何　闖， 王海亮

(山東科技大學(xué)礦山災(zāi)害預(yù)防控制省部共建教育部重點實驗室， 山東 青島　266590)

?

優(yōu)化爆破參數(shù)進(jìn)行地鐵車站隧道控制爆破

何闖， 王海亮

(山東科技大學(xué)礦山災(zāi)害預(yù)防控制省部共建教育部重點實驗室， 山東 青島266590)

摘要：為減小爆破振動速度和提高炮眼利用率，以青島地鐵2號線車站主體Ⅰ部上臺階的爆破開挖為背景，從理論上分析了由于掏槽區(qū)域爆破效果差引起爆破振動過大，由于掏槽眼不對稱、掏槽區(qū)域布置不當(dāng)、掏槽眼間排距過大、輔助眼排距過大、未封堵炮孔等原因造成炮眼利用率較低。結(jié)合理論計算和工程前期施工經(jīng)驗對楔形掏槽參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，同時在校核單段最大起爆藥量時考慮了多自由面的影響。結(jié)果表明： 優(yōu)化后的復(fù)式楔形掏槽使炮眼利用率提高到90.5%，爆破振動速度控制在0.7 cm/s以內(nèi)。

關(guān)鍵詞：青島地鐵； 隧道； 楔形掏槽； 爆破振動； 炮眼利用率； 爆破參數(shù)

0引言

楔形掏槽是斜眼掏槽中較易掌握的掏槽方式，它可以充分利用掌子面唯一的自由面,以較少炮孔消耗和炸藥消耗獲得較大的掏槽面積和槽腔體積[1]。因此，楔形掏槽已被國內(nèi)外學(xué)者廣泛研究和應(yīng)用。文獻(xiàn)[2]論述了楔形掏槽的發(fā)展歷程和楔形掏槽布孔參數(shù)及裝藥參數(shù)；文獻(xiàn)[3]運用層次分析法分析了影響楔形掏槽的因素所占比重；文獻(xiàn)[4]通過數(shù)值研究和試驗研究對復(fù)式楔形深孔掏槽爆破方法的可行性進(jìn)行了論證。目前，國內(nèi)外對于楔形掏槽方多集中在掏槽爆破理論方面，且楔形掏槽大多應(yīng)用在煤礦巖巷掘進(jìn)爆破中，而對地鐵隧道爆破楔形掏槽的研究較少，沒有考慮爆破振速對楔形掏槽參數(shù)的影響，更沒有對爆破現(xiàn)場掏槽效果不佳的原因進(jìn)行分析，未對隧道爆破中的楔形掏槽參數(shù)優(yōu)化。本文以青島地鐵2號線車站主體Ⅰ部上臺階的爆破開挖為背景，從理論和實踐的角度分析了造成楔形掏槽效果不佳的原因，結(jié)合理論計算和工程前期施工經(jīng)驗對楔形掏槽參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。

1工程背景

青島地鐵2號線延安路站總體為暗挖單拱雙層結(jié)構(gòu)，車站中心里程處拱頂覆土約17 m，全長160 m。車站主體開挖斷面寬23.44 m，高18.37 m，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工。車站西側(cè)為冠業(yè)大廈29層樓，要求振速控制在1.0 cm/s。采用2臺TC-4850測振儀測振，測點位于冠業(yè)大廈負(fù)1層。

首先開挖的車站主體 Ⅰ 部采用上下臺階法施工，下臺階開挖進(jìn)度滯后于上臺階約10 m。上臺階開挖斷面寬7.97 m，高3.91 m，斷面面積19.5 m2，圍巖等級Ⅳ～Ⅴ，已開挖長度29.5 m。冠業(yè)大廈距離車站主體 Ⅰ 部上臺階水平距離15.1 m，垂直距離17.1 m。車站主體與冠業(yè)大廈的平面及剖面位置關(guān)系如圖1所示。

圖1　車站與冠業(yè)大廈的平面及剖面位置關(guān)系(單位： m)

Fig. 1Plan and cross-section of the Metro tunnel and Guanye Mansion (m)

2爆破現(xiàn)狀及原因分析

2.1爆破現(xiàn)狀

車站主體Ⅰ部上臺階的爆破開挖采用YT28型氣腿式鑿巖機鉆眼，炮孔直徑42 mm。雷管采用第一系列毫秒延期塑料導(dǎo)爆管雷管，所用段別為1、3～20共19個段別。炸藥為2號巖石乳化炸藥，規(guī)格為φ32 mm×200 mm，每卷0.2 kg。掏槽采用復(fù)式楔形掏槽，分2次爆破，第1次爆破斷面部分長8.00 m，高1.90 m，開挖面積13.1 m2。導(dǎo)爆管網(wǎng)路傳爆聯(lián)接方式為簇聯(lián)?，F(xiàn)場炮眼布置見圖2。爆破參數(shù)見表1。出渣后的爆破效果如圖3所示。為節(jié)約爆破循環(huán)用時，Ⅰ部下臺階與Ⅰ部上臺階Ⅰ區(qū)域一次起爆，爆破順序為: 下臺階、上臺階Ⅰ區(qū)域，之間用第19段雷管進(jìn)行孔外延期。因此，從1.7 s以后，為上臺階Ⅰ區(qū)域的爆破數(shù)據(jù)，如圖4所示。

掏槽區(qū)域的中心線處爆破進(jìn)尺0.5 m，掏槽部分爆破進(jìn)尺0.8 m，周邊眼及底眼發(fā)生“沖炮”，炮眼完好，未取得爆破進(jìn)尺。最大爆破振速達(dá)0.98 cm/s，接近1.0 cm/s的控制要求。

2.2原因分析

2.2.1振速過大的原因分析

由圖4可知，最大振速出現(xiàn)在2.1 s，1.7～2.3 s爆破數(shù)據(jù)普遍偏大，可見，振速偏大為掏槽區(qū)域的爆破所致。據(jù)已有研究[5]： 振速峰值一般出現(xiàn)在掏槽眼爆破過程中。當(dāng)掏槽區(qū)的碎石能順利拋出，則給予未作用于巖石的那部分爆炸能量向空氣自由面的溢出空間，從而可以降低爆破振動[6]。而此次爆破由于掏槽未爆開，后續(xù)的爆破沒有足夠的自由面，爆炸過程中，發(fā)生巖石擠實現(xiàn)象，未作用于巖石的那部分爆破能量難以溢出，故爆破振動較大。

圖中1～19代表雷管段別，Ⅰ～Ⅱ代表分次的起爆區(qū)域。

炮孔名稱段別眼數(shù)傾角/(°)炮孔深度/m單孔裝藥量/kg單段最大起爆藥量/kg一級掏槽1、3455、601.22、1.280.20.4二級掏槽4～7860、702.30、2.230.61.2輔助眼8～1632901.800.42.4周邊眼13～1911951.810.30.9底眼8、10、11、13、15～1816951.810.41.6

圖3　爆破效果

2.2.2炮眼利用率低的原因分析

1)掏槽眼不對稱。由圖2可知，第一級掏槽眼角度相差5°，第二級掏槽眼角度相差10°。而掏槽眼的傾角是影響楔形掏槽爆破的主要因素，權(quán)值達(dá)到11.15%[3]。據(jù)已有資料[7]，當(dāng)掏槽眼不對稱布置時,在巖體內(nèi)生成的裂隙要弱于對稱布置,導(dǎo)致爆破漏斗體積小，爆破效果差。因此，引起本次爆破失敗的首要因素是掏槽眼不對稱導(dǎo)致掏槽效果差，進(jìn)而導(dǎo)致后續(xù)的爆破沒有充足的自由面，使整個爆破效果差。

圖4　爆破振動數(shù)據(jù)的三矢量合成圖譜

2)掏槽區(qū)域布置不當(dāng)。由于掏槽區(qū)域的中心線距隧道左側(cè)拱腳4.28 m，工人在施打左側(cè)掏槽眼時，氣腿式鑿巖機的使用受隧道左側(cè)斷面的限制，角度不易掌握，造成兩側(cè)掏槽眼角度不一。原有的掏槽區(qū)域設(shè)計不根據(jù)現(xiàn)場施工器械、隧道斷面尺寸進(jìn)行合理設(shè)計，是導(dǎo)致掏槽失敗的又一個因素。

3)掏槽眼間排距大。由圖2可知，一級掏槽眼間距1.6 m，排距0.6 m，二級掏槽眼間距2.2 m，排距0.45 m。根據(jù)掏槽眼裝藥量的經(jīng)驗公式

Q=SLbq/N。

(1)

將各值代入，計算得Q=0.86 kg，即掏槽眼理論裝藥量為0.86 kg/孔，而實際裝藥量為一級掏槽0.4 kg/孔，二級掏槽0.6 kg/孔。故本次爆破失敗的原因是掏槽眼裝藥量不足，而掏槽眼裝藥量不足是因為掏槽眼眼數(shù)少、間排距大和爆破區(qū)域大造成的。若加大裝藥量又易造成超振，故應(yīng)增加掏槽眼數(shù)，適當(dāng)縮短掏槽眼間排距和爆破區(qū)域。

4)輔助眼排距過大。由圖2可知，最先爆破的輔助眼與二級掏槽眼的眼底最小水平間距為1.13 m。對于淺孔爆破，當(dāng)此間距超過1 m時，最先爆破的輔助眼的最小抵抗線大，易造成“沖炮”。

5)未封堵炮孔。不堵塞炮孔會造成孔口飛石和較大空氣沖擊波，合理的堵塞會延長炸藥在炮孔中的作用時間，提高炸藥能力的利用率，使得巖石可以得到充分破碎[8]。實際施工中未封堵炮孔，造成底眼、周邊眼、部分輔助眼在自由面不足的情況下產(chǎn)生“沖炮”。

3爆破參數(shù)優(yōu)化

由于拱頂部分圍巖等級為Ⅴ級且?guī)r體存在滑層，掏槽部分的爆破易引起滑層失穩(wěn)，故不宜進(jìn)行全斷面一次爆破，所以斷面仍分2次爆破。淺埋隧道的炮眼深度主要受爆破振動和施工器械的限制?？紤]到振速控制在1 cm/s，鑿巖機械為氣腿式鑿巖機，故炮眼深度未作調(diào)整，仍為1.8 m。所有炮孔炮泥封堵長度0.5 m。

根據(jù)前期爆破效果，第 Ⅱ 爆破區(qū)域各炮眼的間排距均未作調(diào)整，輔助眼間排距為600 mm，周邊眼間距為500 mm。第 Ⅱ 爆破區(qū)域各炮孔單孔裝藥量為0.3 kg。孔內(nèi)雷管為三孔一段(即3個炮孔共用1個段位)。

3.1掏槽區(qū)域參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)2.2.2的原因分析，為便于工人打眼，將整個掏槽區(qū)域中心線向右偏移，距隧道左側(cè)拱腳4.69 m。根據(jù)式(1)，將掏槽區(qū)域的高縮短為1.3 m，其斷面面積縮小為9.5 m2。斜眼掏槽的孔間距目前還沒有較好的理論計算公式,大多依照經(jīng)驗參數(shù)取值[9]。根據(jù)前期爆破經(jīng)驗，一級掏槽眼增設(shè)1對，間距1.0 m，排距0.35 m；二級掏槽眼間距1.6 m，排距0.3 m。根據(jù)臺階爆破的現(xiàn)有理論[10]： 掏槽眼傾角θ=60～75°，楔形掏槽時取較大值。故一級掏槽眼傾角65°，二級掏槽眼傾角75°，各炮孔裝藥量不變，經(jīng)計算，滿足式(1)。

3.2其他炮孔參數(shù)優(yōu)化

最先爆破的輔助眼距離二級掏槽眼的間距縮小為350 mm，眼底水平間距變?yōu)?50 mm。根據(jù)前期施工經(jīng)驗，為防止輪廓欠挖，周邊眼間距縮短為400 mm。掏槽區(qū)域的底眼間距縮小為400 mm，更有利于整個掏槽完成爆開，其他底眼間距500 mm，各炮孔裝藥量不變。優(yōu)化后的炮眼布置如圖5所示，爆破參數(shù)如表2所示。

3.3單段最大起爆藥量的安全驗算

對掏槽眼裝藥量和輔助眼裝藥量進(jìn)行爆破振動安全驗算。根據(jù)薩道夫經(jīng)驗公式

(2)

經(jīng)計算，單段最大起爆藥量

圖5　優(yōu)化后的炮眼布置圖(單位： mm)

炮孔名稱段別眼數(shù)傾角/(°)炮孔深度/m單孔裝藥量/kg單段最大起爆藥量/kg一級掏槽1、3、46651.100.20.4二級掏槽5～88752.070.61.2輔助眼9～1733901.80.42.4周邊眼15～208951.810.30.6底眼9、11、14、15、17～2017951.810.41.6

輔助眼最大單段起爆藥量為2.4 kg，據(jù)有關(guān)資料[11]，自由面數(shù)量對爆破振動強度的影響非常明顯: 3個自由面爆破的振動速度是2個自由面爆破的1/3～2/3，是單個自由面爆破的1/6～1/3。由于輔助眼爆破時已存在2個自由面，巖石夾制作用比只有1個自由面的掏槽炮眼小，在相同的單段裝藥量爆破時產(chǎn)生的爆破振動速度較小。對輔助眼的單段裝藥量適當(dāng)增加，并進(jìn)行試爆與爆破振動檢測后，結(jié)果表明： 輔助眼單段裝藥量為2.4 kg時，爆破振動速度可以控制在1.0 cm/s內(nèi)。

4結(jié)論和建議

車站主體Ⅰ部與車站主體Ⅳ部應(yīng)用優(yōu)化后的復(fù)式楔形掏槽參數(shù)，完成了20個循環(huán)，共計掘進(jìn)32.5 m。期間最大振速為0.70 cm/s，平均炮眼利用率達(dá)90.5%，取得了良好的爆破效果。為更好的應(yīng)用此復(fù)式楔形掏槽技術(shù)，提出以下建議：

1)在振動爆破振動速度符合要求的情況下，可增加炮眼深度，從而增加爆破進(jìn)尺，加快工程進(jìn)度。

2)在設(shè)計輔助眼單段最大裝藥量時，不應(yīng)只依據(jù)薩道夫斯基公式進(jìn)行校驗，還應(yīng)考慮掏槽眼爆破所提供的新的自由面對爆破振速的影響。一般可適當(dāng)增大輔助眼的單段最大裝藥量。

3)當(dāng)斷面圍巖穩(wěn)定性好時，可采用全斷面一次爆破。參照本設(shè)計中布孔裝藥方式，第Ⅱ爆破區(qū)域的孔外延期雷管采用20段，隨同第Ⅰ爆破區(qū)域的孔外延期雷管一起起爆，實現(xiàn)全斷面一次爆破。

4)本文楔形掏槽的參數(shù)優(yōu)化過多地依據(jù)現(xiàn)場試驗的結(jié)果得出結(jié)論，存在一定的局限性。當(dāng)圍巖等級或爆破振速要求變化時，楔形掏槽參數(shù)也將再次進(jìn)行調(diào)整。后續(xù)研究可通過數(shù)值模擬方法對楔形掏槽各參數(shù)進(jìn)行研究，進(jìn)一步驗證現(xiàn)場試驗結(jié)果，并量化不同圍巖等級和爆破振動速度楔形掏槽參數(shù)，以期更好地指導(dǎo)工程實踐。

參考文獻(xiàn)(References)：

[1]宗琦,劉菁華.煤礦巖石巷道中深孔爆破掏槽技術(shù)應(yīng)用研究[J].爆破,2010,27(4): 35-39.(ZONG Qi,LIU Jinghua.Application research on cutting technology of mid-deep hole blasting in coal mine rock tunnel [J].Blasting，2010，27(4): 35-39.(in Chinese))

[2]龍樹娟.隧道開挖中楔形掏槽施工技術(shù)研究[J].國防交通工程與技術(shù),2011(2): 70-73.(LONG Shujuan. Study of the techniques for the slotting construction in tunneling[J]. Traffic Engineering and Technology for National Defence，2011(2): 70-73.(in Chinese))

[3]熊海明，程貴海，廖汝峰,等. 基于層次分析法對楔形掏槽爆破影響因素分析[J].工程爆破,2011,17(4): 26-30.(XIONG Haiming，CHENG Guihai，LIAO Rufeng，et al.Influence factors analysis of wedge sloffing blasting based on analytical hierarchy process[J].Engineering Blasting，2011,17(4): 26-30.(in Chinese))

[4] 楊國梁，姜琳琳，楊仁樹.復(fù)式楔形深孔掏槽爆破研究[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報,2013,42(5): 755-760.(YANG Guoliang，JIANG Linlin，YANG Renshu.Investigation of cut blasting with duplex wedge deep holes[J]. Journal of China University of Mining & Technology,2013,42(5): 755-760.(in Chinese))

[5]陳杰,宋宏偉,沈志永,等.下穿居民區(qū)隧道施工爆破振動控制的實踐[J].三峽大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2011,33(1): 55-57.(CHEN Jie，SONG Hongwei，SHEN Zhiyong，et al. Practice of construction blasting vibration control for tunneling under residential area[J]. Journal of China Three Gorges University(Natural Sciences),2011,33(1): 55-57.(in Chinese))

[6]王軍濤,王海亮,楊慶.城市硬巖隧道減振爆破直眼掏槽技術(shù)應(yīng)用及實踐[J].隧道建設(shè),2014,34(6): 564-568.(WANG Juntao，WANG Hailiang，YANG Qing.Case study on parallel cut in vibration reducing blasting of hard rock tunnel in urban area[J].Tunnel Construction，2014,34(6): 564-568.(in Chinese))

[7]梁為民,王以賢,褚懷保,等.楔形掏槽炮孔角度對稱性對掏槽效果影響研究[J].金屬礦山，2009(11): 21-24.(LIANG Weimin，WANG Yixian，CHU Huaibao，et al. Study on effect of symmetry of wedge-shaped cutting hole angle on cut blasting[J].Metal Mine,2009(11): 21-24.(in Chinese))

[8]張袁娟,韓紅強,黃金香,等.炮孔堵塞對爆破效果影響研究[J].煤炭技術(shù),2014,33(5): 101-103.(ZHANG Yuanjuan，HAN Hongqiang，HUANG Jinxiang，et al. Study on influence of blast-hole stemming to blasting effect[J].Coal Technology,2014,33(5): 101-103.(in Chinese))

[9]余永強,王超,褚懷保，等.硬巖巷道中深孔爆破掘進(jìn)復(fù)楔形掏槽試驗研究[J].爆破，2013,30(2): 95-99.(YU Yongqiang，WANG Chao，CHU Huaibao，et al.Duplex wedge cutting on mid-depth borehole tunneling blasting in hard rock[J].Blasting，2013，30(2): 95-99．(in Chinese))

[10]戴俊.爆破工程[M].北京: 機械工業(yè)出版社, 2005: 108-124.(DAI Jun.Blasting engineering[M].Beijing:China Machine Press，2005: 108-124.(in Chinese))

[11]張建平.自由面數(shù)量對爆破振動規(guī)律影響實驗研究[J].現(xiàn)代礦業(yè),2009(7): 46-48.(ZHANG Jianping.Experimental research on effects of free surface quantity on blasting vibration laws[J].Modern Mining,2009(7): 46-48.(in Chinese))

中烏合作“中亞第一長隧”有望2016年上半年竣工

由中鐵隧道集團(tuán)有限公司承建的“中亞第一長隧”——烏茲別克斯坦卡姆奇克隧道，有望于2016年上半年完工。作為“絲路咽喉”工程將對推動中烏經(jīng)濟合作乃至整個中亞地區(qū)的合作具有重要意義。

據(jù)了解，全長122.7 km的烏茲別克斯坦“安格連—琶布”鐵路是新絲綢之路經(jīng)濟帶鐵路網(wǎng)的重要組成部分，被列為烏茲別克斯坦的“總統(tǒng)一號工程”。其中，中鐵隧道集團(tuán)承建的19.2 km長的卡姆奇克隧道是全線的重點控制性工程，是中亞第一長隧道，是目前中烏經(jīng)濟合作領(lǐng)域單個最大工程。2013年7月，中鐵隧道集團(tuán)與項目建設(shè)方簽訂項目設(shè)計施工總承包合同，合同總造價 4.55 億美元。當(dāng)前，隧道工程量已完成90%，項目進(jìn)展順利?！鞍才谩辫F路建成后，不僅將改變?yōu)跗潉e克斯坦境內(nèi)運輸需繞道他國的窘境，而且能夠?qū)⑺哺傻劫M爾干納州的鐵路運輸距離縮短100 km，節(jié)約時間近2 h， 也將為開展“一帶一路”沿線經(jīng)濟合作提供便利。

作為烏茲別克斯坦“總統(tǒng)一號工程”中的關(guān)鍵性項目，卡姆奇克鐵路隧道受到烏方高度關(guān)注。烏茲別克斯坦以一條流經(jīng)隧道到首都塔什干的河流為名，把這條隧道正式命名為卡姆奇克隧道，寓意對“互聯(lián)互通”的渴望。

在2年多的時間中，來自中鐵隧道集團(tuán)的建設(shè)者經(jīng)受了上千次巖爆考驗，用過硬的專業(yè)技術(shù)贏得了烏茲別克斯坦社會各界的贊許。目前，該項目已進(jìn)入打通“最后一公里”的收官階段，并有望于2016年上半年竣工。

(摘自 中國中鐵隧道集團(tuán)有限公司 http://www.ctg.ha.cn/tabid/67/InfoID/28779/frtid/79/Default.aspx2016-01-06)

Optimization Analysis on Blasting Parameters for

Blasting Control of Metro Station Tunnels

HE Chuang, WANG Hailiang

(KeyLaboratoryofMineDisasterPreventionandControl,ShandongUniversityofScience&Technology,

Qingdao266590,Shandong,China)

Abstract:The utilization rate of blasting holes is usually influenced by asymmetry of cutting holes, irrational layout of cut zone, large spacing among cut holes, large spacing among assistant holes and non-stemming of the blasting holes. In order to improve the utilization rate of blasting holes and minimize the blasting vibration velocity, some factors are analyzed based on the blasting excavation of Zone 1 of top heading of Metro station on No. 2 Line in Qingdao. In this paper, the parameters of wedge-shaped cut are optimized by means of theoretical calculation and construction experience. In addition, multiple free surface is taken into consideration to check the maximum individual ignition explosive quantity. The results show that the utilization rate of blasting holes was improved to 90.5%, and the blasting vibration velocity was limited within 0.7 cm/s by the compound wedge-shaped cut used.

Keywords：Qingdao Metro; tunnel; wedge-shaped cut; blasting vibration; utilization rate of blasting hole; blasting parameter

中圖分類號：U 452

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號：1672-741X(2016)01-0097-05

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.01.015

作者簡介：第一 何闖(1990—)，男，河北邯鄲人，山東科技大學(xué)采礦工程專業(yè)在讀碩士， 研究方向為隧(巷)道爆破、隧(巷)道支護(hù)等。E-mail: 584650078@qq.com。

基金項目：山東科技大學(xué)研究生科技創(chuàng)新基金項目(YC150304)

收稿日期：2015-03-24; 修回日期: 2015-05-27