减振技术在地铁基坑爆破开挖中的应用

尹志清，王建军

(中交隧道工程局有限公司， 广东 广州 511458)



减振技术在地铁基坑爆破开挖中的应用

尹志清，王建军

(中交隧道工程局有限公司， 广东 广州 511458)

针对广州市轨道交通四号线南延段1标段城市地铁基坑施工的复杂条件，采取了减震孔和微差延时起爆的控制爆破措施，确定最佳微差起爆时差为50 ms。在保证爆破安全的基础上，加快了施工进度，确保施工质量，取得了较为理想的施工效果。

基坑研究；微差爆破；减震孔；减震效果

1 基本工程概况

广州市轨道交通四号线南延段1标段位于广州市南沙区城市主干道金隆路旁，施工作业环境复杂，基坑两侧建筑物密集(如图1所示)，建筑物离基坑最近距离仅有12 m，基坑宽度为21～26.7 m，最大开挖深度19.6 m，开挖范围内分布较厚的中、微风化混合花岗层，围岩分级为Ⅴ～Ⅱ级，岩质坚硬，局部强度高达121.5 MPa。为满足周边环境的要求，达到防尘降噪无污染的效果，明挖基坑内的石方开挖采取控制爆破技术。

图1 地铁基坑施工作业周边环境

由于本区间所处地质条件特殊，岩石层上部为淤泥及砂质性粘土，局部还夹粉细砂，呈流塑状，自稳能力极差，易坍塌，地面沉降难以控制。在基坑开挖过程中，主要的难点表现在：

(1) 地下连续墙若遭到过大的扰动，其接缝处受到影响而形成过水通道，可能发生涌砂、涌水的现象；

(2) 地面沉降难以控制，在管线和建筑物区，地面沉降过大，易造成地下管线破坏和建筑物开裂，危及管线和建筑物安全；

(3) 周边为南沙第一中学和金隆路小学，建筑物离爆破施工区域较近，人员流量较大，周边复杂的环境对控制爆破施工要求较高，如防飞石、减振和减少环境污染等。

针对本工程的特点，开展爆破开挖施工方法研究，控制爆破危害的影响有着重要意义。

2 减振爆破方案设计

爆破空气冲击波、噪音、爆破地震、爆破飞石和有毒气体是复杂环境城市建设爆破开挖需要严格控制的爆破危害，其中爆破地震则是爆破危害控制的重中之重[1]。随着对爆破安全要求的进一步提高，国内外学者开展了大量的针对爆破地震的研究与分析[2-6]，从而给出有效的爆破振动安全控制，其中微差起爆减振技术就是一种较为可靠的方法[7-9]。它将整个爆破过程按照毫秒级时间间隔进行延时，孔间、排间按一定先后顺序依次起爆，是目前控制爆破最主要的方法手段之一，对于介质破碎率提高，爆破目标的分段解体，尤其是对爆破主要危害的爆破振动影响具有十分重要的作用[10]。

广州市轨道交通四号线南延段1标段城市地铁爆破开挖之前，地下连续墙施工工作已经完成，因此在进行石方爆破时，应尽可能减小对连续墙的扰动，确保基坑的施工安全，同时也要平衡施工进度与爆破安全之间的关系，保证整个施工过程安全、经济、高效。本次爆破采用中深孔、浅孔大孔径和浅孔小孔径相结合的爆破技术方案。爆破过程中控制地震波达到减振目的的主要方法有：开挖边线上的减振孔、微差起爆技术。单排减振孔设计及参数如图2所示，减振孔距离基坑外边轮廓75 cm，孔间距50 cm，孔径为11.5 cm，孔深21 m。为了防止减振孔内充水和填泥沙等物质，采用外径为11 cm的PVC管扦入减振孔内，PVC管长度与减振孔深相等，并对管两端进行密封。有时为了充分发挥减振孔的减振作用，也可以布设双排减振孔，基本参数与单排减振孔设计参数相同(如图3所示)，但排与排之间的排距设定为50 cm，减振效果更加明显。

图2 单排减振孔设计及参数示意

图3 双排减振孔设计及参数示意

另外一种较为行之有效的减振手段就是采用毫秒微差延时起爆技术，利用孔间、排间的微差时间间隔，降低一次齐爆爆炸当量，使同一时刻产生爆炸冲击波峰值得到控制，同时通过波的反向叠加控制进一步减小爆破振动，达到减振的目的。微差起爆的核心就是微差延时时间间隔，这一参数直接决定爆破的减振效果。对广州市该地铁基坑爆破开挖，在具体岩石参数下，合理确定爆破方案，并通过多次实爆实验测试分析，得到该项目采用微差起爆的合理微差间隔时间应该在40～110 ms之间，然后采用爆破振动智能监测仪和振动速度传感器测得不同微差起爆时差情况下的爆破振动峰值曲线，对比分析选取较优的微差起爆时差为50 ms，起爆网路如图4所示，孔间、排间微差起爆时间间隔均为50 ms。

图4 微差起爆网路示意

3 爆破效果对比分析

爆破产生的振动波的传播衰减过程与其借助的介质的基本特性有关，当振动波传播时经过不同的物体分界面时，由于两者基本特性有所差异，使得波在界面处发生反射或者透射，波的能量有所衰减或者降低，尤其是有较为明显的物理间断，如减振孔或者较大减振沟等。图5给出了减振孔对爆破速度峰值的影响，其中图5(a)是没有设定减振孔时的速度峰值曲线，其中最大峰值为2.06 cm/s，(b)和(c)分别为单排减振孔以及双排减振孔得到的速度峰值曲线，速度最大峰值分别为1.81 cm/s和1.26 cm/s，从图5中可以较为明显看出减振孔能够起到一定的减振效果，但一次齐爆爆破振动峰值仍然较大，这里需要采用微差起爆技术进行控制。

图5 减振设计对爆破振动的影响

在设定减振孔基础上，采用40，50，70，110 ms微差起爆延时时间试爆，并测得爆破振动曲线。对比测得的爆破振动峰值情况，认为较优的起爆时差为50 ms(见图6)，此时爆破振动峰值小于《爆破安全规程》设定的爆破地震波振动速度3 cm/s的阈值[10]，认为爆破振动危害控制较为成功。

图6 50 ms间隔微差起爆的爆破振动曲线(峰值为0.233 cm/s)

4 结 论

本文对广州市轨道交通四号线南延段1标城市地铁基坑爆破振动控制开展研究，分析、比较不同的减振手段，如减振孔或微差起爆技术对爆破减振所起的作用，通过实际测量和分析，给出较优的爆破振动控制方案，使得该段地铁基坑爆破开挖在安全、高效的情况下开展施工，为以后复杂环境下地铁基坑爆破开挖时爆破振动控制提供依据。

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2016-02-24)

尹志清(1975-)，男，河北邯郸人，高级工程师，主要从事爆破开挖、隧道工程方面的研究，Email:15874937857@163.com。