劉高飛

(中鐵十七局集團有限公司，山西太原030006)

地鐵車站深基坑爆破開挖振動控制技術

劉高飛

(中鐵十七局集團有限公司，山西太原030006)

長沙地鐵2號線西延線工程一車站基坑開挖方量大，工期緊，周邊緊鄰住宅區(qū)，交通流量大。采用深孔爆破與淺孔爆破相結(jié)合的爆破方式。為控制爆破開挖振動，通過現(xiàn)場試驗和數(shù)值模擬分析，總結(jié)出了微差爆破的最佳間隔時間和減振孔設計參數(shù)。通過采用毫秒延時起爆和減振孔相結(jié)合的綜合爆破振動控制技術，保證了周邊建筑、圍護結(jié)構(gòu)和止水帷幕的安全，加快了施工進度。

地鐵 基坑 微差爆破 減振孔 振動控制

1 概述

長沙地鐵2號線西延線工程土建施工2標梅溪湖東站位于既有雷鋒西大道上?；娱_挖深度20 m，寬度21 m，長度200 m。巖層埋深淺，石質(zhì)堅硬，基底基本位于元古界板溪群中、微風化板巖，開挖方量達8.4萬m3，工期僅3個月。為滿足工期要求，爆破方案采用深孔爆破與淺孔爆破相結(jié)合，以深孔爆破為主?；又苓吘o鄰航發(fā)錦繡家園小區(qū)和麓陽和景小區(qū)，水平距離最小為13 m，交通流量大，爆破作業(yè)風險高，必須采用爆破開挖振動控制技術。

為了確保爆區(qū)結(jié)構(gòu)物及周圍環(huán)境的安全，必須嚴格控制爆破振動和飛石。從國內(nèi)外相關研究爆破振動危害控制的文獻來看，采用以下技術措施可以降低爆破地震效應:①采用低爆速、低密度的炸藥或減小裝藥直徑;②控制單響最大藥量;③預裂隔振帶或減振溝;④選擇最小抵抗線方向;⑤采用微差延時起爆技術;⑥增加布藥的分散性和臨空面;⑦選擇合理的裝藥結(jié)構(gòu)。

為了安全高效地完成該爆破開挖工程，通過現(xiàn)場試驗和數(shù)值模擬分析總結(jié)出了一套適用于本工程的減振技術。

2 減振試驗

本次驗主要分析微差爆破技術以及減振孔對爆破減振效果的影響，因此具體采用如下2組試驗:①測試微差爆破技術對減振效果的影響，主要研究毫秒延時起爆時間間隔對爆破動力響應的影響;②研究減振孔(溝、縫)對爆破開挖減振效果的影響，試驗分析減振孔深度和具體位置對整體減振效果的影響。

振動監(jiān)測使用了2臺四川拓普測控科技有限公司生產(chǎn)的NUBOX-6016智能振動監(jiān)測儀和1臺UBOX5016爆破振動智能監(jiān)測儀。速度傳感器采用垂直向速度傳感器PS-4.5和水平向速度傳感器PSH-4.5。

采用BM View專用分析軟件實現(xiàn)設備控制、參數(shù)設置、波形顯示、數(shù)據(jù)讀取等功能，根據(jù)薩道夫斯基經(jīng)驗公式進行爆破振動的分析、統(tǒng)計、管理。

3 試驗測試結(jié)果分析

3.1 微差爆破減振效果分析

采用相同的爆破環(huán)境、爆破規(guī)模及爆破參數(shù)，分4排爆破，每排5孔，采用排間微差起爆，每段藥量均為50 kg，具體爆破參數(shù)為:孔徑φ=78 mm;孔深l= 5.0 m;孔距a=3.0 m;排距b=2.5 m;單耗q=0.27 kg/m3;單孔藥量Q=10 kg。

以上爆破參數(shù)不變，僅調(diào)整起爆間隔，對間隔時間Δt分別為25，50，75，110和150 ms 5種爆破工況進行振動測試分析。采用孔內(nèi)、孔外結(jié)合的爆破網(wǎng)路，孔內(nèi)為MS12段，孔外分別為MS2，MS3，MS4，MS5，MS6。每個工況進行6組平行試驗，測振點距爆心20 m，測試結(jié)果見表1。

由表1可知，5種工況的最大爆破振動速度分別為1.31，0.82，0.71，0.93，1.05 cm/s。隨著延時起爆時間間隔增加，振動速度先降低再增加，存在一個最佳的毫秒延時起爆時間間隔區(qū)域，即間隔時間在50～75 ms時可達較為理想的減振效果。主振頻率和持續(xù)時間在這一區(qū)間沒有明顯的變化。

表1 不同間隔時間振動參數(shù)統(tǒng)計

3.2 減振孔減振效果分析

爆破振動波的傳播特征主要取決于介質(zhì)的波阻抗特性，當振動波到達不同介質(zhì)分界面時，由于波阻抗特性的不同，振動波將發(fā)生反射和透射，所以爆破振動波經(jīng)過減振孔后爆破振動強度降低。

研究炸藥爆炸時減振孔對爆破振動傳播的影響，具體涉及的參數(shù)主要有減振孔直徑D、深度H，減振孔離炮孔之間的距離L。采用數(shù)值模擬的方法加以研究，數(shù)值模擬軟件采用大型非線性有限元/有限差分軟件AutoDYN。

在對模型進行網(wǎng)格剖分時，模型的尺寸大小應力求精確。在建模時采用了變網(wǎng)格技術，其中最小網(wǎng)格尺寸為5 mm。為了減少計算量，提高計算精度，盡量使建立的模型空間尺寸較小，考慮到計算時間的問題，可以把整個模型簡化為二維平面對稱模型。數(shù)值模型初始狀態(tài)如圖1所示。為了記錄減振孔后某位置處爆破振動幅值，采用設置示蹤點(如圖1中的1～7號點)的方法來記錄炸藥爆炸后該處參量的變化情況。

圖1數(shù)值模型初始狀態(tài)

圖2 為炸藥爆炸后幾個典型時刻壓力云圖?？芍?①0.4 ms時炮孔左側(cè)的沖擊波傳播到巖石上表面處，在右側(cè)由于減振孔的存在，阻斷了周邊沖擊波向右側(cè)傳播，同時反射回一拉伸波。②0.8 ms時炮眼底部部分沖擊波繞過減振孔底部向右側(cè)繼續(xù)傳播。③1.2 ms時右側(cè)沖擊波繞過減振孔并傳播到巖石表面，但其強度與炮孔左側(cè)同樣距離處相比明顯減弱，僅為左側(cè)的20%～30%。在減振孔左側(cè)的1.5～2.0倍孔深范圍內(nèi)其振動強度更低，僅是其外側(cè)(2.0倍孔深以外)的5%～10%。

從圖2可見，減振孔(連續(xù)的)可將炮眼側(cè)面的地震波阻斷，炮眼底部的地震波則是繞過減振孔底部向右側(cè)繼續(xù)傳播，其減弱強度與孔深有關。由此可以得出:減振孔可以較好地降低爆破地震波，但其效果與減振孔的連續(xù)性和孔深有關，連續(xù)性越好，側(cè)向波被阻斷得越好，深度越深則底部波被阻斷得越好。

圖2 炸藥爆炸后典型時刻壓力云圖

4 爆破方案

4.1 方案確定原則

根據(jù)以上試驗及數(shù)值分析結(jié)果采用減振孔和微差起爆等減振措施，選用爆破開挖可以保證基坑圍護結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境安全。爆破開挖須遵循以下要求:

1)為減小爆破對邊坡的振動破壞，也為了控制爆破大塊率，便于裝渣施工，采用非電毫秒雷管進行毫秒微差爆破，應用小排距、大孔距梅花形的布眼方法，每次爆破3～5排。

2)爆破開挖時嚴防爆破振動造成止水帷幕和圍護結(jié)構(gòu)破裂，更不允許爆破動力直接破壞鉆孔圍護樁的樁腳，造成圍護樁失穩(wěn)，整體垮塌。為此，在必要時距圍護樁邊0.5～1.0 m鉆鑿1～2排減振孔實現(xiàn)卸壓控爆，以保證圍護結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定。

3)結(jié)合基坑開挖方案，分層分段進行爆破開挖，每次爆破深度盡量不超過5 m。

4.2 爆破參數(shù)

在原有爆破方案設計的基礎上，根據(jù)理論分析和數(shù)值模擬計算結(jié)果，為了控制爆破飛石、爆破振動以及保護基坑邊坡穩(wěn)定性，爆破施工采用掏槽孔、主爆孔以及減振孔相結(jié)合的方式。施工時預留保護層，爆破與機械開挖相結(jié)合，毫秒延時起爆，嚴密防護，從而體現(xiàn)定量化的爆破設計，精細化的管理與施工。具體爆破參數(shù)如下。

1)掏槽爆破參數(shù)

為防止飛石并增加主爆區(qū)的臨空面，主體爆破前在基坑兩端先進行掏槽爆破。中深孔掏槽爆破參數(shù)為:φ=78 mm，L=5.5 m，a=2.5 m，b=2.0 m，q= 0.4 kg/m3，Q=10 kg。

2)主爆孔爆破開挖

在主爆區(qū)，采用中深孔爆破，由兩掏槽區(qū)向中間分層爆破，使得爆破飛石向基坑中部拋擲，臺階高度為4.5 m。具體參數(shù)為:L=5.0 m，a=3.0 m，b=2.5 m，q=0.25 kg/m3，Q=10 kg。

4.3 爆破安全控制

1)減振孔設計

為了保護臨近河道堤岸和已施作完成的基坑止水帷幕，除了采用微差起爆減振外，還采用減振孔減振。在距邊坡1.5 m處平行于邊坡線開鉆減振孔，具體參數(shù)為孔徑100 mm，孔距30 cm，采用雙排交錯布置，孔深22 m(一次打到底板下2.0 m)。這樣又形成了1.5 m寬的邊坡保留防護帶。主區(qū)爆破完成后，再采用機械破碎或淺眼爆破開挖保留部分。

2)微差起爆網(wǎng)路

采用非電毫秒延期雷管起爆，由前文分析可知，毫秒延時起爆時間間隔在50～75 ms時爆破振動控制較好，所以這里采用孔內(nèi)延時與孔外延時相結(jié)合的方法，即孔外MS3或MS4、孔內(nèi)MS12，實現(xiàn)每孔1個段別的逐孔起爆。

3)爆破飛石防護

掏槽爆破時，爆破飛石有向上拋擲的可能，因此需采取重型覆蓋防護，即在爆破區(qū)炮孔上蓋砂袋，上層再覆竹夾板或用廢舊輪胎制作的炮被。主體爆破時由于多了側(cè)向臨空面，爆破參數(shù)設計合理就可控制飛石，為防萬一，可在上層覆一層炮被。

5 結(jié)論

1)通過現(xiàn)場多次試驗，采用以上優(yōu)化后的爆破方案進行施工，在距爆破區(qū)最近的圍護樁樁頂處測得的爆破最大振速為2.192 cm/s(允許振速為5.0 cm/s)，在附近房屋處測得的最大振速為0.602 cm/s(允許振速為1.0 cm/s)，最大振速是估算值的50%～60%，并遠小于爆破規(guī)程規(guī)定值，說明爆破開挖對周邊建筑危害較小。

2)通過采用毫秒延時起爆和減振孔減振相結(jié)合的綜合爆破振動控制技術，很好控制了爆破振動，在保證周邊環(huán)境的安全的同時，保證了圍護結(jié)構(gòu)和止水帷幕。施工時增加了每次爆破的規(guī)模，一次爆破方量可達500 m3，是淺眼爆破的6～10倍，且不易飛石。爆破方案在保證安全的同時，大大加快了施工進度，節(jié)約了成本，取得了良好的經(jīng)濟和社會效益。

［1］杜明玉，阮慶松，彭進強，等.地鐵車站深基坑施工對周圍環(huán)境影響評價分析［J］.鐵道建筑，2013(4):80-82.

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［4］肖采平.爆破工程與環(huán)境保護［C］//第七界工程爆破學術會議論文集.新疆:新疆柯文出版社，2001.

［5］王海亮.鐵路工程爆破［M］.北京:中國鐵道出版社，2001.

(責任審編李付軍)

TU94+1

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.12.17

1003-1995(2015)12-0063-03

2015-07-17;

2015-07-29

劉高飛(1970—)，男，高級工程師，工程碩士。