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        城鎮(zhèn)控制爆破減振技術(shù)試驗研究

        2020-04-07 05:42:20賴廣文楊琳鄧志勇
        鐵道建筑 2020年3期
        關(guān)鍵詞:單排衰減系數(shù)氣墊

        賴廣文 楊琳 鄧志勇

        (1.深圳市宏源建設工程有限公司,廣東深圳 518108;2.深圳市安托山投資發(fā)展有限公司,廣東深圳 518043;3.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所,北京 100081)

        隨著城市的快速發(fā)展,在已有建(構(gòu))筑物周邊進行爆破施工的項目日益多見,炸藥爆炸產(chǎn)生的能量以爆破振動波的形式在地層中傳播,對附近地上、地下建筑工程結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響,以及多次重復、疊加的振動波不可避免地會對施工現(xiàn)場鄰近的建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。因此,在爆破施工中采取必要的技術(shù)和措施進行減振,確保周邊建構(gòu)筑物安全。

        本文以深圳市西鄉(xiāng)商業(yè)中心舊城區(qū)舊村改造項目地塊石方爆破工程為依托,針對爆破區(qū)域緊鄰運營地鐵、居民區(qū)的復雜環(huán)境,爆破振動安全控制要求極其嚴格,為確保安全,施工初期從施工工藝、施工方法等方面進行了多項減振技術(shù)的現(xiàn)場試驗,成功地完成了項目施工。

        縱觀國內(nèi)外爆破振動研究現(xiàn)狀[1-3],爆破施工中降低爆破振動影響主要從2方面改進,一是從技術(shù)設計方面,即減少最大段起爆藥量、調(diào)整裝藥結(jié)構(gòu)、優(yōu)化起爆網(wǎng)路等;二是增加施工措施方面,即設置隔振孔、構(gòu)造爆破臨空面、調(diào)整炮孔布置方式等。本項目針對上述幾種措施并結(jié)合工程實際,進行現(xiàn)場試驗和分析研究。

        1 工程概況

        西鄉(xiāng)商業(yè)中心項目設計4層地下室,基坑開挖深度為19.5 m,基坑安全等級為一級?;邮┕ぶ行柽M行基坑石方爆破開挖,爆破工程量約10.0萬m3。爆破區(qū)域南側(cè)臨近深圳地鐵1號線坪洲站出口,邊距線軌凈距約17 m。北側(cè)為基坑在建建(構(gòu))筑物,南側(cè)為市政路,西側(cè)為市政副路、距居民小區(qū)40 m,東側(cè)距居民小區(qū)30 m,項目環(huán)境平面圖見圖1。施工中必須確保地鐵隧道、車站結(jié)構(gòu)、居民小區(qū)、市政管線、基坑圍護結(jié)構(gòu)的安全。

        圖1 項目環(huán)境平面圖(單位:m)

        根據(jù)項目施工要求,前期進行現(xiàn)場試驗,優(yōu)化施工方案,確保施工安全。現(xiàn)場試驗主要針對電子雷管、隔振孔(面)、自由面方向、孔底氣墊層等降爆破振動影響的技術(shù)措施進行試驗分析,為優(yōu)化爆破施工方案提供試驗數(shù)據(jù)支持。

        2 電子雷管微差減振試驗

        李子華等[4]利用單孔和群孔試驗確定了17 ms的電子雷管孔間延時時差,可以達到最佳的干擾減振效果。本項目和文獻中的施工項目處在相同區(qū)域,地質(zhì)條件接近,且同為基坑爆破施工項目,主爆孔孔徑均為?76 mm,因此本項目在17 ms延時間隔的基礎(chǔ)上進行爆破試驗,確定該地段的最佳延時時差。

        群孔試驗(數(shù)碼電子起爆網(wǎng)路)設置2排孔,每排9個孔,孔深5.5 m、孔距2.3 m,排距2.0 m,單孔藥量9.0 kg,孔間延時分別為15,16,17,18,19 ms,逐孔起爆。17 ms時數(shù)碼電子雷管的起爆時差設置如圖2所示。同時為了便于比較,設置了1組電-非電混合起爆網(wǎng)路試驗,每組7個孔,孔深5.5 m、單孔藥量9.0 kg,起爆網(wǎng)路采用電-非電起爆網(wǎng)路,孔內(nèi)裝入非電雷管10段,孔外用非電雷管5段串接,起爆網(wǎng)路如圖3所示,能夠?qū)崿F(xiàn)逐孔起爆,對控制爆破振動速度有一定的效果。

        圖2 17 ms時數(shù)碼電子雷管起爆時差設置示意

        圖3 電-非電起爆網(wǎng)路示意

        爆破振動測點設置在距每次試驗中第1響炮孔的位置,距離分別為15,30,50 m。1#測點典型振動波形見圖4。圖4(a)為孔間延時17 ms電子雷管起爆的振動波形,其波形分布比較連續(xù)均勻,振動速度峰值為0.76 cm/s;圖4(b)為電-非電雷管起爆的振動波形,其波形可以明顯分辨出不同的起爆時段,振動速度峰值為 1.13 cm/s。對比圖 4(a)和圖 4(b)可知,在試驗條件一致情況下,電子雷管起爆的減振效果更好,比電-非電雷管起爆的振動速度小30%以上。

        圖4 1#測點典型振動波形

        電子雷管起爆時不同孔間延時和爆心距測得的質(zhì)點振動速度峰值見表1。可知,孔間延時17 ms時最大爆破振動速度均小于其他孔間延時的最大爆破振動速度,說明其干擾降振效果最佳。因此,電子雷管孔間延時17 ms時,可以達到最佳減振效果。

        表1 試驗爆破振動速度統(tǒng)計

        3 減振孔試驗

        在爆破區(qū)域外圍設置減振孔可以降低對周邊保護物的爆破振動影響,其主要是利用減振孔在爆破產(chǎn)生波的傳播路徑上設置障礙,使波的傳播路徑發(fā)生變化,同時波在障礙物界面處發(fā)生反射和透射,消耗部分地震波的能量,從而降低地震波對周邊保護物的影響,達到減振的效果[5-6]。但對于爆破產(chǎn)生地震波的減振特性目前沒有準確結(jié)論。試驗中設置了單排減振孔和雙排減振孔2種模式,具體參數(shù)見表2。

        表2 減振孔布置參數(shù)

        試驗爆破炮孔采用電-非電雷管逐孔起爆,網(wǎng)路形式類似于圖3??讖綖?76 mm,孔距2.3 m,排距2.0 m,孔深5.5 m。

        本階段試驗中,單排減振孔總設置了20個,雙排減振孔采用梅花形布置,設置了42孔,減振孔距離爆破區(qū)域20 m。爆破振動測點布置:1#—5#測點距爆源距離分別為15,25,35,45,55 m。振動測試獲取有效數(shù)據(jù)60組,分別為無減振孔、單排減振孔以及雙排減振孔的監(jiān)測點爆破振動數(shù)據(jù)。對同一測點監(jiān)測數(shù)據(jù)進行矢量合速度,然后利用薩道夫斯基公式回歸,計算得到上述3種情況的振動速度回歸曲線,見圖5。不同工況下,振動速度的回歸式為

        無減振孔,相關(guān)系數(shù)0.953:

        圖5 無減振孔、單排減振孔以及雙排減振孔的振動速度回歸曲線

        單排減振孔,相關(guān)系數(shù)0.886:

        雙排減振孔,相關(guān)系數(shù)0.899:

        式中:v為監(jiān)測點振動速度峰值,cm/s;Q為爆破單響最大炸藥量,kg;R為監(jiān)測點距爆源距離,m。

        爆破振動速度計算式可表述為

        式中:k,α為衰減系數(shù)。

        不同工況下,k,α的變化規(guī)律為:①3種情況衰減系數(shù)α變化不大,衰減系數(shù)k則按照無減振孔、單排減振孔到雙排減振孔的順序逐漸減小。②相對于無減振孔的情況,單排減振孔情況下k值減小約13%,雙排減振孔減小約26%。

        單孔裝藥量一致情況下,用減振率來估算減振孔的減振效果,減振率ρ為

        3種工況下減振效率對比見表3。

        表3 減振效率對比

        由表3可知,設置減振孔的爆破振動速度比未設置減振孔的低,起到了減振的效果,同時雙排減振孔比單排減振孔的減振率大。隨著爆心距的增大減振率逐漸變小,減振效果在減弱,在1#測點位置單排減振孔的減振效率為18.0%、雙排減振孔的減振效率為25.0%,而在5#測點位置減振效率分別降為8.8%,11.76%,減振效果明顯減弱。按此規(guī)律隨著爆心距的繼續(xù)增大,減振效果越來越弱,對于遠離爆源區(qū)的爆破振動減振孔基本沒有減振作用。

        由減振孔試驗可得:對于爆源區(qū)附近的爆破振動,減振孔可以起到減振的作用,且雙排減振孔比單排減振孔的減振效果好。保護物鄰近爆破區(qū)域時可以采用減振孔的減振措施,以降低爆破振動對保護物的影響。

        4 孔底加氣墊層試驗

        張志呈等[7-8]指出定向卸壓隔振爆破引起的地面振動速度低于其他爆破方法,且隔振材料越好、在合理范圍內(nèi)孔底空氣間隔越大,降低振動效果越好。試驗采用孔底加氣墊層的方法分析減振效果。

        試驗作業(yè)臺階高度5.0 m,設計布置2排炮孔,鉆孔直徑為76 mm,孔距2.3 m、排距2.0 m、孔深5.5 m。炮孔底部放置50 cm長PVC管作為炮孔底部氣墊層,藥柱長度2.5 m,填塞長度2.5 m,單孔裝藥量為7.0 kg,炮孔的裝藥結(jié)構(gòu)及測點布置見圖6。起爆網(wǎng)路采用電-非電雷管逐孔起爆。

        圖6 試驗裝藥結(jié)構(gòu)、測點布置

        試驗中進行爆破振動檢測,比較檢測數(shù)據(jù)分析減振效果。1#測點布置在作業(yè)臺階底部,距最左側(cè)炮孔水平距離5 m;2#測點布置在作業(yè)臺階上,距爆區(qū)后排孔10 m。在爆破前對2個測點儀器進行保護。

        試驗共進行了4組,其中2組為不加氣墊層的,2組為加氣墊層的。未設置氣墊層和設置氣墊層后的典型振動波形見圖7—圖8。

        圖7 未設置氣墊層爆破振動波形

        圖8 設置氣墊層后爆破振動波形

        由圖7—圖8可見,設置氣墊層后各段振動波形較為連續(xù),無明顯分段起爆的特征,推斷預留的空氣墊層降低了爆轟波和爆生氣體壓力,延長了炮孔中爆生氣體的存在時間,提高了爆生氣體準靜壓力作用下巖石斷裂破碎的質(zhì)量。

        孔底加氣墊層試驗振動結(jié)果見表4。

        表4 孔底加氣墊層試驗最大爆破振動速度 cm·s-1

        試驗第1,2組為孔底未設置氣墊層,試驗第3,4組為孔底設置長度0.5 m氣墊層。由表4可見,未設置氣墊層時,1#測點最大爆破振動速度為1.16 cm/s,2#測點最大爆破振動速度為1.45 cm/s,頂部的爆破振動速度要大于底部的;第2組結(jié)果與第1組的結(jié)果基本一致,其中 1#測點為 1.23 cm/s,2#測點為 1.51 cm/s。設置氣墊層后,臺階底部的爆破振動速度明顯減小,第3組中1#測點最大爆破振動速度為0.98 cm/s,2#測點最大爆破振動速度為1.44 cm/s,第4組中1#測點為0.96 cm/s,2#測點為1.49 cm/s,試驗第3,4組結(jié)論基本一致,孔底加設氣墊層后1#測點爆破振動速度降振效果明顯,對于臺階底部的爆破振動起到了較好的減振作用,減振效率可以達到15%~20%。2#測點的最大爆破振動速度未發(fā)現(xiàn)明顯變化,說明孔底加設氣墊層對臺階頂部的減振作用不大。

        為了驗證氣墊層長度對減振效果的影響又進行了2組試驗,試驗中氣墊層長度設計為1.0 m,其他參數(shù)不變,對于作業(yè)臺階底部的減振效果比氣墊層長0.5 m的明顯,但爆破后底部留有根底,臺階底部不平整。

        由孔底加氣墊層試驗可得:對于作業(yè)臺階底部的爆破振動,炮孔底部加氣墊層可以起到減振作用,氣墊層長度大,減振效果好,但影響爆后底部平整度。因此,對保護物的位置標高低于爆破區(qū)域時,可以選擇炮孔底部加設氣墊層的減振措施,但氣墊層的長度應不影響臺階底部的平整度。

        5 爆破自由面方向試驗

        實踐表明,保護物與爆破自由面的相對位置不同,受爆破振動的影響也有所不同。因此,通過不同爆破自由面方向進行試驗分析爆破振動的衰減規(guī)律,以便后期施工中有意避免不利因素,降低爆破振動的影響[9-10]。

        試驗設計2種作業(yè)自由面,分別垂直和平行地鐵軌行區(qū),炮孔布置如圖9所示。作業(yè)面臺階高5.0 m,炮孔鉆孔直徑為76 mm,每次試驗布置兩排孔,每排6孔,孔距2.3 m、排距2.0 m,炮孔深5.5 m,填塞長度2.0 m,單孔裝藥量10.5 kg。起爆網(wǎng)路采用電-非電雷管逐孔起爆。

        圖9 炮孔布置示意

        為分析爆破振動衰減規(guī)律,測點布置成一條測線,分別與爆源距離為15,25,35,45,55 m,測線垂直于地鐵軌行區(qū)。

        爆破自由面垂直和平行于地鐵軌行區(qū)方向分別進行了5組爆破,共取得50組有效數(shù)據(jù)。根據(jù)薩道夫斯基公式進行數(shù)據(jù)回歸,爆破振動衰減回歸曲線見圖10。

        圖10 爆破自由面垂直和平行地鐵軌行區(qū)時振動速度回歸曲線

        由圖10可知,圖10(a)中振動衰減系數(shù)k為36.88,圖10(b)中振動衰減系數(shù) k為 52.75,而兩圖中衰減系數(shù)α基本一致,說明爆破作業(yè)自由面方向?qū)φ駝铀p規(guī)律的影響是顯著的,但由于試驗場地地質(zhì)條件一致,其衰減系數(shù)α與作業(yè)自由面方向無關(guān)。爆破作業(yè)自由面垂直于地鐵軌行區(qū)時,其爆破振動向自由面兩側(cè)的傳播衰減較快,自由面平行于地鐵軌行區(qū)時其爆破振動直接向后傳播,振動衰減相對較慢。由圖10還可以看出,圖10(a)中的衰減系數(shù)k值比圖10(b)中的降低了30%,對地鐵軌行區(qū)的安全,自由面垂直軌行區(qū)有利于降低爆破振動的影響。

        由爆破自由面方向試驗可得:爆破區(qū)域有保護物時,爆破作業(yè)自由面方向盡可能調(diào)整到垂直于保護物的方向,以降低對保護物的爆破振動影響。

        6 工程實踐

        本次試驗以深圳西鄉(xiāng)商業(yè)中心舊城舊村改造項目地塊石方爆破工程為依托,根據(jù)爆破試驗結(jié)果,從施工效率和成本考慮,方案中將基坑距地鐵隧道的距離劃成不同的爆破區(qū)域,即50 m外區(qū)域、30~50 m區(qū)域、30 m內(nèi)區(qū)域,分區(qū)域采用不同的減振措施。

        方案中鉆孔直徑為76 mm,孔距2.3 m、排距2.0 m、孔深5.5 m,填塞長度2.5m,炸藥單耗0.3~0.4 kg/m3。項目重點保護對象為運營地鐵隧道,按照令(第278號)《深圳市城市軌道交通運營管理辦法》[11]要求爆破振動速度安全控制標準為1.2 cm/s,距地鐵隧道30 m范圍為安全控制區(qū)。設計振動速度預警值為1.0 cm/s,施工中采用不同的綜合減振措施,確保地鐵隧道等建構(gòu)筑物安全。綜合減振措施有:

        1)爆破作業(yè)臨空面基本上調(diào)整到垂直于地鐵軌道方向,由北向南分臺階推進,每層臺階高度5 m以內(nèi)。

        2)50 m外區(qū)域采用導爆管雷管微差控制爆破方法,逐孔起爆。

        3)30~50 m區(qū)域采用電子雷管精細控制爆破方法,孔間延時17 ms逐孔起爆。

        4)30 m內(nèi)區(qū)域采用電子雷管起爆、減振孔、孔底氣墊層等綜合降振措施??组g延時17 ms逐孔起爆;孔底加氣墊層時炮孔超深部分裝填PVC空管作為氣墊層,長度約為50 cm。

        5)開始50 m范圍內(nèi)施工時,沿基坑邊線鉆取2排?140 mm減振孔,減振孔深度比開挖臺階超深1 m。

        施工過程在地鐵隧道迎爆側(cè)壁面、軌道基礎(chǔ)上布置振動監(jiān)測點,對每次爆破的爆破位置、測點位置、爆破裝藥參數(shù)都進行了詳細記錄,全過程振動速度均未超出1.0 cm/s控制指標,運營地鐵隧道安全。分析監(jiān)測數(shù)據(jù),軌道基礎(chǔ)的振動速度值低,迎爆側(cè)壁面的振動大。

        7 結(jié)論

        通過現(xiàn)場爆破試驗、工程實踐,可以得到以下結(jié)論:

        1)爆破試驗區(qū)域地質(zhì)條件下,電子雷管孔間延時設置為17 ms時,可以實現(xiàn)最佳的爆破減振效果。

        2)減振孔對于臨近爆破區(qū)域的爆破振動可以起到降振的作用,且雙排隔振孔比單排隔振孔的減振效果好。與無減振孔相比,單排減振孔時衰減系數(shù)k值減小約13%,雙排減振孔時k值減小約26%。雙排減振孔的減振效率明顯好于單排減振孔的減振效果,最大減振率可達25%。

        3)炮孔底部加氣墊層對作業(yè)臺階底部的爆破振動的減振效果顯著,減振效率約為15%~20%。氣墊層長度大,減振效果好,但影響爆后底部平整度。炮孔底部加氣墊層對作業(yè)臺階上的爆破振動速度影響不大。

        4)爆破作業(yè)自由面垂直于保護物時衰減系數(shù)k值比自由面平行于保護物時k值降低約30%,衰減系數(shù)α與作業(yè)自由面方向無關(guān)。

        本試驗以工程項目為依托,試驗系統(tǒng)性、完整性有待進一步完善,以便為工程實踐提供堅實的技術(shù)依據(jù)。

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