湘祁二线船闸深基坑控制爆破开挖效果与边坡防护措施探讨

段元振， 黄圣平， 刘 领， 张文侃， 彭 哲

(湖南省湘水集团有限公司, 湖南 长沙 410011)

0 引言

在船闸深基坑开挖过程中，时常会遭遇大面积复杂的岩石地质问题，爆破作业因其高效快捷的特点，成为解决此类问题的首选。虽然船闸深基坑爆破开挖可以松动一定范围内硬度较大的岩石，有效提高采掘机械的施工效率和工程施工进度，但爆破也可能造成岩石损伤失稳,引发安全事故。因此，如何有效控制船闸深基坑爆破效果、保障边坡稳定、降低危害和消除隐患成为了亟待研究的问题。

近些年来，为了促进爆破开挖技术在船闸工程中的有效运用，诸多学者对此进行了针对性研究。戴会超[1]、刘利军[2]、余明昌[3]、段瑞超[4]、罗鹏飞[5]、万国权[6]等从不同角度对船闸工程爆破开挖的影响因素及控制爆破指标进行了研究。这些研究在许多工程中取得了较好的应用效果，但是关于船闸深基坑控制爆破开挖与边坡安全防护措施相结合的研究成果却很少。鉴于此，以湖南省在建水运项目爆破量最大工程湘祁二线船闸为依托，采用合理的爆破设计参数，对比萨道夫斯基公式计算出的振动速度理论值与爆破实测振动监测数值，结合沉降变形实测数据对边坡安全稳定性进行了分析，同时提出了针对性的边坡防护工程措施。研究成果可为类似船闸工程控制爆破开挖与边坡防护相结合技术的运用提供借鉴。

1 工程概况

1.1 地质条件

湘祁二线船闸位于湘江左岸，船闸基坑石方爆破量110万m3,为目前湖南省在建水运项目爆破量最大的工程。船闸区原始地貌为冲沟及小山坡，地形较起伏，冲沟中出露湘江I级阶地；船闸下游通过山坡及湘江I级阶地，小山坡最大高程94.8m，坡度30°～45°，局部人工开挖后坡度达70°～80°，山坡坡体较稳定。沿闸线第四系覆盖层多为残坡积和冲积堆积粉质黏土及块石填土，中风化泥质粉砂岩、微风化粉砂岩等基岩局部出露。

1.2 爆破设计参数

以下游船闸基坑段石方爆破开挖为目标进行研究，为能很好地控制爆破飞石，确保爆破自由面与飞石方向一致，全部实施垂直钻孔，排间呈梅花形。主爆区爆破网路采用导爆管非电起爆系统，毫秒延期起爆网路，即孔内延时孔外接力传爆网路，孔外用MS3～MS4段，孔内用MS7～MS10段非电导爆管雷管。为了保证最大段单响药量不超过计算药量，在距离建筑60 m以内爆破，中深孔爆破应采取逐孔(簇)起爆，随着爆破点远离保护目标，可逐步增加每段起爆炮孔的数目。该工程爆破条件良好，起爆网路设计为“排间起爆”，前排先爆，由前往后逐排起爆，边孔比同排孔高一个段别，同时采取在基坑靠近边坡预留保护层的两侧周边布置若干减震孔等工程技术措施，以确保边坡稳定。施工过程中配合采用振动监测仪和边坡沉降变形观测设备进行实时监测。该研究段中深孔台阶爆破设计参数为： ① 钻孔直径D=90 mm；②孔距a=2.2 m；③排距b=2.0 m；④钻孔深度L=4.5 m；⑤炸药单耗q=0.4 kg/m3(按松动爆破的经验取值，通过现场试爆效果进行调整)；⑥单孔装药量Q=qabH；⑦装药深度L1=2.0 m；⑧填塞长度L2=2.5 m；⑨药卷直径φ=70 mm；⑩长度为500 mm；每卷重2.0 kg。

2 爆破理论公式

结合工程所属地区地质特征，采用萨道夫斯基公式计算振动速度：

(1)

式中：R为爆破振动安全允许距离，m；Q为炸药量，kg；齐发爆破为总药量，延时爆破为最大一段药量；v为保护对象所在地质点振动安全允许速度，cm/s；k、α分别为与爆破点至计算保护对象间的地形、地质条件有关的系数和衰减指数。

根据此工程地质特点，考虑到地下水丰富，基本处于饱和状态，岩石中风化和微风化，结合湖南省株洲航电枢纽二线船闸主体爆破所得经验，k取250，α取1.8。

本次爆破作业距下游船闸基坑控制点安全距离R为100 m，最大单响药量Q为24 kg，将数值代入式(1)，计算得下游船闸控制中心的振动速度理论值v为0.42 cm/s。

3 监测分析

爆破作业过程中采用振动监测仪实时监测下游船闸基坑段的振动速度，通过记录多组爆破监测数据，分析爆破控制效果，振动速度监测数据见表1。

表1 湘祁二线船闸下游基坑段振动速度监测数据序号水平X方向最大振速/(cm·s-1)半波主频/Hz水平Y方向最大振速/(cm·s-1)半波主频/Hz垂直Z方向最大振动速/(cm·s-1)半波主频/Hz10.2014.930.1617.240.1822.3520.2816.460.2824.540.0120.7330.1715.270.1021.740.0142.5540.3020.300.1627.590.0134.7850.1116.460.1317.240.0145.5460.3433.900.3122.220.0115.81

从表1数据可知，船闸下游基坑段质点峰值振动速度为0.34 cm/s，通过计算其理论峰值振动速度值为0.42 cm/s，100%质点峰值振动速度值小于理论计算值。根据《爆破安全规程》(GB6722—2014)规定，对一般民用建筑物安全允许振动速度为2.0～2.5 cm/s(10 Hz～50 Hz)。由爆破振动测试结果可知，实测爆破振速、振动频率低于《爆破安全规程》(GB6722—2014)规定的爆破振动安全允许标准。爆破所产生的振动不会对周边建筑物、边坡等造成安全影响。从主频率因素看，观测点的主频率在14.93～33.9 Hz之间变化，爆破振动频率大于建筑物的固有频率(建筑物的固有频率一般小于3 Hz)，爆破振动不可能与周边建筑物发生共振，因此建筑物不会因共振而出现裂缝。以上分析表明爆破控制比较理想，爆破施工设计参数比较科学。结合现场实际边坡监测情况，基坑爆破未对控制区域内的边坡岩石有过度损伤和扰动，边坡整体处于安全稳定状态。爆破完成后该段边坡的整体效果见图1，局部效果见图2。

本次爆破作业完成后对下游船闸基坑段进行了实时的边坡沉降变形观测，沉降变形监测数据见表2。

图1 深基坑爆破边坡整体效果

图2 深基坑爆破边坡局部效果

表2 湘祁二线船闸下游段基坑沉降变形监测数据编号本期日均值/(mm·d-1)本期累计沉降值/mm本期累计位移总变形量/mm报警值日均值/(mm·d-1)累计沉降值/mm累计变形量/mm是否达到预警值10.0011.454030否20.1121.654030否30.0010.654030否40.1122.254030否50.0031.954030否60.0043.654030否70.0553.154030否80.0522.354030否90.1142.854030否100.2521.254030否110.5042.154030否120.2521.454030否 注: 沉降变形以向下为正,向上为负。

从表2数据可知，监测沉降变形的日均最大值0.5 mm/d，远小于日均报警值5 mm/d；累计沉降最大值5 mm，远小于累计沉降值40 mm的报警值。累计位移变形量最大值3.6 mm，远小于累计沉降值30 mm的报警值。

以上监测数据表明爆破控制作用有效，基坑爆破未对边坡整体沉降变形产生显著的影响，边坡整体处于安全稳定状态。

通过爆破振动和沉降变形监测分析，虽然边坡整体处于安全稳定状态，但爆破后局部边坡岩土体存在破碎和风化程度加剧风险，需要采用措施对裸露边坡进行有效防护，以确保边坡在后续施工中保持稳定状态。

4 边坡防护措施

针对湘祁二线船闸深基坑的复杂地质条件，在基坑爆破实施过程中，采用了多种实用可靠的边坡防护措施，同时针对局部较软弱岩土体优化调整了爆破设计参数，有效地保障了边坡的自身稳定。主要采取了如下举措。

1) 在基坑靠近边坡预留保护层的两侧周边布置若干减震孔，将最小爆破抵抗线指向控制在安全方向上，以此降低爆破振动对边坡的扰动。

2) 采用精确的毫秒微差分段爆破、简化爆破网络、控制一次装药量、单孔单响设计等工程技术措施，使爆破振动速度控制在安全允许的范围之内。

3) 边坡采用分级开挖、边坡坡脚处设置施工便道、坡顶坡脚设置排水沟(见图3)等工程技术手段，加大安全人员巡查频次，经常性地对边坡滚落孤石进行清理。

图3 深基坑爆破施工边坡坡顶排水沟

4) 上层砂砾土边坡采用密目式防护网(见图4)、土工布覆盖、裸露边坡生态复绿(见图5)的工程技术措施，减少土块的析离流失，以此增强边坡固土保水能力。

图4 深基坑爆破土质边坡密目网防护

图5 深基坑爆破施工边坡草籽生态护坡

5) 下层岩性边坡采用整体式防护钢丝网(见图6)和设置拦挡平台的工程技术措施，结合对松动的软弱岩体进行喷浆锚固，增强岩体固结稳定性。

图6 深基坑爆破岩质边坡钢筋网防护

6) 采用预应力锚杆加固，用以调动和提高岩土体的自身强度和自稳能力。

5 结语

以湖南省在建水运单体项目爆破量最大工程—湘祁二线船闸为背景，通过选取合理的爆破设计参数，对比萨道夫斯基公式计算出的振动速度理论值与爆破实测振动监测数值，结合沉降变形实测数据对边坡安全稳定性进行了分析。结果表明，现场爆破作业所采用的爆破设计参数较合理，爆破控制效果明显，边坡处于安全稳定状态。同时基于本工程的复杂地质条件，辅之有效的边坡防护措施，为边坡的安全稳定提供了更大保障。研究成果可为类似船闸工程控制爆破开挖与边坡防护相结合技术的运用提供借鉴与参考。