繁华城区超大型基坑精细化控制爆破技术研究

葛 强

（中铁十七局集团有限公司 山西太原 030006）

1 引言

伴随着城市基坑规模、深度的不断发展，加之其复杂的周边环境，对城市岩质深基坑工程控制爆破开挖提出了进一步的挑战。高精度数码电子雷管，基于其精准的延时控制，配合科学的孔网参数可以起到逐孔起爆地震波主振相分离反相叠加的效果，从而达到干扰降振的目的［1-2］，已经成为国内外的主流控制爆破方法。郭华杰等［3］研究得出了电子雷管起爆时孔间及排间的延期间隔时间，及联合爆破时爆源间的最佳延期时间间隔。钟冬望等［4］结合生产实际验证了逐孔起爆时孔间合理延期时间的公式，并且试验模拟证明设置合理的孔间延期时间，采用逐孔起爆技术能够实现分段振动干扰相消，实现错峰降振。王作强等［5］研究认为水间隔装药的综合爆破效果优于空气间隔装药，大块减少，炸药单耗降低；该技术的应用可节省炸药10%～20%［6］。目前对基坑控制爆破的研究成果主要集中在爆破地震效应和爆破参数的分析方面，张志毅等［7］探索建立了爆源近、中区新的峰值质点振动速度计算公式。陈晓斌等［8］实验认为爆破地震动远近距离范围条件下衰减经验公式中的衰减指数与系数均存在较大差别，而且质点垂直方向的振动速度峰值最大。刘鹤冰等认为爆破振动对地表建筑物的影响与该处最大振动速度有密切的关系［9］。宗琪等［10］认为在岩石的松动爆破过程中，炮孔布置的合理密度系数m＝1～2之间爆破效果最佳。熊祖钊等［11］结合工程实例研究证明不耦合装药结构和开挖减振沟均可以有效地降低爆破振动峰值。实际爆破中理论研究远远未达到实际的工程实践，理论还有很多不足的方面值得进一步的研究和分析，特别是在爆破振动的控制研究方面，还有很大探索空间。

重庆沙坪坝铁路枢纽综合改造工程站东路基坑爆破开挖项目，地处繁华闹市区，周边环境复杂，爆区水平竖直方向上均有待保护对象，基坑北侧紧邻多栋高层住宅，最近处只有9.7 m，基坑下方的轨道9号线沙小区间隧道洞顶与基坑最短距离仅为8 m，此外还有受影响的周边道路和二期基坑枢纽结构。基于爆区的复杂环境，合理的爆破方案设计和爆破振动的控制研究显得尤为重要。本文重点研究数码电子雷管控制爆破参数、网络设计，结合现场振动监测数据分析振动衰减规律，研究总结闹市区岩质基坑开挖精细化爆破技术，为类似工程提供经验参考。

2 工程概况与技术难点

2.1 工程概况

重庆沙坪坝交通枢纽综合体包括综合交通枢纽部分和物业开发两部分，总建筑面积约776 654 m2，含综合交通枢纽面积299 958 m2，物业开发面积约476 695 m2。该交通枢纽综合体共用的建筑深基坑开挖范围南北宽125 m，东西长560 m，平均开挖深度23 m，最深处达45 m，开挖面积约6×104m2，开挖方量约136×104m3。

该工程场地地形地貌简单，场区岩土层从新至老依次为人工填土、粉质黏土、粉砂岩、泥岩、砂岩，整个场地砂、泥岩为互层关系，其主要物理力学参数见表1、表2。沟槽低洼处的第四系人工填土，含一定量孔隙水，砂岩仅局部含少量地下水，地下水不发育。

表1 土体主要物理力学性质指标统计

表2 岩石主要物理力学性质指标统计

枢纽工程站东路东段，起讫里程ZXK0＋860～ZXK1＋093，全长234 m。主要包含轨道交通9号线沙坪坝站基坑剩余部分长约41.1 m，宽约40 m，深度约34 m；站东路下穿道基坑长191.9 m，开挖宽约36m，深度约20 m；二期基坑施工时留置的基坑内主便道以及便道影响的-6、-7层基坑。该部分深基坑土石方开挖量约26×104m3，其中土方约3.5×104m3，石方约22.5×104m3。基坑北侧由东向西受基坑开挖影响的主要建筑为华宇大厦E栋、D栋、C栋商住楼及已建成的轨道交通九号线沙坪坝至小龙坎区间隧道。平面布置和典型断面见图1。

图1 站东路部分基坑平面布置及典型断面图

2.2 技术难点

本基坑周边环境极其复杂，安全风险高。边坡距离华宇高层最小水平距离仅9.7 m，爆破评估本工程属于“城镇十分复杂环境一般岩土 B级爆破”［12］，公安部门批复周边建筑对爆破振速安全允许标准仅1 cm／s。爆破施工需确保周边建构筑物、人员、车辆等安全；对围岩扰动不影响边坡稳定；同时尽可能降低对周边环境的影响，爆破安全技术措施和管理要求非常高。

站东路施工总工期仅12个月，土石方开挖量达26×104m3，为确保结构工程有效工期，土石方开挖工期需进一步优化、压缩。

3 基坑开挖方案的优化

3.1 原方案工效分析

按原方案采用普通电雷管控制爆破，单次最大爆破量只有50～60个孔，爆破方量约400 m3，每日爆破4次，方量约1 600 m3，按照工期要求每天出渣量要达到4 000～5 000 m3，需进行10～13次爆破。根据现场实际情况，只能在白天8：00～12：30和14：00～19：30时间段实施爆破，不能满足每日爆破次数和出渣量。如增加单次爆破量，普通雷管又无法满足爆破减震要求，会对周边建筑结构安全造成严重影响。为加快施工进度，力争2017年底与高铁开通同步建成站东路并投入使用，需重新对本段土石方开挖施工方案进行优化。

3.2 优化方案

采取数码电子雷管起爆技术解决普通非电导爆管雷管面临的多孔同时起爆时振速叠加、振速超标、无法大规模起爆等问题，通过数码电子雷管逐孔起爆技术措施可对临近既有建筑物的振速、飞石、扬尘、噪声等有效控制。因此，站东路基坑土石方采取数码电子雷管爆破开挖技术。具体开挖方式：

（1）距离华宇大厦≤50 m范围的区域爆破采用数码电子雷管。

（2）距离华宇大厦＞50 m范围的区域爆破采用电雷管。

此外工程非爆破开挖土石方量约4×104m3，其中机械开挖3.4×104m3，人工开挖约0.6×104m3。基坑开挖方式平面及剖面示意见图2。

在基坑北侧（临近华宇地下室）设置5排减振孔，孔径100 mm，间距200 mm，排距200 mm，呈梅花形布置，长度每边大于基坑周边长度0.5 m，每次钻孔深度超过爆破深度1.5倍，爆破1层，用破碎锤凿除（开挖）1层，采用多排减振孔与机械液压锤凿打同步施工。

3.3 开挖步骤

根据不同的开挖方式及基坑设计标高划分施工区域和爆破顺序，分3个高程范围分层分区组织施工（见图3）。

图2 基坑采用不同开挖方式

（1）岩层分界线至高程236 m范围，竖向分7～10层，平面分6个区进行施工，按①④、②⑤、③⑥的顺序实施爆破。

（2）高程226.8～236.9 m范围，竖向分4～5层，平面分5个分区进行施工，按①⑤、③④、②的顺序实施爆破。

（3）高程219～226.8 m范围，根据坑中坑分布分4个区进行爆破开挖。①轨道9号线站台层基坑，分3～15层进场开挖；②轨道9号线-8层配套用房基坑，分3层进行开挖；③公寓式办公楼A栋-8层基坑，分2层进行开挖；④站东路下穿道基坑内临时便道，分1～10层进行开挖。

图3 爆破开挖平面分区

4 精细化控制爆破参数设计

4.1 孔网参数

本段距离建筑物50 m范围内的石方采用数码电子雷管爆破开挖，台阶高度不大于2.8 m，孔网参数分为以下两种情况：

（1）距东、北侧建筑物10～30 m及距基底0.5～4 m范围内，钻孔直径42 mm，台阶高度1.5～2 m，钻眼深度1.7～2.2 m，炮眼间距≤1.2 m。

（2）距北侧建筑物30～50 m及距基底＞4 m范围内，钻孔直径42 mm，台阶高度2～2.5 m，钻眼深度2.2～2.7 m，炮眼间距≤1.3 m。

不同台阶孔网参数如表3所示，装药结构见图4。

表3_爆破孔网参数

图4 装药结构

4.2 爆破网络设计

选用数码电子雷管和专用数码电子雷管起爆器起爆，使用2＃岩石乳化炸药。根据环境特点和振动控制的难易程度选取起爆顺序和起爆方向：临空面设在基坑南侧，起爆顺序由南向北起爆，起爆网络采用单孔顺序起爆。为保证间隔时间精确，采用数码电子雷管单孔顺序微差起爆系统数码电子雷管起爆系统间隔时间可根据需要任意设置，精度误差仅为1 ms。各雷管脚线并联接入起爆主线上，本工程采用的延时时差是孔间17 ms，排间102 ms，见图5。

图5 数码电子雷管单孔顺序微差起爆网络（单位：ms）

5 爆破振动

5.1 振动控制标准

振速控制根据爆破规程结合本工程特点，对周边高层建筑物和地下地铁9号线结构的爆破振动均控制在1.0 cm／s以内。

5.2 爆破振动监测方案

爆破振动监测仪器采用TC-4850型爆破振动记录仪，为获得爆区周边介质的地震波传播规律，沿爆区中心与保护物的方向上布置一条测线，按距爆破点 25、30、35、40、45 m布设，在不同距离测得振动速度。

5.3 监测结果

通过对爆破期间实际监测到的爆破质点振动数据作为样本进行整理，经过对数据的分类、筛选，选取16组数据采用萨道夫斯基公式进行回归分析（见表 4）。

表4_监测数据样本

建立函数模型：Y＝C＋αX

采用回归软件分析结果见图6。

图6 K、α值回归结果

根据回归公式，α＝1.84；C＝2.31进而求得k＝102.31＝204。

通过对场地地质条件指数和衰减系数的计算，可以得到该场地条件下的地震波传播规律为：

本次实际爆破k、α值选取基本合理。爆破振动均控制在1.0 cm／s以内，距离建筑物50 m范围内的数码电子雷管爆破开挖范围，结合爆破振动衰减规律，可得最大单响药量q＝2.7 kg。

将估算结果、实测结果及实际爆破控制振速进行对比（见表5）。

表5_振速对比 cm／s

可以明显看到，计算结果和实测结果均满足本次爆破安全振动要求。但是根据本次回归分析结论得出的振动数据较实际监测数据有了更进一步的降低，更偏安全。因此对原有爆破方案进行调整。

6 工程效果

基坑从2017年3月开始施工，同年6月全部爆破结束，整个爆破施工历时90 d，前后大小爆破上百次，每次爆破方量约1 500 m3，平均每月完成爆破、挖装、清运12×104m3，爆破块度符合装运要求，满足现场运力要求。爆破高程符合设计要求，满足整体工期要求。

施工过程中的振动监测数据结果显示，合理的爆破参数结合一系列的减振措施，减振效果明显，降振值达到了40%，小于工程周边建筑实际控制振速，基坑围护结构及邻近的边坡安全。飞石影像资料监测记录表明爆破飞石得到了有效控制与防护，爆破前后对场地的喷雾洒水有效降低了爆破灰尘。达到了经济效益和施工绝对安全双向目标，得到业主及周边住户的一致好评。

7 结论

合理的控制爆破技术是实现爆破施工高效益、高质量、低危害的有效办法。通过对沙坪坝铁路枢纽综合改造工程站东路基坑控制爆破开挖工程方案优化以及后期结合实际情况对爆破参数和网路的优化总结，结合本工程的施工过程及技术难点，对于闹市区的基坑爆破主要做以下几点总结：

（1）多打孔少装药、单次逐孔起爆错峰振动，避免多排起爆能有效降低爆破振动。

（2）采用微差爆破能有效控制一次起爆最大药量，把爆破振动控制在有效范围内，确保了周边建筑和设施的安全。

（3）落实加强现场振动监测，根据工程实施过程中的实际变化情况及时进行调整，保证爆破振动控制在允许范围内，避免引起与周边居民及相关单位的纠纷。