胡 平

(北京京投交通發(fā)展有限公司，北京 102606)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速增長(zhǎng)，國(guó)內(nèi)主要城市規(guī)模的快速擴(kuò)張而引起的城市交通壓力陡增，城市地鐵軌道交通進(jìn)入快速發(fā)展階段，目前全國(guó)已有36個(gè)大中型城市規(guī)劃建設(shè)或在建城市軌道交通項(xiàng)目[1-3]，其中青島、大連、廣州、深圳、重慶、貴陽(yáng)、南京、烏魯木齊等城市因地層地質(zhì)多為上層為土質(zhì)層，下層為硬質(zhì)巖石，地鐵隧道建設(shè)施工時(shí)多采用鉆爆法或TBM工法，但因鉆爆法工序簡(jiǎn)單、施工效果顯著且成本較低等優(yōu)勢(shì)而被廣泛采用，與此同時(shí)隧道鉆爆施工引起的振動(dòng)危害效應(yīng)需重點(diǎn)關(guān)注[4]；特別是城市地鐵規(guī)劃建設(shè)因受各種因素制約不可避免的近距離下穿或側(cè)穿建筑物時(shí)，為降低鉆爆施工產(chǎn)生的振動(dòng)對(duì)穿越建筑物的不利影響，對(duì)鉆爆施工的爆破振速控制有著嚴(yán)格要求。

目前，在城市淺埋地鐵隧道爆破振動(dòng)控制方面，國(guó)內(nèi)學(xué)者做了大量的研究工作，何闖等[5-6]為減低爆破振動(dòng)對(duì)地表建筑物的影響，運(yùn)用多級(jí)楔形掏槽方法有效地控制了爆破振動(dòng)；王軍濤等[7-8]針對(duì)青島地鐵下穿建筑物采用直孔掏槽減振爆破技術(shù)，優(yōu)化爆破參數(shù)設(shè)計(jì)，取得良好的社會(huì)效益；陳至昊等[9]通過ANSYS/LS有限元數(shù)值分析和現(xiàn)場(chǎng)爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)研究了地鐵區(qū)間隧道爆破開挖施工對(duì)33層混凝土高層建筑物的振動(dòng)影響規(guī)律。李立功等[10]為降低重慶軌道5號(hào)線下穿建筑物爆破振動(dòng)的危害，運(yùn)用水壓爆破和延時(shí)起爆等方法有效控制了爆破振動(dòng)。曹楊等[11-15]通過對(duì)城市隧道下穿建筑物爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)及減振爆破技術(shù)進(jìn)行研究，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)掏槽方式、裝藥結(jié)構(gòu)、延時(shí)爆破等措施，實(shí)現(xiàn)爆破振速的控制，確保了下穿建筑物的安全。但在上砂下巖復(fù)雜地層條件下淺埋隧道下穿建筑物的爆破振動(dòng)控制研究不多。

本文以青島地鐵3號(hào)線一期工程萬(wàn)年泉路站～李村站區(qū)間隧道爆破施工下穿萬(wàn)隆商廈為工程實(shí)例，對(duì)上砂下巖復(fù)雜地層下地鐵隧道鉆爆法掏槽形式、爆破參數(shù)設(shè)計(jì)、裝藥結(jié)構(gòu)及起爆網(wǎng)路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并將爆破振速理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析探討，為以后類似工程提供借鑒。

1 工程概況

1.1 工程概況

青島地鐵3號(hào)線一期工程萬(wàn)年泉路站～李村站區(qū)間隧道全長(zhǎng)1 088.5 m，隧道結(jié)構(gòu)埋深約11～21 m，區(qū)間隧道為6.35 m×5.9 m單洞單線馬蹄形斷面，采用礦山鉆爆法施工，臺(tái)階法開挖。隧道正線往李村站方向在近鄰李滄區(qū)商業(yè)步行街附近處下穿多棟建筑物，其中在K19+533.5～K19+590.0下穿萬(wàn)隆商廈，該建筑物建成于1992年，地上9層，地下1層，框架結(jié)構(gòu)、條形基礎(chǔ)，基礎(chǔ)距隧道拱頂垂直距離為10.94 m；區(qū)間隧道下穿萬(wàn)隆商廈的長(zhǎng)度為57.2 m，隧道拱頂部為飽水砂層，下部處于中風(fēng)化巖層中，為上軟下硬地層，圍巖綜合等級(jí)為V級(jí)；隧道正線與萬(wàn)隆商廈剖面位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 隧道與萬(wàn)隆商廈剖面位置關(guān)系Fig.1 Profile showing relationship between the tunnel and the Wanlong Commercial

1.2 工程重難點(diǎn)

該地鐵區(qū)間隧道下穿建筑物段位于青島李滄核心商業(yè)區(qū)，隧道周邊環(huán)境復(fù)雜，下穿建筑物段地質(zhì)條件較為復(fù)雜，主要穿越飽水砂層及中風(fēng)化巖層交接面，隧道拱頂部為飽水砂層，下部處于中風(fēng)化巖層中(見圖2)，圍巖等級(jí)較差，爆破掘進(jìn)施工對(duì)上部砂層擾動(dòng)較大，有引起地表建筑物不均勻沉降的安全風(fēng)險(xiǎn)，爆破振動(dòng)控制嚴(yán)。

圖2 上臺(tái)階砂巖交界Fig.2 Sand-stone boundary on upper step

2 爆破設(shè)計(jì)原則和安全判據(jù)

2.1 爆破設(shè)計(jì)原則

城市地鐵隧道爆破開挖過程中，為降低爆破振動(dòng)對(duì)周圍建筑物的影響以及周邊環(huán)境的干擾，根據(jù)工程實(shí)際、地質(zhì)條件、周邊環(huán)境情況，確定爆破設(shè)計(jì)原則如下。

1)為保證爆破施工的安全進(jìn)行，爆破設(shè)計(jì)方案需嚴(yán)格按照《爆破安全規(guī)程》GB 6722-2014[16]進(jìn)行設(shè)計(jì)、施工，設(shè)計(jì)方案還需進(jìn)行爆破振動(dòng)安全驗(yàn)算。

2)采用“短進(jìn)尺、多打孔、少裝藥、勤監(jiān)測(cè)”的原則[16]進(jìn)行爆破設(shè)計(jì)，嚴(yán)格控制單循環(huán)爆破進(jìn)尺，多打孔增加爆炸臨空面，控制單孔裝藥量和單段最大起爆藥量，采用延時(shí)起爆網(wǎng)路，從而控制爆破振速在要求范圍內(nèi)。

3)爆破方案設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)下穿建筑物和地質(zhì)情況進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)，以便取得更合理的爆破參數(shù)，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)得到爆破振速數(shù)據(jù)，及時(shí)調(diào)整、動(dòng)態(tài)控制。

2.2 爆破安全判據(jù)

為確保地鐵隧道掘進(jìn)安全施工，降低或避免對(duì)下穿建筑物造成不利影響，根據(jù)《爆破安全規(guī)程》GB 6722-2014[16]和地鐵區(qū)間隧道上方沿線建筑物現(xiàn)狀調(diào)查情況，經(jīng)專家論證會(huì)綜合考慮，確定隧道下穿該建筑物爆破振動(dòng)速度安全控制值≤1.5 cm/s。

3 爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1 施工方法

地鐵隧道下穿萬(wàn)隆商廈主要處于上砂下巖地層中，臺(tái)階法開挖，砂巖交界面位于上臺(tái)階，上臺(tái)階上部為砂層、下層為巖層，下臺(tái)階為中風(fēng)化巖層；上臺(tái)階上部砂層爆破施工前先采用注漿加固后開挖，巖層部分采用松動(dòng)爆破技術(shù)[17-18]，以“短進(jìn)尺，弱爆破，強(qiáng)支護(hù)，快封閉”為作業(yè)原則，爆破進(jìn)尺控制在0.5 m左右；在砂巖交界處采用增設(shè)一排減振空孔，既能將上部注漿加固體擾動(dòng)影響降至最小，也能大大降低對(duì)地表建筑物振動(dòng)影響；下臺(tái)階中風(fēng)化巖層爆破時(shí)充分利用上臺(tái)階開挖形成的臨空面，采用延時(shí)爆破技術(shù)，爆破進(jìn)尺為1 m。

3.2 鉆爆材料

鉆機(jī)選用YT-28型氣腿式鑿巖機(jī)，直徑42 mm。周邊孔裝填直徑φ20 mm的2號(hào)巖石乳化炸藥，其他炮孔裝填直徑φ32 mm的2號(hào)巖石乳化炸藥，非電毫秒延時(shí)導(dǎo)爆管雷管。

3.3 爆破參數(shù)

1)炮孔直徑。d=42 mm。

2)孔深。根據(jù)地質(zhì)條件和爆破施工安全規(guī)程，上臺(tái)階開挖進(jìn)尺為0.5m，孔深L=0.6 m；下臺(tái)階開挖進(jìn)尺為1.0 m，孔深L=1.2 m。

3)炮孔布置及爆破參數(shù)。上、下臺(tái)階炮孔布置及爆破參數(shù)分別如圖3、圖4、表1、表2所示。

圖3 上臺(tái)階巖層爆破炮孔布置Fig.3 Layout of blasting holes in upper bench rock

圖4 下臺(tái)階巖層爆破炮孔布置Fig.4 Layout of blasting holes in lower bench rock

表1 上臺(tái)階巖層爆破參數(shù)

表2 下臺(tái)階巖層爆破參數(shù)

3.4 爆破振動(dòng)安全校核

地鐵區(qū)間隧道下穿建筑物時(shí)，在隧道內(nèi)爆破施工需要對(duì)上部建筑物進(jìn)行爆破振動(dòng)安全校核，此建筑物為框架結(jié)構(gòu)，此處圍巖級(jí)別為Ⅴ級(jí)，上砂下巖，隧道下穿建筑物，砂巖交界面處于掌子面上臺(tái)階，上部人工配合機(jī)械開挖，下部巖層爆破開挖，由于是臺(tái)階法開挖，爆源距離應(yīng)為建筑物距隧道拱頂距離+拱頂至下臺(tái)階起爆點(diǎn)距離，即R=10.94+4.66=15.6 m，爆破施工時(shí)最大單段裝藥量為1.2 kg，根據(jù)薩道夫斯基公式[16]：

(1)

式中：v為建筑物安全允許的最大振速，cm/s；Q為爆破最大一段裝藥量，kg；R為爆破區(qū)至被保護(hù)物距離，m；k為與爆破場(chǎng)地條件有關(guān)系數(shù)；α為衰減指數(shù)；k、α取值根據(jù)本工程地質(zhì)實(shí)際現(xiàn)狀，同時(shí)參考《爆破安全規(guī)程》GB 6722-2014[16]中第13.2.4條以及中國(guó)礦業(yè)大學(xué)在青島地質(zhì)情況與相關(guān)測(cè)試結(jié)果[19]綜合考慮：k取180，α取1.85，代入式(1)中計(jì)算：

計(jì)算結(jié)果表明：本爆破設(shè)計(jì)對(duì)下穿建筑物所產(chǎn)生的爆破振動(dòng)控制在合理范圍之內(nèi)，地表建筑物的安全得到了保證，滿足規(guī)范要求。

3.5 裝藥及填塞

為達(dá)到爆破施工效果，掏槽孔、底板孔采用連續(xù)裝藥，周邊孔采用間隔裝藥，裝藥后孔內(nèi)剩余空間采用炮泥填塞；炮泥采用黏土與砂子(1∶3配比)的混合物。導(dǎo)爆管全長(zhǎng)鋪設(shè)。并加強(qiáng)孔口填塞，裝藥結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 炮孔裝藥結(jié)構(gòu)Fig.5 Charging structure of blasting holes

3.6 起爆網(wǎng)路

采用非電導(dǎo)爆管起爆網(wǎng)路(見圖6)，起爆器擊發(fā)起爆，起爆網(wǎng)路的聯(lián)結(jié)順序[20-21]：毫秒雷管→導(dǎo)爆管→非電毫秒雷管。每段炮孔采用非電毫秒雷管延時(shí)起爆技術(shù)，不但能控制單段炮孔的起爆藥量，又能有效控制每段雷管間的起爆時(shí)間，使爆破振動(dòng)效應(yīng)不疊加，這樣既能保證巖石達(dá)到理想的爆破效果，又能有效降低爆破振動(dòng)。

圖6 起爆網(wǎng)路Fig.6 Initiating circuit

4 爆破振動(dòng)效果分析

為驗(yàn)證本爆破設(shè)計(jì)對(duì)下穿地表建筑物的振動(dòng)影響，在隧道爆破掘進(jìn)施工時(shí)，采用TC-4850爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)儀對(duì)每一次爆破施工時(shí)地表建筑物進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)儀布置在隧道拱頂上方建筑物外墻上，隧道下穿建筑物時(shí)某一爆破掘進(jìn)循環(huán)現(xiàn)場(chǎng)爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)波形如圖7所示。

圖7 某一循環(huán)爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)波形Fig.7 Blasting vibration monitoring waveform in a driving cycle

為有效控制爆破施工對(duì)地表建筑物的振動(dòng)影響效果，對(duì)區(qū)間隧道下穿建筑物連續(xù)60次循環(huán)進(jìn)尺最大爆破振速數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，得出每次爆破最大振速v與開挖循環(huán)次數(shù)n的變化關(guān)系(見圖8)。

圖8 爆破振速與開挖循環(huán)的關(guān)系Fig.8 Relation between blasting vibration velocity and driving cycle numbers

由圖8可以得出，區(qū)間隧道下穿建筑物實(shí)測(cè)爆破振速平均值為1.15 cm/s，大多數(shù)爆破振速實(shí)測(cè)值在爆破設(shè)計(jì)振速驗(yàn)算值1.25 cm/s上下波動(dòng)，均控制在建筑物要求的安全振速1.5 cm/s以內(nèi)，爆破開挖過程中沒有出現(xiàn)爆破振速超標(biāo)情況，區(qū)間隧道也順利通過萬(wàn)隆商廈；由此可見，本爆破設(shè)計(jì)方案是切實(shí)可行，滿足隧道下穿建筑物的爆破振動(dòng)安全要求，具有一定工程實(shí)踐意義。

5 結(jié)論

1)在復(fù)雜地質(zhì)條件下城市鬧市區(qū)淺埋暗挖隧道下穿建筑物爆破施工時(shí)，通過采取“短進(jìn)尺、弱爆破”的原則，充分提高炮孔利用率和降低裝藥量，上、下臺(tái)階分別以0.5 m和1.0 m進(jìn)尺分步爆破掘進(jìn)方案是可行的，既能有效降低爆破振動(dòng)，又能保證隧道掘進(jìn)進(jìn)度。

2)上臺(tái)階砂巖交界面處增加減振空孔的措施，充分利用上部砂層開挖后形成的臨空面，采用松動(dòng)爆破的方式，有效降低了爆破振動(dòng)對(duì)上部注漿砂層的擾動(dòng)，又降低了爆破振動(dòng)效應(yīng)，確保了下穿建筑物的安全。

3)針對(duì)青島地鐵3號(hào)線泉李區(qū)間復(fù)雜地質(zhì)條件下穿建筑物段施工爆破振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格的要求，通過方案理論設(shè)計(jì)與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相結(jié)合，爆破設(shè)計(jì)方案取得了良好的爆破振速控制效果，實(shí)現(xiàn)了隧道下穿建筑物爆破振動(dòng)控制的目標(biāo)，可為今后類似城市地鐵淺埋隧道下穿建筑物爆破開挖振動(dòng)控制提供參考。