闹市区超深基坑开挖的控制爆破技术

李玉景,赵 文,赵光荣,张宝亮,王付景,倪吉伦

(1.贵州开源爆破工程有限公司,贵阳551400;2.贵阳海螺盘江水泥有限责任公司,贵阳551400)

近年来,随着工程机械的发展、工程技术水平的进步,适合地下环境的工程得以兴建。基坑开挖作为地下工程的重点环节,其支护环节直接影响后续工程的施工质量,而开挖效率直接制约工程进度。由于土质基坑难以长期维持边坡稳定,因此支护具有较大挑战;对于岩质基坑,破岩困难,破岩效率制约着基坑开挖的施工进度,破岩成本又是开挖成本控制的关键。

超深基坑在大型桥梁基础、城市地铁站等建设中较为常见,破岩技术以机械破岩和较小孔径(φ≤50 mm)浅孔爆破居多。小孔径浅孔爆破在振动控制方面具有较大优势[1-3],宜于维护支护结构及周边建(构)筑物的稳定,但巨大的钻孔工作量不利于成本控制,较低的工作效率也难以满足工期要求。

基坑开挖中采取大孔径炮孔、大直径药卷的爆破破岩开挖有理论研究和施工案例可供参考,王薇等[4]针对橘子洲深基坑爆破施工分别对φ90 mm孔径垂直炮孔、水平炮孔爆破的安全性进行了对比模拟分析;李洪伟等[5]在楼房深基坑岩石控制爆破中根据施工环境分段、分区、分台阶采用深孔(孔径φ90 mm),辅以浅孔(孔径φ38 mm)延时控制爆破施工,取得了较高的施工效率。

若能将爆破危害效应控制在允许范围内,在闹市区基坑开挖中采取大孔径炮孔、大直径药卷爆破破岩的方式,相对机械破岩与小孔径浅孔爆破更具经济性、高效性。

1 工程概况

1.1 工程环境

工程位于贵州省贵阳市云岩区六广门区域,地下主要拟建一层地下商业区、地下三层车库及地下两层污水处理厂,污水处理厂日处理污水量为12万t。

爆破区域处于环北巷南侧,永乐路北侧以及在建的人民大道东侧,西北侧距省政府仅800 m,交通繁华,周边环境复杂。开挖区域北侧为住宅楼,距离开挖区域最近距离22 m;东侧紧邻省级重点保护建筑毛公馆;西侧紧邻贵阳市轨道交通1号线建设项目工地,最近距离为20 m,轨道工程土建项目已基本完成,主体工程浇筑完毕,西侧距开挖范围隔离线55 m处为一专科医院。此工程基坑最大开挖深度约42 m,石方总挖方量约60万m3。周边环境如图1所示。

图1 周边环境Fig.1 Surrounding environment

1.2 工程支护与要求

基坑宽120 m,最大长度超过260 m,垂直基坑,无放坡、无马道。采用明挖顺作法,锚索排桩支护,桩径1.8 m,桩中心距1.5 m,锚索使用七芯高强低松弛预应力绞线,桩顶设置冠梁,控制土压力,防止周边建(构)筑物位移与不均匀沉降。排桩支护如图2所示。

图2 锚索排桩支护Fig.2 Anchor cable and row pile etaining and protection

爆破需满足挖运要求、杜绝飞石,日均爆破量不低于5 000 m3;北侧最近处建(构)筑物爆破振动控制在1.5 cm/s内,毛公馆处爆破振动控制在0.2 cm/s内;尽可能减小对围护桩的扰动,围护桩15 m范围内岩土体禁止采用爆破破岩,施工现场如图3所示。

图3 施工现场Fig.3 Construction site

2 破岩方案

从工期、工程量、周边环境、经济成本等方面综合考虑,选择机械破碎、静态破岩(见图4)和爆破相结合的施工方案。在邻桩15 m范围及距毛公馆60 m范围内钻小孔径炮孔(φ40 mm)进行静态破碎,辅助该区域机械破碎,尽可能降低对基坑围护桩的开挖扰动;爆破破岩区采取机械拉槽形成自由面,自由面底部低于爆破孔底部标高,机械破碎形成集水沟、减振沟等工程结构;面向重点保护文物毛公馆一侧布置4排大孔径(φ165 mm)减振孔,减振孔孔底标高略低于开挖坑底标高,孔口采用等口径PVC管封口保护,防止碎石、泥块塌落。

图4 静态破碎剂Fig.4 Static cracking agent

2.1 爆破参数

贵州地区属喀斯特地貌,多溶洞、多裂隙,地质条件不确定性大,宜选择较为保守的爆破参数。爆破使用φ90 mm孔径炮孔时,应根据附近建(构)筑物情况分区域确定爆破参数(见表1)。

表1 爆破参数Table 1 Parameters for blasting

炮孔顶部采用胶皮网覆盖,且上覆沙袋,自由面上部搭覆胶皮网,防止个别位置因裂缝或空洞导致自由面过小造成速度较大的飞石,排数控制在2～4排。爆破区防护如图5所示。

图5 爆区防护Fig.5 The protection of blasting area

2.2 起爆方式

起爆网路选用导爆管雷管和电子雷管两种起爆器材进行布设,并以电子雷管起爆网路为主。使用导爆管起爆网路时(见图6),分组实施多次起爆,严格控制单次爆破规模,单次起爆炮孔数控制在6个以内,控制单次振动持续时间。孔内使用MS11段雷管,孔间使用较长延时的MS5段雷管连接,逐孔起爆,避免振动的叠加效应。

图6 导爆管网路Fig.6 Nonel tube network

电子雷管起爆网路使用PHED-1型电子雷管,延时时间可在0～16 000 ms内自由设置。使用电子雷管起爆网路时,充分利用电子雷管延时设置的任意性,对组内炮孔短延时逐孔起爆,组间长延时避免爆破振动叠加效应,减小单次爆破振动持续时间,降低爆破振动对附近居民产生的心理影响。以6个以内炮孔为一组进行短延时设置,孔间延时45 ms,相邻组间设置延时时间为1 500 ms。

多组电子雷管网路一次起爆后,组间孔内雷管均在激发状态,相对导爆管雷管网路,无需考虑因长延时导致的地表起爆网路损坏问题。电子雷管长、短延时组合网路设置如图7所示。

图7 电子雷管起爆网路延时设置Fig.7 Time-delayed electronic detonator network

使用导爆管网路组期间不宜使用高段别雷管延时,需分多次起爆。同时必须严格控制钻孔深度、单孔装药量、孔排距,避免影响附近未起爆组孔内的起爆系统。使用电子雷管长、短延时结合时,应选择具有较强的抗振性电子雷管,确保后爆孔激发状态的雷管在前爆孔爆破造成的扰动下仍能保持延时精准性。

3 爆破振动校核与监测分析

3.1 爆破振动校核

爆破振动是能量传递在物体或结构上的反应,受地质条件、空间位置、爆破方式等多因素影响[6-7],施工中应对距离较近建(构)筑物及重点保护建筑进行监测。工程中常以萨道夫斯基经验公式进行校核[8]。

式中:v为地面质点峰值振动速度,cm/s;K、α为与地形、地质条件有关的系数和衰减指数(分别取170、1.7,环境有变化时需调整);Q为最大单响药量,kg;R为监测点到爆源的最近距离,m;k为工程措施折减系数(毛公馆处取0.5,其他区域取0.8)。

不同区域爆破振速如表2所示。

表2 爆破振速Table 2 Blasting vibration velocity

随开挖爆破作业点逐渐下降,监测点位置同爆区高程差逐渐显现,监测点同爆心距离逐渐增大,爆破振动传播的能量衰减和在空间结构上的高程放大效应同时显现。由文献[9]研究可知:一定高差范围内基坑坡顶边缘质点振动速度峰值与主频随高差增加逐渐增大,超出一定高差范围后则逐渐衰减。

因此表现在较近建(构)筑物处的爆破振速是复杂的,所使用萨道夫斯基公式对爆破振动的校核值仅适用于工程前期施工参考,实际施工中需要在较近的建(构)筑物及重点保护建筑处进行监测(见图8),根据监测情况及时调整爆破参数。

图8 振动监测Fig.8 Vibration monitoring

3.2 爆破振动监测与分析

在住宅楼及重点保护建筑毛公馆处设置振动监测点,选取代表性的数据如表3所示。所测爆破振速在国家标准允许范围之内;毛公馆所测爆破振动主振频率大幅低于住宅楼处爆破振动主频,爆破振动传播中振速随传播距离增加而衰减的同时,主振频率有向低频带转换的趋势,这是值得关注和进一步探讨的。

表3 爆破振动监测数据Table 3 Vibration monitoring data

根据监测的爆破振动波形(见图9～图10),由于电子雷管的精准延时性能,电子雷管长、短延时组合网路中,组内设置短延时可使振动能量在时间分布上更加均匀,组间设置长延时则可完全避免组间爆破能量的叠加,减小感官上振动持续的时间。

图9 导爆管雷管起爆网路振动波形Fig.9 Vibration waveform of nonel detonator network

图10 电子雷管起爆网路振动波形Fig.10 Vibration waveform of electronic detonator network

4 结语

1)较大孔径炮孔在严格控制单响药量、单次起爆规模、爆破危害效应的前提下仍适用于城区基坑爆破,相对小孔径浅孔爆破更利于提高施工效率,控制成本。

2)多排大孔径超深减振孔对于近区爆破振动的衰减作用明显,但测点随爆区距离的增加,衰减作用减弱,城区爆破振动控制仍应以单响药量控制、单次起爆规模控制、振动传播地形因素控制为重点。

3)爆破振动传播过程中振速随传播距离增加而衰减的同时,主振频率有向低频带转换的趋势,在重点保护建(构)筑物处应着重考虑建(构)筑物的低频共振问题。