地铁盾构区间预爆破工程中的装药与布孔方式

黄 楠，顾阳光

(江苏省矿业工程集团有限公司，江苏 徐州221000)

1 工程概况

1.1 工程简介

因设计调整原地下2 层站变更为地下3 层站,导致凤美盾构区间盾构埋深加大,掘进范围内侵入大量凸起基岩,区间沿线零星分布的孤石强度高达133.8 MPa,盾构机在这种情况下掘进时容易导致盾构机卡住、刀盘刀具损坏、轴线偏差及地面塌陷等情况。

1.2 工程地质

1)地层岩性

隧道上部为含砾粉质黏土、强风化灰岩、全风化灰岩,下部为中风化灰岩。 中风化灰岩室内天然单轴抗压强度为29.2 ～99.1 MPa,抗压强度标准值为63.81 MPa;室内饱和单轴抗压强度为20.20 ～95.00 MPa,抗压强度标准值为56. 17 MPa,属较硬岩。

2)地基土

地基土主要为第四系地层,由杂填土、素填土和各类黏土构成,土层对钻孔有一定影响,对爆破作用影响相对较小。

2 爆破施工技术设计

2.1 火工品的选择

雷管选用澳瑞凯(威海)爆破器材有限公司生产的高精度毫秒导爆管雷管,炸药选用2#岩石乳化炸药,药卷规格为ø32 mm 或ø60 mm。

2.2 基岩爆破参数的确定

1)钻孔直径

采用地质钻机钻孔,孔径为ø115 mm,然后内置PVC 管防塌孔,管径为ø90 mm。

2)布孔形式

平面布孔形式采用方形布孔,布孔如图1所示。

图1 爆破孔位布置

3)孔网参数

根据工程设计图,孔网参数取0.8 m× 0.8 m,钻孔超深为0.6 ～1.0 m。

4)单耗计算

由于需要爆破处理的岩石位置较深,且在水下爆破施工,依据瑞典的设计方法,单位耗药量根据式(1)计算:

q=q1+q2+q3+q4(1)

式中:q1为基本装药量,kg/m3,一般取陆地梯段爆破的两倍(本工程爆破视为水下爆破),对水下垂直钻孔,再增加10%,此处q1取1.0;q2为爆区上方水压增量,取0.01h2,h2为水深,m;q3为爆区上方覆盖层增量, 取0.02h3,h3为覆盖层厚度,m;q4为岩石膨胀增量,取0.03h4,h4为梯段高度,m。

本工程h2取20 m,h3=20 m,h4=4 m(平均装药长度)。

q=1.0+0.01×20+0.02×20+0.03×4=1.72(kg/m3)

该计算单耗是在有自由面时的爆破单耗,本工程考虑1.5 ～2 倍的系数,结合预爆破时试验段施工实际单耗为4. 67 kg/m3,设计爆破单耗取4.0 kg/m3。

2.3 装药结构

所有炮孔都装药,第一排炮孔药量加大20%,用以压缩第一排炮孔前方的土(或前次爆破的碎石),为后续岩石移动创造空间。

1)由于本工程环境复杂,装药结构主要考虑到最大齐爆药量的控制,当单孔药量低于最大齐爆药量时,采用连续装药。

2)当单孔药量超过最大齐爆药量时,采用间隔装药。

3)爆破钻孔深度根据隧道断面轮廓确定,孔底连线成弧形,如图2 所示。

图2 掘进隧道布孔形式

2.4 堵塞

用一根3 m 长的ø70 mm PVC 管装满0.5 cm的瓜子片,用铁丝悬吊于孔口,相当于堵塞长度3 m,堵塞长度不足时,再加一根PVC 管,直至堵满炮孔。

2.5 起爆网路与起爆方法

1)起爆顺序原则

采取毫秒延时起爆网路,前排孔先爆,挤压周围土层产生自由面,再对后排孔进行逐孔起爆。

总体爆破顺序为纵向分段、横向分块、外围向中部合拢。 单次爆破起爆顺序从低到高,从周边到中间,从前排到后排,即从岩石低的地方先起爆,顺序传递到岩石高的区域。

2)起爆网路

为保证起爆准爆率,孔内装入双发雷管,网路形式可以采用孔间延期25 ms,排间延期65 ms 的连线方式,实现逐孔起爆。

3 安全设计

3.1 最大单段起爆药量计算

爆破振动强度与爆破最大单段起爆药量有关,为保证被保护建构筑物的安全,必须控制最大单段起爆药量Qmax及爆破总药量。

根据萨德夫斯基经验公式(2)计算最大单段起爆药量。

式中:V为保护对象所在地安全允许质点振速,cm/s;Q为最大单段起爆药量,kg;R为爆破振动安全允许距离,m;K为与爆破点至保护对象间的地形、地质条件有关的系数;α为与爆破点至保护对象间的地形、地质条件有关的衰减指数。

爆破区域周围需保护的对象主要为民用建筑和市政管线等,为保证其安全,爆破振动速度控制标准按民房1.5 cm/s、市政管线5 cm/s 控制。

根据试验段实测爆破振动数据回归计算得到K=129、α=1.45,根据爆破振动控制标准计算出不同距离处的允许最大单段起爆药量,见表1。

表1 不同距离处的允许最大单段起爆药量

每次爆破前,根据现场环境确定爆破允许的最大单段起爆药量,并确保实际单段起爆药量小于此值。

3.2 爆破飞石安全距离

施工装药位置上部有7 ～20 m 厚的土层覆盖,又在地面炮口处铺设炮被,未产生飞石危害。

4 结语

通过现场多次爆破结果来看,采用隧道断面轮廓底部连线成弧形布孔、间隔装药与连续装药结合、平行连接逐孔网路起爆的方式,有效地保证了周围土体的完整性,掘进区内的岩石破碎较好,解决了盾构机掘进过程中遇到坚硬岩石而造成卡刀的问题。