复杂环境下地铁明挖深基坑的爆破施工

张胜龙

(中铁十三局集团有限公司南京公司,210011,南京∥工程师)

在地铁车站施工中会遇到岩石基坑开挖。其基坑开挖的特点是地处闹市区、环境复杂,周围建筑物与设备需要保护,人来车往密度大,对爆破安全要求高,飞石和爆破地震波、冲击波等有害效应必须严格控制。岩石基坑开挖大多采用浅孔爆破法。这种方法作业时,需要布置较密集的炮孔,进行多次爆破,工作量大且因孔深较浅、填塞不好容易产生飞石。中深孔爆破具有机械化程度高、生产效率高等优点,只要措施得当,在地铁车站岩石基坑开挖中可以得到推广应用。

1 工程概况

南京地铁孝陵卫车站位于南京市孝陵卫地区中心、宁杭公路北侧、孝陵卫西沟左侧,车站南侧分布有南京市钟山医院、南京理工大学、南京市工业泵厂及居民小区,车站以北为邵家山森林公园的山体。紧邻车站南侧的地下管线有上水、污水、雨水、电力、煤气等12根管线。

本场地岩层为泥质粉砂岩、砂质泥岩、粉砂岩,呈互层或夹层沉积,本身非匀质性较为明显。岩层多为泥质、钙质或泥质胶结,水的软化作用明显。

孝陵卫车站为地下车站,采用明挖法施工,建筑形式为双层岛式站台。车站起点里程为K20+757.9,终点里程为 K20+927.05,长 167.4 m;车站标准段宽19.4 m,基坑深17.1 m,石方开挖量约为7万m3。

2 车站基坑爆破方案

根据施工环境、开挖深度、爆破后装运方面的考虑,采用分台阶分段中深孔微差松动爆破结合预裂爆破的施工方案。具体爆破方式如下：

1)按照爆破设计,首先从基坑北侧拉槽,形成稳定向北临空面,自南向北分台阶施工;

2)因爆区东西向较长加之地势西高东低,考虑到排碴运输方便,故采用自西向东分段施工;

3)基坑南边即车站与宁杭公路结合部,采用预裂爆破切断重要建构(筑)物与爆区联系等措施来降低爆破震动。

3 中深孔微差松动爆破设计

3.1 爆破参数

1)钻孔孔径d：依据钻机性能、台阶高度和地质条件,d选为89 mm。

2)台阶高 H：依据铲装设备的能力和作业条件,并参照地形特点,第一层台阶H取10 m,第二层台阶H取为7 m。

3)最小抵抗线W：按照孔径的倍数来确定,通常取(25～30)d,在这里选取W=2.5 m。

4)超深h：超深按公式h=(0.15～0.35)W 计算。根据施工现场岩石硬度情况取h=0.4～0.6 m;施工中选取h=1.0 m,第一次爆破后,根据开挖情况作适当调整。

5)孔距a：一般取3 m左右,根据施工中的岩性进行调整。

6)排距b：在炸药性能一定时,对爆破区岩石有一合理的单耗,在确定了孔径、孔距的条件下,可初步选定b为2.5 m。

7)填塞长度：通常取20～40倍的孔径作为填塞长度,可初步取为3.0～4.0 m。岩石风化程度严重和表层土层覆盖厚的地段,填塞长度取4.5 m。

8)单位炸药消耗量：炸药选用2号岩石乳化炸药。结合现场的地质条件及参照以往类似工程的施工经验,炸药单耗k=0.3～0.4 kg/m3左右。

9)单孔装药量Q：第一排孔按Q=kaWH计算,各参数值按上述选取;第二排孔及以后各排孔按Q=kabH计算。

以上参数在实际施工中,结合试验结果和爆破效果,可适当调整。装药结构采用连续柱状装药。中深孔爆破参数见表1。

3.2 爆破施工工艺

3.2.1 布孔操作和孔位选择

边孔与台阶边缘要保留1.0～2.0 m,以保证钻机安全工作。孔位根据设计要求经测量确定,但孔位要避免布在已被震松、节理发育或岩性变化大的地方;遇到这些地方,可以调整孔位。调整时要注意抵抗线、排距和孔距之间的关系。光面孔的钻凿质量是获得平整、规则的边坡坡面的基本条件。好的钻孔质量要求有符合设计的炮孔位置、方向和深度。其具体要求为“准、正、平、直、齐”。“准”是指钻孔要准确地钻在设计的孔位上;“正”是指钻孔方向要正确,不能歪斜;“平”是指各钻孔应互相平行;“直”是指各孔要钻得直,不能屈折;“齐”是指各孔均要钻凿到设计孔深,孔底应落在同一平面上。

表1 中深孔爆破参数表

布孔时还要注意：①开挖工作面不平整时,应选择工作面的凸坡或缓坡处布孔,以防止在此处因抵抗线过大而产生大块;②坡面角过缓时,要在坡脚处补钻浅孔,或者加大超深;③地形复杂时,应注意钻孔整个长度上的抵抗线变化,避免因局部地方的抵抗线过小而引起水平冲炮,造成飞石过远。具体布置见图1。

图1 爆破孔位布置图(单位：cm)

3.2.2 钻孔检查及排水

装药前必须对钻孔进行逐一检查。检查时发现有淤堵的钻孔,可以先用炮棍清理,淤塞的泥浆用高压风吹出。关键部位的钻孔如果不能清出堵塞物来,就要在旁边重新钻孔,否则将严重影响爆破效果。

为了防止堵孔,应该做到：

1)钻孔结束后及时将岩粉吹除干净,若不能吹尽,就要适当加大超深,用作留存岩粉。

2)特别注意钻孔的开门,不要打成喇叭状孔口。钻凿过程中发现岩石破碎容易塌孔时,可以用加泥浆的方法固壁封缝。

3)钻孔时随时将孔口岩渣和碎石清除干净并整平,防止它们掉落孔内。

4)钻孔完成后要封好孔口,遇到雨天时要用泥土或岩粉在孔口作一小围堰,并用塑料布或油毡盖好,防止雨水把岩粉冲入孔内。

5)钻完孔后要尽快装药爆破。

3.2.3 装药及填塞

装药量必须符合设计的药量,如发现孔位及抵抗线有所改变,应及时调整药量,但必须符合设计要求。装药时要用炮棍和炮锤装药。炮棍必须用木头、竹杆或塑料制作。如果钻孔孔壁岩石不平,则需用炮棍来清理,以保证装药顺畅。装药时根据设计的药量先在每一孔口放好要装的药,标明起爆药包位置。采用反向起爆的装药结构,在装药时要注意是否装到位,中间有无空段。即应经常用炮棍轻捣,以保证密实。

当地形特殊或有其它安全要求时采用间隔装药,把孔中炸药分成数段,使炸药的爆炸能量在岩石中能比较均匀地分布,还可以改善爆破质量。在间隔装药时,上部药包顶至孔口的垂直距离不能小于孔边距。间隔装药段数不宜过多,分为2～3段,但一般下部装药量要大于上部装药量。间隔装药时中间不装药部分一般用砂、岩粉等堵塞,不用捣固,只要倒入就可以,但要注意控制好堵塞段的长度;也可以不填塞而用空气作间隔。上、下装药段可以用导爆索串连起来同时起爆,或分别装起爆药包,也可延迟起爆。

爆破时孔口必须填塞,而且要保证填塞质量。填塞长度与最小抵抗线、钻孔直径和爆破区环境有关。填塞长度要取钻孔直径的20～40倍或大于抵抗线。在干孔中堵塞物可以用细砂土、黏土或凿岩时的岩粉,要防止混进石块砸断起爆线。装炸药过程中要经常检查起爆线路,防止因堵塞损坏起爆线而引起瞎炮。

3.3 起爆网路

本工程中采用非电导爆管雷管、孔内外非电微差起爆网路和多排孔微差爆破,间隔时间为50 ms,使用雷管的段别为2、4、6、7、8、9段,将一次起爆药量分为七响。采用排间微差爆破的目的是为了提高爆破质量,减少爆破震动,改善爆破效果,以提高工效。根据需要在钻孔中装不同段别的非电毫秒雷管,一般同排同段别。为了保证起爆的可靠性,中深孔内采用双雷管起爆。

孔外的导爆管雷管必须采取有效的保护措施,如用草袋或麻袋裹覆。

4 爆破安全

4.1 爆破震动的控制

爆破震动的控制标准按爆破技术规范要求的爆破垂直振动速度允许值进行控制,其中砖砌平房为0.8～1.0 cm/s,一般砖石结构及地下管线为1.5 cm/s,混凝土或钢筋混凝土结构为2.5 cm/s。

为保证地铁车站周边的地下管线和建(构)筑物的安全,在本次爆破工程实践中,主要通过以下几个途径来解决爆破震动问题：①采用微差毫秒爆破技术,减少一次起爆药量;②改变爆破网路的连接方式,控制起爆方向,使起爆的炮孔连线的中垂线偏离被保护建(构)筑物;③通过规划分台阶、分段别顺序,使爆破震动对建筑物的影响降到最低面;④通过采用预裂爆破等技术切断建(构)筑物与爆区联系等措施来降低爆破震动;⑤爆破过程中加强监控量测,及时调整爆破设计及参数。

4.2 爆破飞石的控制

为控制爆破飞石,要保证孔口填塞长度及质量;控制前排炮孔抵抗线不能过小;对爆破区域采用重型汽车轮胎帘进行覆盖防护;对裂隙空腔局部装药量采用间隔填塞装药、空气间隔装药、控制装药量等措施以防止飞石。为防止飞石,爆破时应采取临时封锁交通,以确保安全。

4.3 爆破监测

为保证工程的安全和做到信息化施工,结合施工环境和工况情况,本工程的监测由工程安全监测和周围环境监测两部分组成。其主要目的是掌握爆破对周围环境的影响,及时反馈给施工和设计部门,以确保本工程及邻近建(构)筑物的安全。监测项目主要有：基坑圈梁及边坡的水平位移,周边道路(管线)及地表的沉降,周边建(构)筑物的沉降,以及爆破震动等。

5 经验与体会

1)在本工程中,采用中深孔分阶分台段微差松动爆破,发挥了大型机械设备的优势和工作效率,机械化施工程度高、进展快,为工程顺利进行创造了条件。

2)在复杂条件下,爆破安全问题尤为重要。本工程通过采取一系列技术措施,有效地降低了爆破震动,控制了爆破飞石,保证了安全施工。

3)中深孔爆破孔内宜采用双雷管起爆,孔外网连接要采用复式网路,以增强起爆、传爆的可靠性,避免出现盲炮。

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