精细爆破在地铁硬岩深基坑开挖中的应用

曹 平 徐 华

精细爆破在地铁硬岩深基坑开挖中的应用

曹 平 徐 华

结合青岛地铁某深基坑开挖工程实例，介绍精细爆破在地铁硬岩深基坑开挖过程中的应用。根据工程地质条件，为满足周边复杂环境下的严要求，基坑采用“中部拉槽、横向分区、纵向分段、竖向分层”爆破开挖方案，增加了爆破自由面，同时，结合理论分析和多次试验数据的回归分析调整并选取合理的爆破参数，确保了爆破开挖的施工安全并加快了工程进度。

地铁硬岩；深基坑开挖；精细爆破

精细爆破，即通过定量化的爆破设计和精心的爆破施工组织，通过对炸药爆炸能量释放与介质破碎、抛掷等过程的控制，既达到预定的爆破效果，又实现爆破有害效应的有效控制，实现安全可靠、绿色环保及经济合理的爆破作业。为满足青岛地铁某深基坑周边建筑物对爆破的相关要求，通过合理的设置爆破开挖方案，采用实测现场爆破试验振速，结合回归分析确定本场区内的爆破参数，实现爆破效果及效应的可预见性。

1 工程概况

青岛地铁3号线李村—君峰路站区间明挖段位于李沧区维客广场西南侧，沿京口路方向布置。明挖区间所在范围为李沧区重要商圈，南侧为利客来商贸大厦、崂山百货等大型商业设施；北侧为维客广场，地下1层设置了超市及停车场。

区间明挖段为双层三跨箱型框架结构，长约130.35 m，标准段宽22.8 m，高14.5 m，顶板覆土约6.0 m，基坑深约19.5 m。场区内上覆第四系全新统堆积层，局部为上更新统粉质黏土，下伏燕山晚期粗粒花岗岩，部分地段穿插有煌斑岩、细粒花岗岩、花岗斑岩等脉岩，构造破碎带、糜棱岩、碎裂状花岗岩局部发育，地下水为基岩裂隙水，水量一般贫，部分地段具弱承压性。

根据《利客来商贸大厦在地铁隧道施工前的安全鉴定》，利客来商贸大厦安全性等级为Bsu级。邻近李君区间明挖段基坑爆破开挖的爆破振速控制指标为不大于1.0 cm/s，沉降控制标准不大于20 mm，差异沉降控制标准不大于10 mm。

2 精细爆破开挖方案

根据周围环境保护的要求，本工程采用浅孔微差松动控制爆破的施工方法。

2.1 爆破自由面的选择

爆破自由面的数量是影响爆破效果的重要因素。实际爆破开挖过程中，通过在基坑中部拉槽，纵向分段等措施形成纵向和横向的“L”型爆破自由面。通过增加爆破自由面数量有效地提高爆破效果，降低和改变爆破振速传播大小和方向，最大限度地降低对利客来建筑物的影响。

2.2 爆破区划分及开挖爆破顺序

根据基坑条状的平面特点、邻近建筑物的平面关系、基坑开挖及出渣设备的约束等，基坑爆破区划分采用“中部拉槽、横向分区、纵向分段、竖向分层”的原则。

先对距离建筑物较远的中部开槽防护区进行爆破开挖，然后逐步开展弱振爆破区和微振爆破区的爆破开挖，最后进行一般爆破区的爆破开挖（图1）。

图1 基坑开挖平面分区图 （单位：cm）

3 精细爆破参数设计

爆破参数精细化设计技术路线：①根据工程经验初步确定各个爆破区的爆破参数，并收集现场的爆破振速；②根据整理后的爆破振速采用回归分析的手段确定本场区内的对应地层爆破参数；③根据本场区内的地层爆破参数，修正各个分区的爆破装药量等参数；④实时监测现场的爆破效果，必要时及时调整装药量以有效控制现场爆破振动，最大限度地降低对周边建筑物的影响。

3.1 试验爆破参数

考虑到场区内以强、中风化花岗岩为主，试验爆破中采用中硬岩石相关参数，初步拟定试验爆破参数并取保守值K=150、α=1.8。在满足爆破振速指标V=1.0 cm/s的前提下，在基坑内远离建筑物的11 m区域内进行试爆破，试爆点距利客来安全距离为18.7～29.7 m，距振速测点距离分别为14 m、15 m、16 m、24 m。仪器采用中科测控三轴向振动速度传感仪（TC-4850）及高能脉冲EF-1000型起爆器。根据工程经验，基坑横向各分区试验爆破参数见表1。

表1 试验爆破参数表 m

3.2 精细爆破关键参数的确定

3.2.1 爆破孔的精细布置

严格控制自由面边缘的首排炮孔与自由面的距离，确保此距离略小于炮孔填塞长度以确保首排炮孔起爆后将自由面完全释放，从而为后续台阶爆破创造良好的临空条件。通过横向分区，针对性的控制爆破量，进而有效地控制爆破效果。同时，炮孔布置时应尽可能避开岩石节理突变层，防止因岩层的节理突变而产生飞石。

3.2.2 单孔装药量的精细设计

（1）线性拟合公式推导。根据爆破振速控制值及最小安全距离要求，炸药量Q由萨道夫斯基公式计算：

式（1）中，Q为炸药量，kg；R为爆破振动安全允许距离，m；V为保护对象所在地安全允许质点振速，cm/s；K和α为与爆破点至保护对象间地形、地质有关的系数和衰减指数。

整理公式（1），得：

对公式（2）两边取对数，可得：

则公式（3）可简化为：

（2）对参数K、α求解。试验爆破过程中，采用2号乳化岩石炸药（φ32 mm，150 g）及非电毫秒雷管。对实测得到的爆破参数进行线性回归，并取垂向、径向、切向三个方向的平均值，可得公式（4）中的回归系数a＝-4.98，b＝1.95，将其代入a＝lnK，b＝α，可求得爆破参数K＝146，α＝1.95。

（3）修正单孔装药量Q。将回归爆破参数K＝146、α＝1.95代入公式（1），可求得场区内修正后的单孔装药量Q，见表2。

3.2.3 填塞质量的精细控制

炮孔填塞方式采用连续装药，单孔装药的精度为±30 g。起爆采用正向起爆方式，起爆药包设置在爆破孔口第1节。用现场的砂石分层填塞炮孔内装药后的剩余空间并分段捣实。针对炮孔内积水现象，用粗砂作为炮孔填塞物确保炮孔填塞质量。

4 爆破效果

为了监测施工现场按修正后的参数进行爆破作业的效果，采用3台测振仪同时对重点保护建筑物进行爆破振速监测（图2）。

图2 振动速度传感仪现场布置图

表2 单孔装药量表 kg

图3给出了场区内典型爆破振速时程曲线，由典型爆破振速时程曲线可知，现场垂向爆破振速在0.02～0.04 s时段达到峰值，最大振速接近1.0 cm/s且持续的时间较短，在0.25 s之后基本无振动（图3a）；径向爆破振速在0.02～0.04 s时段达到峰值，最大振速接近0.5 cm/s且持续的时间较短，在0.2 s之后基本无振动（图3b）；而切向振速在0.02～0.06 s时段达到峰值，最大振速接近0.75 cm/s且持续的时间相对较长，在0.2 s之后基本无振动（图3c）。可见，场区内爆破振速以垂向和切向振动为主，其中，垂向振动幅度最大，且衰减相对较慢，切向振动的峰值持续时间较长，峰值过后振速衰减较快。

图3 典型爆破振速时程曲线

表3给出了本场区基坑爆破开挖9个月的三向振速最大实测值，表3数据表明，现场实测爆破振速均小于爆破振速控制值1.0 cm/s，说明精细爆破设计合理可行。

表3 爆破三向振速最大实测值 cm/s

5 爆破飞石控制

为有效控制爆破飞石，主要采取以下技术措施：

（1）确定合理的爆破单耗值，绝不能因挖方要求块度小而任意加大药量以提高破碎度，必须避免单耗失控造成飞石；

（2）堵塞段长度须大于最小抵抗线，并确保堵塞密实，严格控制堵塞质量；

（3）对于软弱带、裂隙、节理等地质构造，施工时需慎重，应采取调整孔网参数、间隔堵塞、调整药量等技术措施；

（4）多排爆破时要选择合适的延迟时间，避免因前排带炮造成后排最小抵抗线大小与方向失控；

（5）采取表面覆盖防护措施后，为防止仍有个别飞石逸出，在基坑钢筋混凝土支撑上设置空中隔离防护，将爆区上空完全封盖。

6 结论及建议

（1）本文结合硬岩深基坑的平面特点、工程地质条件，在满足周边建筑物保护严格要求的条件下，提出“中部拉槽、横向分区、纵向分段、竖向分层”的爆破开挖方案合理可行。

（2）通过试爆和回归分析等技术措施，在基坑横向各分区内针对性的选取爆破参数，实现了岩层基坑爆破的精细化设计和施工。在有效控制爆破振速和飞石等前提下，加快了爆破开挖速度，取得了较好的效果。

（3）场区内岩层主要为硬岩，振动扩散能力强，振速传播速度快，爆破方案中未考虑减振孔的措施。因此，对减振孔的必要性有待于做进一步研究。

（4）本场区岩层主要为强中风化粗粒花岗岩，煌斑岩、花岗班岩呈脉状穿插其间，地下水主要为基岩裂隙水，水量一般。如何考虑基岩岩体破碎、节理裂隙发育且呈现非均一性、地下水蕴含不同等差异的影响，选取合理的爆破参数以适用不同环境下的爆破施工要求，都有待于做进一步的探讨。

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责任编辑 朱开明

Application of Fine Blasting in Excavation of Hard Rock Deep Foundation Pit

Cao Ping, Xu Hua

Taking the engineering of a deep foundation pit excavation in Qingdao metro as an example, the paper introduces the application of fine blasting in the excavation process of hard rock deep foundation pit. According to the engineering geological conditions, in order to meet the strict requirements of the surrounding complex environment, the blasting excavation scheme of Middle Section Trough, Vertical Direction Area Division, Longitudinal Direction Section Division, Vertical Direction Section Division is used to increase the blasting freedom surface. At the same time, taking into consideration of the theoretical analysis and regression analysis as well as many times of tests to adjust and select reasonable blasting parameters, the construction safety and speed up the progress of the project is ensured.

hard rock, deep foundation pit excavation, fi ne blasting

TD235.37

2015-03-14

曹平：中铁隆工程集团有限公司，工程师，四川成都 610000