城市地铁风井金属膨胀剂开挖和爆破开挖技术对比

李 琳，王海亮，周 宜，张祖远

(山东科技大学矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地，山东 青岛 266590)

0 引言

为了缓解日益增加的交通压力，全国各大城市都已经开始建设和运营地铁，至2015年，全国地铁运营总里程将达3 000 km，而至2020年，将有40个城市建设地铁，总规划里程达7 000 km［1］。城市地铁风井施工面临的一个重要问题就是对城市地铁周边建筑物及市政建设管道和线缆等的影响。马长涛［2］介绍了爆破施工的方式、布孔方式、爆破参数、装药和填塞、起爆方式、起爆网设计和爆破的安全防护等。王亚峰［3］针对在城市复杂环境条件下，无法采用爆破方式进行通风竖井施工的情况，以重庆轨道交通六号线一期工程竖井及横通道施工过程为例，介绍了非爆破施工的方法。沈捷［4］探讨了地铁区间隧道组合竖井的设计方案，通过对组合竖井和传统单竖井方案的比较，指出组合竖井方案可以减少竖井工程数量、缩短建井周期、降低建井成本和提高经济效益。可以看出，国内对竖井开挖的爆破施工工艺和施工方法介绍的较多，但对一个风井开挖工程采用多个施工方法的介绍较少，并且没有金属膨胀剂施工的相关研究。本文以青岛地铁2号线一期工程延安路站1号风井为例，对采用的机械开挖、金属膨胀剂开挖和爆破开挖这3种开挖方式进行分析。

1 工程概况

延安路站1号风井位于贵和福利厂南侧小公园内，该地块与延安三路高差为4～7 m。风井开挖跨度17.9 m，宽 7.9 m，深 29.291 m，采用明挖法施工。1号风井南侧为延安三路172号居民楼，距离1号风井开挖边线5.8 m，该楼建造于20世纪70年代，为7层砖混结构，基础为毛石条形基础，基础深度1.5 m;据青岛建学建筑工程司法鉴定，该楼为整栋危楼，爆破振动安全允许标准为0.5 cm/s［5］。振动监测点A布设在延安路站172号居民楼一楼楼房基础位置，处于1号风井的垂直平分线与172号居民楼的交界处。延安路站平面布置和振动监测点布设如图1所示。

图1 延安路站1号风井平面布置图(单位:m)Fig.1 Plan layout of No.1 ventilation shaft of Yan’an Road Metro Station(m)

1号风井风道正上方有一条2 m×2 m的浆砌片石雨水暗渠，因无迁改路径，施工前在风井范围内将雨水暗渠换成钢渡槽过渡。根据地质勘察资料反映该工程地面以下的主要地质情况依次为:素填土、强风化花岗岩上亚带、强风化花岗岩下亚带、中风化花岗岩和微风化花岗岩。具体位置关系和地质情况如图2所示。

2 风井整体开挖方案

延安路站1号风井根据周围环境和地质条件的不同，采用了不同的开挖方案。具体开挖方案如表1所示。

图2 延安路站1号风井剖面图(单位:m)Fig.2 Profile of No.1 ventilation shaft of Yan’an Road Metro Station(m)

表1 延安路站1号风井整体开挖方案Table 1 Excavation program of No.1 ventilation shaft of Yan’an Road Metro Station

1号风井上部埋深在0～11 m时其地质是素填土和强风化花岗岩，比较松散，采用机械开挖［6］，直接装运。在开挖埋深2.872 m处的雨水暗渠，应注意对其进行保护，采用了钢渡槽加固的方法，以减少后期采用的开挖方法对雨水暗渠的扰动和破坏。

3 金属膨胀剂开挖

埋深达到12 m时，地质情况变为中风化花岗岩，地质情况已经不适合机械开挖，并且机械开挖施工工期长、成本高，为了减小爆破振动对172号居民楼的影响，并未采用爆破施工，而是采用了金属膨胀剂破岩施工。

3.1 金属膨胀剂破岩原理

金属膨胀剂是一种装有金属混合物的胶囊状物体。基岩穿孔后插入金属膨胀剂，然后用专用电线连接到启动装置，后经过PLASMA反应使其发生化学反应，生成超高温、超高压下的瞬间热体积膨胀能量。用此膨胀能量达到良好破岩效果，可确保最适当、最佳化的破岩状态。

1)PLASMA反应原理。先用启动装置提供瞬间提升大电力，大电力冲击到膨胀剂时，瞬间在胶囊内部生成超高温和超高压，使装在胶囊里的金属混合物间发生反应产生高频等离子，反应过程中发生喷射式体积膨胀，以此热膨胀能量达到分割、隔离岩体的效果，是一种全新的破岩功法。

2)基岩破碎原理。以金属膨胀剂为中心，产生同心环状膨胀压力达到破岩目的。而此膨胀压力在破岩的同时瞬间消失。其特殊物理特性，使震动和破岩冲击波气流瞬间减至最小，是一种低振动的全新破岩法。

3.2 金属膨胀剂破岩方案

根据爆破施工经验，金属膨胀剂破岩施工必须也要有临空面，因此，本破岩方案先在1号风井的Ⅰ部位进行掏槽破岩。为了减小对172号居民楼的扰动，在靠近172号居民楼的一侧风井内周边钻单排φ150 mm、孔间距250 mm的单排减震孔，孔深为2 000 mm，为防止孔内充水，其内装入全封闭的PVC管。Ⅰ部位掏槽破岩之后，再对Ⅱ部位进行破岩，创造出足够大的自由面之后，再对Ⅲ部位进行破岩。金属膨胀剂施工方案炮眼布置如图3所示。

3.3 钻眼装药

根据本工程实际情况，选用直径为48 mm、长度为35 cm的金属膨胀剂。使用气腿式钻机(带配套钻杆及φ 50 mm钻头)钻取φ50 mm的炮孔，炮孔深度1 300 mm。钻孔完成后，将钻孔清理干净，保证钻孔内无积水及杂物。然后每孔内装金属膨胀剂1支，金属膨胀剂装入到炮孔底后，将已准备好的炮眼堵塞剂(堵塞剂采用条状塑料袋按细石与砂比例1∶1混合装入袋中封闭而成)填塞入孔内并捣实，直至孔口。具体填塞方法如图4所示。

图4 金属膨胀剂炮眼填塞图(单位:mm)Fig.4 Stemming of metal expansive agent blasting holes(mm)

3.4 起爆

当所有炮孔装药填塞完成后，受金属膨胀剂专用起爆装置起爆能力的限制，只能将4～5支金属膨胀剂外导线串联起来，并连接至激发器接线端，将装好的金属膨胀剂分次起爆。

3.5 金属膨胀剂施工破岩材料成本

延安路站1号风井开挖断面面积为124 m2，每个断面共需布孔262个，根据现场施工情况，平均破岩进尺为1 m，破岩使用的金属膨胀剂为3支/m3，材料价格为市场价格100元/支，每m3填充砂石混合物为0.006 m3，材料价格为80 元/m3，根据上述条件，总的材料成本为300.003元/m3。

鉴于金属膨胀剂破岩成本高和超欠严重的现象，1号风井开挖方案改为采用金属膨胀剂与爆破结合开挖的方法。因此方案只是对1号风井开挖了2 m，故对其不做详细叙述。

4 爆破开挖

当埋深达到22 m时，爆心离172号居民楼的距离达到了22.8 m，并且对金属膨胀剂与爆破结合开挖方案采取的爆破施工进行了振动监测，振速并没有超过爆破振动安全允许标准0.5 cm/s，因此1号风井开挖方案改为爆破开挖。

4.1 爆破开挖方案

爆破施工方案采用垂直楔形掏槽方式爆破，分为Ⅰ－1，Ⅰ－2，Ⅱ，Ⅲ 4个爆破区域，Ⅰ－1和Ⅰ－2区可利用20段普通导爆管雷管孔外延时一次起爆［7］。起爆Ⅱ区后观察爆破效果，腾出足够大的自由面后再起爆Ⅲ区，以减小Ⅲ区爆破对南侧小区楼房的扰动。炮眼布置如图5所示，孔网爆破参数如表2所示，起爆网络示意如图6所示。

图5 爆破开挖炮眼布置图(单位:mm)Fig.5 Layout of explosive blasting holes(mm)

表2 爆破开挖参数Table 2 Explosive blasting parameters

图6 爆破网络示意图Fig.6 Explosive blasting network

4.2 钻眼

爆破开挖选用的是φ32 mm的2号岩石乳化炸药，钻取φ42 mm的炮孔，炮孔深度1 100 mm。

4.3 爆破开挖破岩材料成本

延安路站1号风井开挖断面面积为124 m2，爆破施工每个断面共需布孔131个，每孔乳化炸药0.4 kg，共消耗乳化炸药52.4 kg，根据现场施工情况，平均破岩进尺为1 m，乳化炸药单价为8.274元/kg，得出乳化炸药2.91元/m3，每 m3填充砂石混合物为0.006 m3，材料价格为80元/m3，共使用普通导爆管雷管140发，单价为4.87元/发，得出普通导爆管雷管4.58元/m3，根据上述条件，总的材料成本为87.49元/m3。

5 警戒、飞石和噪音控制

为了减小金属膨胀剂和乳化炸药起爆时产生的噪声和飞石对172号居民楼居民的影响，采取了以下措施:

1)在每次爆破前10 min，警戒人员均以扬声喇叭和鸣哨的方式，提醒附近居民及过往行人做好心理准备。

2)风井开挖时，采取近体覆盖防护和龙门架全封闭二级防护和降噪措施［8］，都要覆盖2层橡胶条编织而成的炮被，并在炮被上方密排沙袋。其他孔口位置堆放2个以上砂包，可以有效地保护网路不被岩石砸坏［9］。

3)井口安装海绵隔音板作为爆破噪音的一级降噪，龙门架采用吸音板材料进行封闭，作为二级降噪进一步减少噪音的外散。

6 振动监测

为研究2种施工方法不同埋深时的合振速v大小，监测点A布设在延安路站172号居民楼一楼楼房基础位置，振动监测仪布设在1号风井的垂直平分线与172号居民楼的交界处。监测振动的垂直方向振速vc，水平径向振速 vr，水平切向振速 vt，合振速 v=。当埋深 h=11 m，爆心距 R=14.09 m时，vc=0.10 cm/s，vr=0.04 cm/s，vt=0.05 cm/s，=0.11 cm/s，金属膨胀剂施工的振动曲线如图7所示。当埋深h=24 m，爆心距R=25.56 m时，vc=0.131 cm/s，vr=0.08 cm/s，vt=0.09 cm/s，v==0.18 cm/s，爆破开挖的振动曲线如图8所示。收集竖井开挖线距监测点A水平距离8.8 m处的测振数据，得出2种施工方法在不同埋深时的振速，如表3所示。

通过表3比较2种施工方法不同埋深时合振速v以及各自的平均合振速ve，可以看出:1)金属膨胀剂破岩施工的合振速v变化波动小，爆破施工的合振速v变化波动大;2)金属膨胀剂破岩施工平均合振速ve=0.08＜爆破施工的平均合振速ve=0.18。由此可以得出金属膨胀剂破岩施工的减振效果优于爆破施工。

图7 金属膨胀剂的施工振动曲线Fig.7 Curves of vibration caused by metal expansive agent blasting

图8 爆破施工的振动曲线Fig.8 Curves of vibration caused by explosive blasting

表3 2种施工方法振速对比Table 3 Comparison and contrast between vibration velocity caused by metal expansive agent blasting and that caused by explosive blasting

7 金属膨胀剂施工的优缺点

7.1 优点

1)既不用炸药又不用雷管，较适宜应用于人口稠密地区和正进行生产的厂房改建、扩建工程。

2)装放金属膨胀剂以及连接网络过程比装放炸药更安全。

3)破岩工程中的减振效果胜于一般炸药。

4)由于金属气体的膨胀力有限，故混凝土不致飞散，仅产生裂缝，大大增加了施工的安全性。

7.2 缺点

1)与普通炸药相比爆破所产生的碎石块度较大。

2)存在延期起爆的现象，对破岩后续工作正常进行产生不利影响，并严重威胁到现场工作人员的人身安全。

3)超挖与欠挖现象严重，破岩效果稳定性不如一般炸药。

4)成本较高，金属膨胀剂破岩材料成本约为普通炸药的3.4倍。

5)在更好控制振动速度的前提下，单次起爆炮孔数有限，使得施工工序时间延长，延缓了施工进度。

8 结论与体会

根据延安路站1号风井的整个施工过程以及测振所得的数据，得出以下结论:

1)在风井的施工过程中，不同的埋深可以采用不同的破岩施工方法，应根据现场的实际情况选择合适的施工方法。

2)金属膨胀剂破岩施工较爆破施工容易控制振速，对振速要求高的工程，可以采用金属膨胀剂施工。

3)金属膨胀剂的破岩成本约为爆破施工的3.4倍，从节省经济成本的方面考虑，可以采用爆破施工。

在现场施工过程中，虽能够减小振动对周边建筑物的影响，但是难以解决金属膨胀剂破岩施工和爆破施工产生的噪声对周围居民的影响。而基于金属膨胀剂破岩施工，后续工作有必要对金属膨胀剂在浅埋暗挖隧道中的应用进行研究。

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