中深孔控制爆破在长沙地铁基坑岩石开挖中的应用

毛益松,单志国,祝振生,陈章明

(1.国防科学技术大学, 湖南长沙 410073;2.湖南长工工程建设公司, 湖南长沙 410003;3.中铁隧道集团公司, 广东深圳市 518052)

中深孔控制爆破在长沙地铁基坑岩石开挖中的应用

毛益松1,单志国2,祝振生3,陈章明2

(1.国防科学技术大学, 湖南长沙 410073;2.湖南长工工程建设公司, 湖南长沙 410003;3.中铁隧道集团公司, 广东深圳市 518052)

结合长沙市地铁 2号线体育公园站基坑岩石开挖工程实例,介绍了中深孔爆破技术在地铁基坑岩石开挖中的应用,并就爆破震动对旋挖桩围护结构的影响进行了分析。阐述了在巨厚砾石的地质条件下爆破方案选择、爆破参数优化、起爆网路的设计和爆破安全校核与防护。

基坑开挖;中深孔爆破;微差爆破;旋挖桩

1 工程概况

长沙市轨道交通 2号线体育公园站位于长沙市雨花区劳动东路上,为 2、3号线换乘站。2号线车站垂直劳动东路呈南北向布置,车站长 180.2 m,宽20.7 m,深 17.2 m;3号线车站平行劳动东路呈东西向布置,车站长 141.4 m,宽 20.9 m,深 23.3 m,需爆破方量约 120000 m3。车站采用旋挖桩 +砼(钢)内支撑的支护形式。基坑岩石地质主要是强风化泥质粉砂岩和中风化砾岩。强风化泥质粉砂岩泥质粉砂结构、泥质胶结差、极软岩;中风化砾岩碎屑结构、厚层状构造、泥质胶结为主、胶结程度较好,砾石多为板岩、泥岩,少量石英岩。

周围环境如图1 所示,车站东侧和西侧为劳动东路主干道,双向 8车道,东南角为长沙国中星城置业有限公司万国商业广场,距离基坑边 97 m;南侧为规划体育公园、焰火广场,目前为山地;北侧为规划中的体育新城,目前为棚户区,距离爆破面 68 m。

图1 周围环境示意

2 爆破总体方案

(1)爆破区划分及开挖爆破顺序。为保护基坑周边围护结构不受损害,考虑周边建筑安全等,采用“V”型掏槽爆破,形成一定深度、长度的沟槽。有了侧向自由面后,再在槽两侧钻孔进行台阶松动爆破。由于基坑爆破深度较大,爆破需分层进行,爆破顺序为“掏槽～台阶”,如图2所示。开挖爆破顺序为①-②-③-④-⑤-⑥,其中③、⑤、⑥部分为弱松动控制爆破区,②、④部分为松动控制爆破区,①部分为加强松动爆破区。

图2 2号线爆破顺序

(2)靠近旋挖桩围护结构的爆破。为最大减少爆破对旋挖桩的震动影响,离旋挖桩 1.5 m处为弱松动控制爆破区,该部分采用小台阶单孔微差弱松动控制爆破,台阶高度 1.5 m。必要时钻凿 1排防震空孔进行应力卸载控爆。

(3)主体开挖的爆破。离旋挖桩 1.5 m以外区域为松动控制爆破区,可采用中深孔微差爆破施工方案和孔间接力式起爆网络技术,中深孔爆破深度4.5～6.0 m。

3 中深孔爆破设计

3.1 中深孔爆破孔网参数设计

由于岩石多为裂隙发育,风钻钻孔时常常卡钎,爆破施工进度较慢,因此将深孔爆破技术应用到建筑物密集的基坑岩石爆破,大大提高了功效。其中深孔爆破主要孔网参数如下:孔径 D=80～100 mm;根据台阶高度确定,孔深 L以 4.5～6 m为宜;底盘抵抗线 W1=2.7 m;孔距 a=2.5 m;排距 b=2.1 m,取 2.0 m;填塞长度 L1取 2.8～3.0 m;炸药单耗 q=0.4～0.6 kg/m3,单孔药量 Q1=10.2～16.0 kg。

3.2 起爆网路设计

本次基坑深孔爆破全部使用非电起爆系统,联成微差间隔相等的接力式起爆网路,如图3所示。孔内装高段别 MS13段(650 ms)导爆管雷管,孔外用相同低段别MS3段(50 ms)导爆管雷管接力。在保证安全情况下,尽可能采用孔间微差,相邻段别时间间隔 50～150 ms。

图3 深孔爆破网络示意

3.3 装药结构和填塞长度

采用孔底密实装药结构,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、雷管段别、装药量。含水孔装药时要注意是否装到位,中间有无空段,经常用炮棍轻捣,保证密实。

填塞长度要取钻孔直径的 20～40倍或大于抵抗线,一般取 2.8～3.0 m,在干孔中堵塞物可以用细砂土、粘土或凿岩时的岩粉,要防止混进石块砸断起爆线。含水孔采用砂填塞,填塞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。

3.4 爆破安全距离设计

3.4.1 爆破地震波安全校核

爆破地震波安全校核依据《爆破安全规程》(GB6722-2003)规定:

式中:R为爆破振动安全允许距离,m;Q为炸药量,齐发爆破为总药量,延时爆破为最大一段药量,kg;V为保护对象所在地质点振动安全允许速度(见表1),cm/s;K、α为与爆破点至计算保护对象间的地形、地质条件有关的系数和衰减指数,可按爆破安全规程中有关规定选取,本工程中 K取 150～250、α取 1.5～1.8。

表1 爆破振动安全允许标准

按上表第二项“非抗震的大型砌块建筑物”的抗震能力 V=2.3～2.8 cm/s、第三项“钢筋混凝土结构房屋”的抗震能力 V=3.5～4.5 cm/s和第五项“交通隧道 10～20 cm/s”进行校核。本车站建筑防震列度为 6度,相应允许地面质点振动速度 3～5 cm/s。部分建筑物允许一次起爆药量计算如下:

体育公园站基坑爆破对棚护区的影响中,取棚护区允许震动速度 V=1～2 cm/s,R=68 m,K取200、α取 1.8,则 :

基坑爆破对车站结构的影响中,取车站结构允许震动速度 V=3～5 cm/s,R≥16 m,K取 200、α取1.5,则:

3.4.2 旋挖桩最小保护距离计算

炮孔起爆时所产生的影响范围主要是炸药爆炸产生的压缩圈和裂隙圈,旋挖桩最小保护距离应大于炮孔爆破裂隙圈半径。中深孔爆破裂隙圈半径Rr=52 cm。

因此,用中深孔在离旋挖桩 52 cm以外钻孔爆破时,对旋挖桩不会造成破坏。

3.4.3 爆破飞石最大安全距离及安全防护

个别飞石的飞散距离(Rf)可由 Lundborg公式计算:

式中:q为炸药单耗,q=0.4～0.6 kg/m2;d为炮孔直径,中深孔爆破取 100 mm。

由于填塞长度过小或最小抵抗线过小而形成爆破漏斗效应,以及岩石中含有软弱夹层,或梯段深孔爆破由于过量装药、穿孔位置错误、工作面局部超挖、介质不均匀性、岩体有薄弱面、起爆顺序错误等种种原因,个别飞石距离可能大于 100 m。因此,体育公园站基坑爆破控制飞石在控制炸药单耗和确保堵塞长度前提下主要采取直接防护和间接防护的措施。

表面覆盖直接防护为:炮孔装药完成后,炮区表面整体覆盖——每个炮孔口用 1个砂袋压住,然后表面盖上一层 6 mm厚钢板,再在其上用砂袋均匀覆盖一层,单个砂袋重量不小于 20 kg。

空中间隔防护为:采取表面覆盖防护措施后,为防止仍有个别飞石逸出,基坑有钢筋砼(钢)结构横向支撑,设置空中隔离防护,将爆区上空完全封盖。其做法为:利用基坑横向钢支撑,其上铺设钢丝网板,周边用角钢焊接加强。平常施工时拉开几张盖板,作为通道,爆破时再盖好。

4 爆破效果与讨论

体育公园站基坑岩石开挖采用深孔爆破于长沙市建设地铁中首次进行,10个月的爆破实践表明:松动爆破后,爆堆沿原地附近堆积,松散度能满足装运要求。通过不断改善优化中深孔爆破参数、起爆网路,大大减少了大块率,基本上不需要二次破碎,仅用炮机适当破碎即可,按生产能力与计划,高峰时每日爆破方量能完成 1500 m3,每月能完成 30000 m3以上。

(1)按爆破震动计算公式计算结果,在离旋挖桩 1.5 m处药孔允许最大一段起爆药量在 110 g以下,爆破作业中在靠近旋挖桩 1.0 m处钻凿 1排防震空孔进行应力卸载控爆,间距由 1 m减小至 0.5 m,通过爆破震动检测显示,V在 16 cm/s左右,达到了旋挖桩保护要求,没有发生旋挖桩严重破损、围护结构失稳情况。

(2)采用深孔爆破不仅能加快工程进度,同时也能较好地控制爆破的飞石,但是一定要注意基坑的降水井(Φ0.8 m,间距 20 m,1排)和抗拨桩(Φ1.2 m,间距 8 m,共 2排)位置的孔位距离和防护,这是两处最容易造成飞石的地方。

(3)爆破范围基础直接落于中微风化岩层上。为使基础岩层平整,应尽可能减少爆破产生新的裂缝或爆破造成原有节理裂缝扩张,采用非偶合装药或间隔分散装药和卸压控爆开挖。

[1] 汪旭光.爆破手册[M].北京:冶金工业出版社,2010.

[2] 于亚伦.工程爆破理论与技术 [M].北京:冶金工业出版社,2004.

[3] GB6722-2003.爆破安全规程[S].

[4] 朱朝祥,蔡 伟,杨建军.深基坑爆破开挖技术在地铁工程中的应用[J].爆破,2009,12(4).

[5] 田会礼.中深孔爆破在地铁车站基坑开挖中的应用[J].铁道标准设计,2009,(3).

2011-06-26)

毛益松(1960-),男,副教授,从事教学和爆破技术研究。