位进行共同见证、拍照存档。

2)在绿地楼房侧，顺边坡先爆破形成一条减震带，以衰减振动的传播。

3)通过试爆确定场地系数K、α值，根据不同爆心距计算不同部位的单响最大装药量。

4)技术员跟班监督，采用定量装置每孔装药，做好每孔记录，避免随意装药、少装、超装。

5)采用孔外延时逐孔起爆连线方式，仔细检查连线是否正确。

6)每炮进行振速监测，监测点埋设在最近受保护建筑物基础上。

7)在楼房混凝土浇筑至终凝前不得进行爆破施工。

3.4安全警戒风险防护措施

安全警戒不到位，易造成周边人员伤亡和建筑物损伤，需采取以下防护措施：

1)爆破安全规程规定爆破警戒范围为200 m，实际根据装药量大小计算抛掷距离及冲击波安全距离。

2)装药警戒。城市施工火工品由民爆公司配送，当火工品到场后，开始警戒，装药时采用警戒带隔离警戒防护，由安全员巡守，非作业人员不得进入警戒范围。

3)预警信号。当装药完成、清点火工品后，爆破总指挥发出预警信号，预警信号采用广播喇叭通知，开始爆破范围内的清理工作(具体做法如下： 在每个区域爆破前，勘察现场后选定爆破警戒点，形成警戒防护网络，每个岗位制定专人值守，持对讲机与爆破总指挥联系；爆破总指挥按顺序询问每个警戒点人员到位情况，得到确认；爆破总指挥按顺序询问每个警戒点人员疏散情况，得到确认)。

4)起爆信号。当爆破总指挥确认具备安全起爆条件后，采用对讲机通报倒计时发出起爆指令，由爆破员得到指令后起爆(起爆员紧跟总指挥)。

5)起爆后由爆破员进入爆破警戒范围内检查盲炮、瞎炮，当确认安全后，告知总指挥，由总指挥发出解除爆破警戒信号。在此之前，岗哨不得撤离，不允许非检查人员进入爆破警戒范围。

4结论与讨论

在城市复杂周边环境条件下，通过严格控制同响最大装药量，合理布设炮孔和设计装药参数，采取减震带措施，未对周边构建筑物造成影响；边坡采取预裂爆破技术成型质量较好；采取堵塞覆盖措施，有效控制了爆破飞石；通过联合警戒防护，避免了交叉施工、人群车辆繁多的风险。但是，在实施过程中，基坑主爆区全幅断面采用竖直打眼爆破，存在爆破后出渣与边坡网锚喷支护工序组织困难的问题，与已完成的研究工作相比，本文主要阐述城市周边复杂环境下分区域采取不同爆破参数施工(主要为预裂爆破、浅孔台阶爆破不同爆破参数)，以及预裂爆破控制边坡成型质量，并形成隔离带，通过实践证明该地层及减震带参数能衰减约35%的振速。通过采取文中措施，历时6个月开挖完成20万m3，取得了良好的进度、安全和成本效益。下一步徐州市城市轨道交通徐州东站站将邻近京沪高铁施工，如何控制爆破振动及飞石防护，以及不影响高铁运行线设施的安全是后续研究的方向。

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Complicated Environment: Case Study on Running Tunnel from

Zhenxinlu Station to Xuzhoudong Railway Station of Line 1 of

Xuzhou Rail Transit System

ZHU Mingyong

(XuzhouUrbanRailTransitCo.,Ltd.,Xuzhou221000,Jiangsu,China)

Abstract:The running tunnel from Zhenxinlu Station to Xuzhoudong Railway Station of Line 1 of Xuzhou Rail Transit System is constructed by cut-and-cover method. The running tunnel is located in complicated geological and surrounding environment, therefore controlled blasting is carried out to minimize the impact of the vibration and flying stones on the adjacent buildings. Vibration zone is arranged, which reduces the vibration velocity by 35%; the maximum charging quantity of single blow in the main blasting zone is strictly controlled and the blast hole parameters and the charging parameters are properly determined, which ensures more than 90% blast hole utilization ratio; pre-splitting blasting technology is adopted for the slopes, which ensures 85% blast hole trace ratio and less than 15 cm overbreak; effective stemming and covering measures are taken, which brings the flying stones under effective control; comprehensive warning and protection measures are taken, which minimizes the safety risks on the surrounding environment. In the end, 200 000 m3rocks have been excavated within 6 months, and satisfactory construction progress, safety and cost efficiency have been achieved. The practice shows that the technologies adopted are rational and effective.

Keywords:rail transit; cut-and-cover tunnel; complex environment; controlled blasting; building safety

中图分类号：U 455

文献标志码：B

文章编号：1672-741X(2015)12-1315-06

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2015.12.013

作者简介：朱明勇(1969—)，男，江苏沛县人，2001年毕业于南京理工大学，思想政治教育专业，本科，高级工程师，现从事工程管理工作。

收稿日期：2015-03-17; 修回日期: 2015-07-10