段元振， 黃圣平， 劉 領(lǐng)， 張文侃， 彭 哲

(湖南省湘水集團有限公司, 湖南 長沙 410011)

0 引言

在船閘深基坑開挖過程中，時常會遭遇大面積復(fù)雜的巖石地質(zhì)問題，爆破作業(yè)因其高效快捷的特點，成為解決此類問題的首選。雖然船閘深基坑爆破開挖可以松動一定范圍內(nèi)硬度較大的巖石，有效提高采掘機械的施工效率和工程施工進度，但爆破也可能造成巖石損傷失穩(wěn),引發(fā)安全事故。因此，如何有效控制船閘深基坑爆破效果、保障邊坡穩(wěn)定、降低危害和消除隱患成為了亟待研究的問題。

近些年來，為了促進爆破開挖技術(shù)在船閘工程中的有效運用，諸多學(xué)者對此進行了針對性研究。戴會超[1]、劉利軍[2]、余明昌[3]、段瑞超[4]、羅鵬飛[5]、萬國權(quán)[6]等從不同角度對船閘工程爆破開挖的影響因素及控制爆破指標進行了研究。這些研究在許多工程中取得了較好的應(yīng)用效果，但是關(guān)于船閘深基坑控制爆破開挖與邊坡安全防護措施相結(jié)合的研究成果卻很少。鑒于此，以湖南省在建水運項目爆破量最大工程湘祁二線船閘為依托，采用合理的爆破設(shè)計參數(shù)，對比薩道夫斯基公式計算出的振動速度理論值與爆破實測振動監(jiān)測數(shù)值，結(jié)合沉降變形實測數(shù)據(jù)對邊坡安全穩(wěn)定性進行了分析，同時提出了針對性的邊坡防護工程措施。研究成果可為類似船閘工程控制爆破開挖與邊坡防護相結(jié)合技術(shù)的運用提供借鑒。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)條件

湘祁二線船閘位于湘江左岸，船閘基坑石方爆破量110萬m3,為目前湖南省在建水運項目爆破量最大的工程。船閘區(qū)原始地貌為沖溝及小山坡，地形較起伏，沖溝中出露湘江I級階地；船閘下游通過山坡及湘江I級階地，小山坡最大高程94.8m，坡度30°～45°，局部人工開挖后坡度達70°～80°，山坡坡體較穩(wěn)定。沿閘線第四系覆蓋層多為殘坡積和沖積堆積粉質(zhì)黏土及塊石填土，中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、微風(fēng)化粉砂巖等基巖局部出露。

1.2 爆破設(shè)計參數(shù)

以下游船閘基坑段石方爆破開挖為目標進行研究，為能很好地控制爆破飛石，確保爆破自由面與飛石方向一致，全部實施垂直鉆孔，排間呈梅花形。主爆區(qū)爆破網(wǎng)路采用導(dǎo)爆管非電起爆系統(tǒng)，毫秒延期起爆網(wǎng)路，即孔內(nèi)延時孔外接力傳爆網(wǎng)路，孔外用MS3～MS4段，孔內(nèi)用MS7～MS10段非電導(dǎo)爆管雷管。為了保證最大段單響藥量不超過計算藥量，在距離建筑60 m以內(nèi)爆破，中深孔爆破應(yīng)采取逐孔(簇)起爆，隨著爆破點遠離保護目標，可逐步增加每段起爆炮孔的數(shù)目。該工程爆破條件良好，起爆網(wǎng)路設(shè)計為“排間起爆”，前排先爆，由前往后逐排起爆，邊孔比同排孔高一個段別，同時采取在基坑靠近邊坡預(yù)留保護層的兩側(cè)周邊布置若干減震孔等工程技術(shù)措施，以確保邊坡穩(wěn)定。施工過程中配合采用振動監(jiān)測儀和邊坡沉降變形觀測設(shè)備進行實時監(jiān)測。該研究段中深孔臺階爆破設(shè)計參數(shù)為： ① 鉆孔直徑D=90 mm；②孔距a=2.2 m；③排距b=2.0 m；④鉆孔深度L=4.5 m；⑤炸藥單耗q=0.4 kg/m3(按松動爆破的經(jīng)驗取值，通過現(xiàn)場試爆效果進行調(diào)整)；⑥單孔裝藥量Q=qabH；⑦裝藥深度L1=2.0 m；⑧填塞長度L2=2.5 m；⑨藥卷直徑φ=70 mm；⑩長度為500 mm；每卷重2.0 kg。

2 爆破理論公式

結(jié)合工程所屬地區(qū)地質(zhì)特征，采用薩道夫斯基公式計算振動速度：

(1)

式中：R為爆破振動安全允許距離，m；Q為炸藥量，kg；齊發(fā)爆破為總藥量，延時爆破為最大一段藥量；v為保護對象所在地質(zhì)點振動安全允許速度，cm/s；k、α分別為與爆破點至計算保護對象間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)。

根據(jù)此工程地質(zhì)特點，考慮到地下水豐富，基本處于飽和狀態(tài)，巖石中風(fēng)化和微風(fēng)化，結(jié)合湖南省株洲航電樞紐二線船閘主體爆破所得經(jīng)驗，k取250，α取1.8。

本次爆破作業(yè)距下游船閘基坑控制點安全距離R為100 m，最大單響藥量Q為24 kg，將數(shù)值代入式(1)，計算得下游船閘控制中心的振動速度理論值v為0.42 cm/s。

3 監(jiān)測分析

爆破作業(yè)過程中采用振動監(jiān)測儀實時監(jiān)測下游船閘基坑段的振動速度，通過記錄多組爆破監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析爆破控制效果，振動速度監(jiān)測數(shù)據(jù)見表1。

表1 湘祁二線船閘下游基坑段振動速度監(jiān)測數(shù)據(jù)序號水平X方向最大振速/(cm·s-1)半波主頻/Hz水平Y(jié)方向最大振速/(cm·s-1)半波主頻/Hz垂直Z方向最大振動速/(cm·s-1)半波主頻/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

從表1數(shù)據(jù)可知，船閘下游基坑段質(zhì)點峰值振動速度為0.34 cm/s，通過計算其理論峰值振動速度值為0.42 cm/s，100%質(zhì)點峰值振動速度值小于理論計算值。根據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB6722—2014)規(guī)定，對一般民用建筑物安全允許振動速度為2.0～2.5 cm/s(10 Hz～50 Hz)。由爆破振動測試結(jié)果可知，實測爆破振速、振動頻率低于《爆破安全規(guī)程》(GB6722—2014)規(guī)定的爆破振動安全允許標準。爆破所產(chǎn)生的振動不會對周邊建筑物、邊坡等造成安全影響。從主頻率因素看，觀測點的主頻率在14.93～33.9 Hz之間變化，爆破振動頻率大于建筑物的固有頻率(建筑物的固有頻率一般小于3 Hz)，爆破振動不可能與周邊建筑物發(fā)生共振，因此建筑物不會因共振而出現(xiàn)裂縫。以上分析表明爆破控制比較理想，爆破施工設(shè)計參數(shù)比較科學(xué)。結(jié)合現(xiàn)場實際邊坡監(jiān)測情況，基坑爆破未對控制區(qū)域內(nèi)的邊坡巖石有過度損傷和擾動，邊坡整體處于安全穩(wěn)定狀態(tài)。爆破完成后該段邊坡的整體效果見圖1，局部效果見圖2。

本次爆破作業(yè)完成后對下游船閘基坑段進行了實時的邊坡沉降變形觀測，沉降變形監(jiān)測數(shù)據(jù)見表2。

圖1 深基坑爆破邊坡整體效果

圖2 深基坑爆破邊坡局部效果

表2 湘祁二線船閘下游段基坑沉降變形監(jiān)測數(shù)據(jù)編號本期日均值/(mm·d-1)本期累計沉降值/mm本期累計位移總變形量/mm報警值日均值/(mm·d-1)累計沉降值/mm累計變形量/mm是否達到預(yù)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: 沉降變形以向下為正,向上為負。

從表2數(shù)據(jù)可知，監(jiān)測沉降變形的日均最大值0.5 mm/d，遠小于日均報警值5 mm/d；累計沉降最大值5 mm，遠小于累計沉降值40 mm的報警值。累計位移變形量最大值3.6 mm，遠小于累計沉降值30 mm的報警值。

以上監(jiān)測數(shù)據(jù)表明爆破控制作用有效，基坑爆破未對邊坡整體沉降變形產(chǎn)生顯著的影響，邊坡整體處于安全穩(wěn)定狀態(tài)。

通過爆破振動和沉降變形監(jiān)測分析，雖然邊坡整體處于安全穩(wěn)定狀態(tài)，但爆破后局部邊坡巖土體存在破碎和風(fēng)化程度加劇風(fēng)險，需要采用措施對裸露邊坡進行有效防護，以確保邊坡在后續(xù)施工中保持穩(wěn)定狀態(tài)。

4 邊坡防護措施

針對湘祁二線船閘深基坑的復(fù)雜地質(zhì)條件，在基坑爆破實施過程中，采用了多種實用可靠的邊坡防護措施，同時針對局部較軟弱巖土體優(yōu)化調(diào)整了爆破設(shè)計參數(shù)，有效地保障了邊坡的自身穩(wěn)定。主要采取了如下舉措。

1) 在基坑靠近邊坡預(yù)留保護層的兩側(cè)周邊布置若干減震孔，將最小爆破抵抗線指向控制在安全方向上，以此降低爆破振動對邊坡的擾動。

2) 采用精確的毫秒微差分段爆破、簡化爆破網(wǎng)絡(luò)、控制一次裝藥量、單孔單響設(shè)計等工程技術(shù)措施，使爆破振動速度控制在安全允許的范圍之內(nèi)。

3) 邊坡采用分級開挖、邊坡坡腳處設(shè)置施工便道、坡頂坡腳設(shè)置排水溝(見圖3)等工程技術(shù)手段，加大安全人員巡查頻次，經(jīng)常性地對邊坡滾落孤石進行清理。

圖3 深基坑爆破施工邊坡坡頂排水溝

4) 上層砂礫土邊坡采用密目式防護網(wǎng)(見圖4)、土工布覆蓋、裸露邊坡生態(tài)復(fù)綠(見圖5)的工程技術(shù)措施，減少土塊的析離流失，以此增強邊坡固土保水能力。

圖4 深基坑爆破土質(zhì)邊坡密目網(wǎng)防護

圖5 深基坑爆破施工邊坡草籽生態(tài)護坡

5) 下層巖性邊坡采用整體式防護鋼絲網(wǎng)(見圖6)和設(shè)置攔擋平臺的工程技術(shù)措施，結(jié)合對松動的軟弱巖體進行噴漿錨固，增強巖體固結(jié)穩(wěn)定性。

圖6 深基坑爆破巖質(zhì)邊坡鋼筋網(wǎng)防護

6) 采用預(yù)應(yīng)力錨桿加固，用以調(diào)動和提高巖土體的自身強度和自穩(wěn)能力。

5 結(jié)語

以湖南省在建水運單體項目爆破量最大工程—湘祁二線船閘為背景，通過選取合理的爆破設(shè)計參數(shù)，對比薩道夫斯基公式計算出的振動速度理論值與爆破實測振動監(jiān)測數(shù)值，結(jié)合沉降變形實測數(shù)據(jù)對邊坡安全穩(wěn)定性進行了分析。結(jié)果表明，現(xiàn)場爆破作業(yè)所采用的爆破設(shè)計參數(shù)較合理，爆破控制效果明顯，邊坡處于安全穩(wěn)定狀態(tài)。同時基于本工程的復(fù)雜地質(zhì)條件，輔之有效的邊坡防護措施，為邊坡的安全穩(wěn)定提供了更大保障。研究成果可為類似船閘工程控制爆破開挖與邊坡防護相結(jié)合技術(shù)的運用提供借鑒與參考。