紧邻构筑物竖井开挖钻机引孔及控制爆破施工技术研究

张庆华

(中铁十二局集团第三工程有限公司 山西太原 030024)

1 引言

地铁工程在发达城市或人口密集的城市得到迅速发展，在缓解城市交通压力、减少噪声和污染、提高城市土地使用率、倡导绿色快捷出行等方面发挥了积极作用[1]。但是地铁施工常常修筑在城市已有道路下方，尤其是在修筑地铁紧急疏散楼梯井、无障碍电梯井的过程当中，竖井施工紧邻城市道路两旁已有建(构)筑物，爆破振动对已有建(构)筑物扰动较大。因此，如何安全、快速地完成竖井施工为车站主体施工提供通道就显得极为重要。本文以贵阳市轨道交通2号线10标北京西路站1号、2号紧急疏散楼梯井施工为依托，进行紧邻重要建(构)筑物竖井控制爆破开挖施工关键技术研究，为竖井施工保工期、保安全、保质量提供技术支持。

2 工程概况

贵阳市轨道交通2号线北京西路站位于北京西路下方，与北京西路相交大致呈南北向布置。在马王庙站-三桥站展线位置，沿南北向下穿北京西路。北京西路站总平面布置见图1。

图1 北京西路站总平面

考虑到1号紧急疏散楼梯紧邻医院及居民楼、2号紧急疏散楼梯紧邻贵州省三环机械厂，采用控制爆破开挖，因与建(构)筑物距离过近，爆破振速无法满足设计要求；加密炮眼布设、减少单孔装药量爆破效果又不理想，工期较长且工程中阻工现象频繁，无法满足工期要求。

3 施工重难点分析及对策

贵阳市轨道交通2号线10标在施工时对紧邻地下建(构)筑物进行专项钻爆设计以控制爆破振动、爆破飞石等爆破有害效应，在保证开挖深度及爆破效果的同时，有效地将爆破振速控制在1 cm/s以内；并根据竖井开挖尺寸及开挖区域内围岩等级，利用旋挖钻机进行引孔作业。引孔完成后渣土回填至孔内，竖井开挖区域呈“蜂窝煤”状。在未引孔区域打设炮眼，装药爆破，爆破面积小，炮眼数量减少、装药量减少。借助孔内虚渣和延时爆破，减小爆破产生的弹性波的频率及振幅，从而使爆破产生的弹性波对地面振动效应减小，爆破振动得到控制。同时，旋挖钻引孔产生的轮廓，有效控制了爆破边界，从而很好地控制了超欠挖现象[2-4]。

施工中通过变换施工技术参数，经过多个循环的竖井控制爆破开挖现场工程试验，确定了适用于紧邻重要建(构)筑物竖井控制爆破开挖施工技术。

4 紧邻重要建(构)筑物竖井施工技术

贵阳市轨道交通2号线10标1号、2号紧急疏散楼梯竖井紧邻重要建(构)筑物，为最大限度减少施工对周边重要建(构)筑物的影响，在开挖过程中采用旋挖钻引孔+控制爆破施工技术。在竖井开挖区域内采用旋挖钻机引孔，可根据施工要求多台钻机同时作业；爆破作业只需在未引孔区域进行，减轻了作业人员的劳动强度，提高了工作效率，节约了工期，间接减少了成本费用，同时减少了对周边重要构筑物的影响。

4.1 紧邻重要建(构)筑物竖井旋挖钻引孔施工工艺

旋挖钻引孔施工工艺流程见图2。

图2 旋挖钻引孔 施工工艺流程

4.1.1 施工准备

施工前除应熟悉施工场地工程地质资料和水文地质资料外，还需将邻近区域内的地上及地下管线(高压线、管道、电缆)、地下构筑物、危险建筑、实际地质情况与设计上的差别等资料也要准备齐全，确保不影响现场地施工。1号、2号紧急疏散楼梯井地质情况见表1。

表1 1～2号紧急疏散楼梯井地质情况

由于1号、2号紧急疏散楼梯井地质情况不同，在施工中，1号紧急疏散楼梯井采用旋挖钻引孔后挖机直接开挖的施工工艺，而2号紧急疏散楼梯井采用旋挖钻引孔+控制爆破的施工工艺。

4.1.2 旋挖钻引孔孔位布设

根据设计要求合理布置施工场地，先将原地面的淤泥及流砂清除后进行场地整平，组织测量放样人员将所需桩位放出，钉好十字保护桩，做好测量复核，并作好记录留查，下完护筒后拉上十字线复核护筒中心点是否与十字线中心吻合，以保证桩位准确[5]。

孔位放样按从整体到局部的原则进行，规划行车路线时，便道与钻孔位置保持一定的距离，以免影响孔壁稳定[6-7]；钻机底盘不宜直接置于不坚实的填土上，以免产生不均匀沉陷[8-9]；钻机的安放位置应考虑钻孔施工中孔口出土清运的方便[10-11]。孔位的中心，成孔前用全站仪放点、十字线定位，下护筒后二次检测复核，在终孔后必须检测，使其误差在规范要求内，以确保孔位准确[12]。

贵阳市轨道交通2号线10标1号、2号紧急疏散楼梯竖井孔位编号及布置见图3、图4。

图3 1号紧急疏散楼梯井孔位编号及布置(单位：m)

图4 2号紧急疏散楼梯井孔位编号及布置(单位：m)

4.1.3 引孔施工参数选择

为取得旋挖钻机引孔施工技术参数，施工中在1号、2号紧急疏散楼梯井对其进行了多种围岩、多种孔径、多个间距及多个循环的现场试验，以指导旋挖钻引孔作业施工。

(1)孔径选择

为控制旋挖钻引孔施工成本，并保证引孔区域满足控制爆破需求，同时为了避免孔径过大在较硬岩层中钻进速度过慢的情况，施工时，要结合竖井开挖尺寸及围岩等级，合理选择孔径。

(2)孔间距确定

为确保控制爆破精度，施工时要注意孔的空间分布，引孔间距直接决定了旋挖钻机引孔数量及爆破区域面积。因此，合理选择引孔间距有利于成本的控制、有利于控制爆破的精准操作。

旋挖钻引孔成本与工期节约成本因地域、工程项目不同而不同，需经项目造价部门核算，选取最优的引孔直径及引孔间距。根据对2号紧急疏散楼梯井现场试验结果，不同围岩等级引孔直径与引孔间距可参考表2。

表2 不同围岩等级旋挖钻引孔施工参数

4.1.4 引孔作业

目前，国内现有旋挖钻引孔作业技术已相对成熟，施工过程中为增加工作效率，按孔位编号(见图3、图4)依次施工，钻进下一孔位内的渣土可直接回填至上一完成孔位，随挖随填。条件允许可配备挖机配合清理多余渣土，以减少钻机不必要的移动。

4.2 紧邻重要建(构)筑物竖井控制爆破施工工艺

在贵阳市轨道交通2号线10标1号、2号紧急疏散楼梯井施工中，采用旋挖钻进行引孔作业，经钻芯取样和现场试验，确定了1号紧急疏散楼梯井采用旋挖钻引孔后挖机直接开挖的施工工艺，2号紧急疏散楼梯井采用旋挖钻引孔+控制爆破的施工工艺。在未引孔区域打设炮眼，装药爆破，爆破面积小，炮眼数量减少、装药量减少，同时借助孔内虚渣和延时爆破，减小爆破产生的弹性波的频率及振幅，从而使爆破产生的弹性波对地面振动幅度减小，爆破振动得到控制。紧邻重要建(构)筑物竖井控制爆破施工工艺见图5。

图5 竖井控制爆破开挖施工工艺流程

(1)炮眼孔位测放

测量放线定位孔，为更好地控制超欠挖，周边孔位外切于竖井开挖轮廓线，四个角孔内接于竖井开挖角点。为便于炮眼布设，孔位应横平竖直，爆破区域满足炮眼布设需求。测量定位孔位，用钢筋作好孔位标志并进行编号，具体布置见图6。

图6 旋挖钻引孔作业孔位布置

(2)炮眼布设

传统的竖井爆破开挖需要从中间往两边分别布置掏槽眼、辅助眼、周边眼，经旋挖钻机引孔后，只需对竖井开挖区域内未引孔岩体进行松动爆破即可。炮眼布置于孔位之间的未引孔岩体内，根据起爆深度确定炮眼角度，一般控制在15°～30°之间；炮眼深度根据开挖深度以及炮眼角度进行调整，一般控制在3 m以内；炮眼排数根据爆破面积确定。

(3)装药连线

因仅需对未引孔岩体进行松动爆破，单孔装药量远远少于常规控制爆破装药量。装药量根据围岩地质情况确定，正式爆破前，通过2～3个循环的试爆效果调整装药量。

雷管采用电子毫秒雷管，根据爆破排数确定雷管延迟毫秒数，通过微差起爆，可更好地达到爆破预期效果，同时避免了爆破产生的弹性波叠加导致的振动频率及振幅的增加。

(4)辅助措施

为确保爆破作业安全，防止爆破产生的飞石飞出竖井，危害周边建(构)筑物及车辆行人安全，装药连线完成后，采用炮皮+棉被对整个控制爆破开挖区域进行覆盖；同时，竖井口采用炮被覆盖(炮被高于井口5～10 cm，以减少爆破冲击)，减小爆破产生的施工噪声，避免飞石飞出竖井。爆破前，鸣哨示警，疏散爆破区域10 m范围内行人、拦截道路车辆，响炮后方可恢复交通。

4.3 实施效果评价

在北京西路站1号、2号紧急疏散楼梯井采用本施工技术，未发生居民阻工、周边建(构)筑物沉降开裂等安全和质量事故，实现了紧邻重要建(构)筑物竖井控制爆破开挖易控的目的，加快了施工进度，产生了良好的社会效益。

(1)爆破振速得到有效控制

按照“弱爆破、严注浆、短开挖、强支护、早封闭、勤量测”原则进行施工，爆破监测数据稳定，振速符合设计要求。

(2)工期可控

旋挖钻引孔作业后实施松动爆破，可规避过程中炮损纠纷造成的阻工，工期能够得到有效控制。

(3)对周边环境干扰小

采用该技术，爆破噪声及振动得到有效控制，爆破振动对周边重要建(构)筑物几乎无影响。根据日常监测报告，周边建(构)筑物无沉降、开裂现象。

5 结论

(1)在竖井开挖区域内采用旋挖钻机引孔，可根据施工要求多台钻机同时作业；爆破作业只需在未引孔区域进行，减轻了作业人员的劳动强度，提高了工作效率，节约了工期，间接减少了成本费用。

(2)旋挖钻引孔作业后，有效控制了爆破产生的弹性波对地表的振动，与传统控制爆破相比，同等药量情况下，爆破深度更深、振动更小，加快了施工进度，同时开挖边界受到引孔孔位的控制，提高了爆破作业操作精度，很好地控制了超欠挖现象。

(3)旋挖钻机引孔后，当遇到特殊情况火工品无法供应时，利用引孔后形成的大量临空面，也可采用机械破碎的方式进行开挖作业，受火工品供应影响较小，施工灵活性高。

(4)旋挖钻引孔+控制爆破技术，将施工区域与非施工区域有效隔离，减少了对周边重要构筑物的影响，规避了炮损阻工纠纷。