繁華城區淺埋大斷面隧道減震爆破技術摘 要 文章以重慶輕軌較新線臨江門車站隧道為例,介紹了復雜條件下城市淺埋硬巖特大斷面隧道減震爆破的施工方法。開挖爆破中由于采用了一系列綜合減震措施,使其對隧道周邊圍巖的影響降低到了最小程度;在爆破設計中,掏槽眼增加了減震孔,周邊眼增加了導向孔,并采取隔孔裝藥方式,對提高炮眼利用率起到了良好的作用。監測結果表明,爆破震速控制較好。關鍵詞 城市輕軌 淺埋大斷面隧道 車站隧道 減震爆破1前 言 城市淺埋、暗挖、硬巖大斷面隧道,在我國隧道建設史上并不多見,隨著城市建設的不斷發展,地面空間已不能滿足城市功能的要求,地下空間的開發利用已越來越顯示出它的優越性。臨江門車站是重慶輕軌較新線的一個中間站,位于重慶市渝中區解放碑商業步行街下,埋深10～14m,開挖高度為20.885m,開挖寬度為23.04m,開挖斷面積為421m2。車站周邊高層建筑林立,與35層高的世貿中心大廈水平距離僅4.5m,具有典型的城市淺埋硬巖大斷面隧道的特點及施工難度。本文以臨江門車站隧道的減震爆破施工為例,介紹城市淺埋大斷面隧道減震爆破技術,以供同類工程參考。2工程地質及結構設計概述 臨江門站在區域構造上屬于解放碑向斜軸部地段,巖層產狀平緩,走向與車站軸線大體一致或以小角度斜交。臨江門站出露地層為第四系全新統人工填土,下伏基巖為侏羅系中統上沙溪廟組砂巖和砂質泥巖,無斷層構造裂隙發育,圍巖拱部為砂巖,邊墻大部分為泥巖,較場口一端邊墻砂巖較厚,黃花園一端邊墻為泥巖,車站底部全部為泥巖。 車站洞室段水文地質條件簡單,由于街道市政排水設施完備,因此,僅少量地表水沿著破裂的地下管道滲透于砂巖中,形成基巖裂隙水。場地所在區域地震基本烈度為Ⅵ度。臨江門車站隧道最小覆蓋層厚度為10.5m,其中地表土層厚2.8m、基巖厚7.7m;最大覆蓋層厚度也只有14.58m,其中地表土層厚4.1m、基巖厚10.5m。 車站地面兩側高層建筑林立,車站沿途兩側主要建筑物有:解放碑酒樓和新潮商場(現正在改建為圖書金融大樓)、時代廣場(在建)、和平電影院、新世紀百貨大樓、頤之時大酒樓、重慶世貿中心(在建)、都市廣場。對車站隧道影響較大的有:時代廣場、世貿大廈、新世紀百貨、都市廣場。車站較場口端位于鄒容路步行街下,街面行人密布,黃花園端地面上車流滾滾;車站地下人防洞室密布,縱橫交錯,與車站隧道洞室在平面和空間上有交叉、有平行、有重合,人防洞室分布在車站洞室拱部,構成了復雜的工程地質和環境地質條件。 根據臨江門站的工程特點,隧道設計采用新奧法設計,車站隧道采用復合式襯砌結構。車站施工采用雙側壁導洞法分步開挖及全斷面整體式襯砌,最后開挖核心部分和仰拱。施工步序如圖1。
3 鉆爆設計與施工3.1 爆破特點及要求 由于車站隧道位于市中心繁華商業區,隧道埋深淺,地表高層建筑物林立,地下室開挖邊界距車站開挖邊線水平距離只有4.5～7.8m,基礎底部標高在隧道起拱線部位;地面街道行人車輛密度大,地下人防洞室錯綜復雜。隧道爆破施工必須在確保高質量的隧道開挖斷面和進尺的同時,將爆破震動控制在盡可能小的范圍內,以保證地表及建筑物的安全和對周圍環境的影響。為此,爆破必須滿足:爆破震動波速應控制在1.5～2.0cm/s;為保護世貿中心大廈與車站隧道之間的巖柱,該段爆破影響圍巖松動圈要求控制在2m以內;炮眼利用率在90%以上,光爆的半壁拋眼留痕跡率在80%以上;平均線性超挖不大于10cm,最大不超過15cm;相鄰兩循環炮眼銜接臺階不大于10cm;局部欠挖面積小于0.1m2,最大欠挖小于5cm。3.2 鉆爆設計原則 (1)以地面建筑物基礎底部(或地面)至爆源中心距離(R)為安全控制半徑,借助于經驗公式:Qm=R3(Vkp/K)3/α,并以質點振動波速度限值(2cm/s)作為控制標準,對各部分所允許的單段用藥量進行反算,并進行試爆試驗,以取得合理的爆破參數。 (2)根據現場的地質及施工條件,采用微臺階分部開挖,每部分又分多次爆破,普通段循環進尺控制在2m以內,過世貿大廈段循環進尺控制在1m以內,控制爆破規模,以達到控制質點震動速度的目的。 (3)炮眼按淺密原則布置,控制單眼裝藥量和單段裝藥量。 (4)上導洞1部掏槽眼位盡量布置在遠離建、構筑物一側。 (5)上導洞1部及拱部4部開挖斷面周邊眼間均設直徑為50mm的減震空眼,中導洞2、3部開挖時在兩側各預留1m的光爆層。 (6)核心5、7部、仰拱8部的爆破以松動爆破為主,控制爆破飛石對襯砌臺車及襯砌混凝土表面的破壞。 (7)地面、洞內均需配合爆破震動監測,及時調整鉆爆參數,以滿足環境及施工要求。3.3 鉆爆設計3.3.1 減小爆破地震動強度的方法 本工程除了采用光面爆破施工的減震措施外,擬采用周邊密排空眼減震,開挖面增打減震孔、預留光爆層等綜合減震措施的爆破技術。3.3.2爆破參數選擇 爆破參數的確定采用理論計算法、工程類比法與現場試爆相結合,在保證爆破震動速度符合安全規定的前提下,提高隧道開挖成型質量和施工進度。(1)炮眼深度(L) 本爆破設計的炮眼深度主要受爆破地震動強度控制,設計炮眼深度根據爆破部位不同進行調整,一般為1.0～2.0m。(2)炮眼數目(N) 本爆破設計炮眼直徑采用Φ42mm,每次開挖面積約為36～50m2,單位面積鉆眼數為1.5個(未包括光面爆破炮眼)。(3)炮眼布置 ①周邊炮眼布置采用經驗公式和工程類比法確定。按規定炮眼間距(E)=(8～12)d(d為炮眼直徑);抵抗線:W=(1.0～1.5)E。本設計為隔孔裝藥,炮眼間距為250mm,炮眼直徑為42mm,能滿足E值要求。 類似工程地質的裝藥集中度:q=0.1～0.15kg/m,由于本設計炮眼間距為250mm,且為隔孔裝藥,因此設計裝藥集中度取最小值(q=0.1kg/m)。 ②掏槽眼布置主要應用于側壁導洞1部,本爆破設計采用空眼雙層復式楔形混合掏槽。 ③為降低爆破地震動強度,循環進尺根據開挖部位不同來確定,掘進炮眼深度根據循環進尺來確定。 當炮眼直徑在35～42mm的范圍內時,抵抗線(W)與炮眼深度有如下關系式:W=(15～25)d或W=(0.3～0.6)dL,在堅硬難爆的巖體中或炮眼較深時,應取較小的系數,反之則取較大的系數。(4)單眼裝藥量的計算 周邊眼裝藥參數在上面已確定,其它炮眼的裝藥量均可按下列公式計算:q=k.a.w.L.λ(kg) (1)式中:q———單眼裝藥量(kg);k———炸藥單耗(kg/m3); a———炮眼間距(m);w———炮眼爆破方向的抵抗線(m); L———炮眼深度(m); λ———炮眼部位系數(參照表1選取)。(5)炮眼堵塞 堵塞作用是使炸藥在受約束條件下能充分爆炸以提高能量利用率,因此堵塞長度不小于20cm,堵塞材料采用炮泥(砂∶粘土∶水=3∶1∶1)。要求堵塞密實,不能有空隙或間斷。（6）爆破器材的選擇 炸藥:采用二號巖石銷銨炸藥,周邊炮眼采用Φ25mm小藥卷,其它炮眼采用Φ32mm標準藥卷。 雷管:孔外采用火雷管起爆,連接件及孔內均采用非電毫秒雷管(1-15段)。為避免爆破時沖擊波的疊加,選擇非電毫秒雷管時應選用段間隔為75ms以上的各段雷管(1、5、7、9、11、13、14、15共8種段別的非電毫秒雷管)。 導火索及導爆索:火雷管采用導火索引爆;周邊炮眼間隔裝藥,采用導爆索傳爆。（7）裝藥結構(圖2) 掏槽眼和底板眼采用反向起爆,周邊眼采用間隔不偶合裝藥形式。為保證每個周邊眼內炸藥同時起爆,需使用導爆索連結各藥卷。(8)裝藥連線 因雷管段數較少、炮眼較多,單段裝藥量受爆破震速要求的限制較小,因此,采用雷管分段控制和孔外微差爆破相結合的方法,以減少單段起爆藥量和起爆次數。3.3.3 爆破安全驗算 地表建筑距隧道的最短距離為10.4m,距世貿大廈地下基礎的最短距離為4.5m,震速控制在1.5cm/s(視建筑物結構形式而定)。Qm=K/R3(Vkp/K′)3/α (2)式中:Qm———最大一段允許用藥量(kg); Vkp———震動安全速度(cm/s); R———爆源中心到震速控制點的距離(m); K———與爆破技術、地震波傳播途經介質的性質有關的系數,取160(試驗測定值); α———爆破震動衰減系數,取1.8(試驗測定值); K′———在爆破施工實踐中的爆破震動衰減修正系數(表2),相關于不同的減震措施及爆破臨空面的數量。4爆破監測與分析4.1 爆破震動監測 爆破震動監測主要采用由DSVM-4C振動測試儀、891-II型拾振器、計算機、打印機等組成的震動測試系統,量測過程由計算機自動進行控制(圖3)。 拾振器1、拾振器2、拾振器3分別用來測量震動速度的水平徑向分量(vr)、水平切向分量(vτ)和垂直分量(vz)。爆破震動監測結果如表3所示。4.2 圍巖松動圈監測 為了監測爆破對臨江門車站與世貿中心之間巖柱的影響,采用美國GSSI公司生產的SIR-10H雷達對爆破后的斷面進行連續探測,以形成CT剖面,監測圍巖松動圈的變化,分析爆破震動對該段巖柱的影響。表4為部分地段通過地質雷達探測松動圈的探測結果。 從表4可以看出,在車站洞室各部位上松動圈的分布是較為均勻的,這種均勻性保證了松動圈外巖石仍然有一定的完整性,沒有明顯的薄弱環節,而且因為選用雷達精度較高,測得的松動圈內大部分圍巖未受到明顯破壞,因而具有較強的承載能力。5結論及建議 由于采用了一系列綜合減震措施,使開挖爆破對隧道周邊圍巖的影響降低到了最小程度,世貿段的爆破對圍巖松動圈的影響基本控制在1.5m以內,其余部位基本控制在2.0m以內,從而保證了圍巖穩定和工程的安全性。 監測數據表明:世貿中心段的爆破震速基本控制在1.5cm/s以內,其余地段在2.0cm/s以內,最大不超過3.0cm/s。 由于車站隧道各部位在交叉施工,爆破飛石的控制對車站隧道的影響是巨大的,也是開挖中要控制的關鍵指標之一。拱部4步開挖有3個臨空面,自由下落高度為15m左右,選擇爆破方法著重是選擇抵抗線方向,使之對其他工作面的影響減小到最低程度。方案制定時選擇最小抵抗線方向:先是沿車站軸線方向起爆,再選擇朝仰拱方向,有效地避免了爆破飛石對已襯砌段及其他工作面的影響,取得了較大的成功。2、3步開挖時上部有臨時鋼支撐,選擇爆破方法時主要是控制起爆順序,以減小爆破飛石對上部臨時鋼支撐的影響。實際爆破作業時通過采取弱爆破、選擇合理的起爆順序,有效地避免了爆破飛石對鋼支撐的損傷,整個車站臨時鋼支撐受爆破作業的損傷不到5%,證明了選擇合理的爆破順序是2、3步爆破方案的關鍵。 炮眼利用率的高低與爆破設計、施工均有直接關系。在爆破設計中,由于掏槽眼增加了減震孔、周邊眼增加了導向孔,采取隔孔裝藥方式,同時施工中嚴格控制炮眼深度、炮眼角度,提高炮眼堵塞質量,從而對提高炮眼利用率起到了良好的作用。掏槽眼的炮眼利用率達95%以上;由于擴槽眼、掘進眼的間距、抵抗線設計合理,鉆眼偏差小,炮眼利用率均在92%以上。 本工程實際施工中,由于要控制爆破震速,炸藥的單耗較低,個別石碴塊度較大,但由于出碴裝運是通過50B裝載機及載重15t的鐵馬車來完成的,除了極個別塊度較大需改炮外,絕大部分石碴能滿足設備裝運要求。 本工程因工期較緊,未采用大直徑空眼減震,如有條件,可在1步開挖的周邊眼和開挖面增打Φ130mm或更大直徑的減震孔,這樣能收到更好的減震效果。參考文獻[1]馮叔瑜等.城市控制爆破(第二版)[M].北京:中國鐵道出版社,1996[2]孟吉復等.爆破測試技術[M].北京:中國鐵道出版社,1992[3]婁德蘭.導爆管起爆技術[M].中國鐵道出版社,1995[4]中國力學爆破專業委員會編.爆破工程[M].北京:冶金工業出版社,1992
3 鉆爆設計與施工3.1 爆破特點及要求 由于車站隧道位于市中心繁華商業區,隧道埋深淺,地表高層建筑物林立,地下室開挖邊界距車站開挖邊線水平距離只有4.5～7.8m,基礎底部標高在隧道起拱線部位;地面街道行人車輛密度大,地下人防洞室錯綜復雜。隧道爆破施工必須在確保高質量的隧道開挖斷面和進尺的同時,將爆破震動控制在盡可能小的范圍內,以保證地表及建筑物的安全和對周圍環境的影響。為此,爆破必須滿足:爆破震動波速應控制在1.5～2.0cm/s;為保護世貿中心大廈與車站隧道之間的巖柱,該段爆破影響圍巖松動圈要求控制在2m以內;炮眼利用率在90%以上,光爆的半壁拋眼留痕跡率在80%以上;平均線性超挖不大于10cm,最大不超過15cm;相鄰兩循環炮眼銜接臺階不大于10cm;局部欠挖面積小于0.1m2,最大欠挖小于5cm。3.2 鉆爆設計原則 (1)以地面建筑物基礎底部(或地面)至爆源中心距離(R)為安全控制半徑,借助于經驗公式:Qm=R3(Vkp/K)3/α,并以質點振動波速度限值(2cm/s)作為控制標準,對各部分所允許的單段用藥量進行反算,并進行試爆試驗,以取得合理的爆破參數。 (2)根據現場的地質及施工條件,采用微臺階分部開挖,每部分又分多次爆破,普通段循環進尺控制在2m以內,過世貿大廈段循環進尺控制在1m以內,控制爆破規模,以達到控制質點震動速度的目的。 (3)炮眼按淺密原則布置,控制單眼裝藥量和單段裝藥量。 (4)上導洞1部掏槽眼位盡量布置在遠離建、構筑物一側。 (5)上導洞1部及拱部4部開挖斷面周邊眼間均設直徑為50mm的減震空眼,中導洞2、3部開挖時在兩側各預留1m的光爆層。 (6)核心5、7部、仰拱8部的爆破以松動爆破為主,控制爆破飛石對襯砌臺車及襯砌混凝土表面的破壞。 (7)地面、洞內均需配合爆破震動監測,及時調整鉆爆參數,以滿足環境及施工要求。3.3 鉆爆設計3.3.1 減小爆破地震動強度的方法 本工程除了采用光面爆破施工的減震措施外,擬采用周邊密排空眼減震,開挖面增打減震孔、預留光爆層等綜合減震措施的爆破技術。3.3.2爆破參數選擇 爆破參數的確定采用理論計算法、工程類比法與現場試爆相結合,在保證爆破震動速度符合安全規定的前提下,提高隧道開挖成型質量和施工進度。(1)炮眼深度(L) 本爆破設計的炮眼深度主要受爆破地震動強度控制,設計炮眼深度根據爆破部位不同進行調整,一般為1.0～2.0m。(2)炮眼數目(N) 本爆破設計炮眼直徑采用Φ42mm,每次開挖面積約為36～50m2,單位面積鉆眼數為1.5個(未包括光面爆破炮眼)。(3)炮眼布置 ①周邊炮眼布置采用經驗公式和工程類比法確定。按規定炮眼間距(E)=(8～12)d(d為炮眼直徑);抵抗線:W=(1.0～1.5)E。本設計為隔孔裝藥,炮眼間距為250mm,炮眼直徑為42mm,能滿足E值要求。 類似工程地質的裝藥集中度:q=0.1～0.15kg/m,由于本設計炮眼間距為250mm,且為隔孔裝藥,因此設計裝藥集中度取最小值(q=0.1kg/m)。 ②掏槽眼布置主要應用于側壁導洞1部,本爆破設計采用空眼雙層復式楔形混合掏槽。 ③為降低爆破地震動強度,循環進尺根據開挖部位不同來確定,掘進炮眼深度根據循環進尺來確定。 當炮眼直徑在35～42mm的范圍內時,抵抗線(W)與炮眼深度有如下關系式:W=(15～25)d或W=(0.3～0.6)dL,在堅硬難爆的巖體中或炮眼較深時,應取較小的系數,反之則取較大的系數。(4)單眼裝藥量的計算 周邊眼裝藥參數在上面已確定,其它炮眼的裝藥量均可按下列公式計算:q=k.a.w.L.λ(kg) (1)式中:q———單眼裝藥量(kg);k———炸藥單耗(kg/m3); a———炮眼間距(m);w———炮眼爆破方向的抵抗線(m); L———炮眼深度(m); λ———炮眼部位系數(參照表1選取)。(5)炮眼堵塞 堵塞作用是使炸藥在受約束條件下能充分爆炸以提高能量利用率,因此堵塞長度不小于20cm,堵塞材料采用炮泥(砂∶粘土∶水=3∶1∶1)。要求堵塞密實,不能有空隙或間斷。（6）爆破器材的選擇 炸藥:采用二號巖石銷銨炸藥,周邊炮眼采用Φ25mm小藥卷,其它炮眼采用Φ32mm標準藥卷。 雷管:孔外采用火雷管起爆,連接件及孔內均采用非電毫秒雷管(1-15段)。為避免爆破時沖擊波的疊加,選擇非電毫秒雷管時應選用段間隔為75ms以上的各段雷管(1、5、7、9、11、13、14、15共8種段別的非電毫秒雷管)。 導火索及導爆索:火雷管采用導火索引爆;周邊炮眼間隔裝藥,采用導爆索傳爆。（7）裝藥結構(圖2) 掏槽眼和底板眼采用反向起爆,周邊眼采用間隔不偶合裝藥形式。為保證每個周邊眼內炸藥同時起爆,需使用導爆索連結各藥卷。(8)裝藥連線 因雷管段數較少、炮眼較多,單段裝藥量受爆破震速要求的限制較小,因此,采用雷管分段控制和孔外微差爆破相結合的方法,以減少單段起爆藥量和起爆次數。3.3.3 爆破安全驗算 地表建筑距隧道的最短距離為10.4m,距世貿大廈地下基礎的最短距離為4.5m,震速控制在1.5cm/s(視建筑物結構形式而定)。Qm=K/R3(Vkp/K′)3/α (2)式中:Qm———最大一段允許用藥量(kg); Vkp———震動安全速度(cm/s); R———爆源中心到震速控制點的距離(m); K———與爆破技術、地震波傳播途經介質的性質有關的系數,取160(試驗測定值); α———爆破震動衰減系數,取1.8(試驗測定值); K′———在爆破施工實踐中的爆破震動衰減修正系數(表2),相關于不同的減震措施及爆破臨空面的數量。4爆破監測與分析4.1 爆破震動監測 爆破震動監測主要采用由DSVM-4C振動測試儀、891-II型拾振器、計算機、打印機等組成的震動測試系統,量測過程由計算機自動進行控制(圖3)。 拾振器1、拾振器2、拾振器3分別用來測量震動速度的水平徑向分量(vr)、水平切向分量(vτ)和垂直分量(vz)。爆破震動監測結果如表3所示。4.2 圍巖松動圈監測 為了監測爆破對臨江門車站與世貿中心之間巖柱的影響,采用美國GSSI公司生產的SIR-10H雷達對爆破后的斷面進行連續探測,以形成CT剖面,監測圍巖松動圈的變化,分析爆破震動對該段巖柱的影響。表4為部分地段通過地質雷達探測松動圈的探測結果。 從表4可以看出,在車站洞室各部位上松動圈的分布是較為均勻的,這種均勻性保證了松動圈外巖石仍然有一定的完整性,沒有明顯的薄弱環節,而且因為選用雷達精度較高,測得的松動圈內大部分圍巖未受到明顯破壞,因而具有較強的承載能力。5結論及建議 由于采用了一系列綜合減震措施,使開挖爆破對隧道周邊圍巖的影響降低到了最小程度,世貿段的爆破對圍巖松動圈的影響基本控制在1.5m以內,其余部位基本控制在2.0m以內,從而保證了圍巖穩定和工程的安全性。 監測數據表明:世貿中心段的爆破震速基本控制在1.5cm/s以內,其余地段在2.0cm/s以內,最大不超過3.0cm/s。 由于車站隧道各部位在交叉施工,爆破飛石的控制對車站隧道的影響是巨大的,也是開挖中要控制的關鍵指標之一。拱部4步開挖有3個臨空面,自由下落高度為15m左右,選擇爆破方法著重是選擇抵抗線方向,使之對其他工作面的影響減小到最低程度。方案制定時選擇最小抵抗線方向:先是沿車站軸線方向起爆,再選擇朝仰拱方向,有效地避免了爆破飛石對已襯砌段及其他工作面的影響,取得了較大的成功。2、3步開挖時上部有臨時鋼支撐,選擇爆破方法時主要是控制起爆順序,以減小爆破飛石對上部臨時鋼支撐的影響。實際爆破作業時通過采取弱爆破、選擇合理的起爆順序,有效地避免了爆破飛石對鋼支撐的損傷,整個車站臨時鋼支撐受爆破作業的損傷不到5%,證明了選擇合理的爆破順序是2、3步爆破方案的關鍵。 炮眼利用率的高低與爆破設計、施工均有直接關系。在爆破設計中,由于掏槽眼增加了減震孔、周邊眼增加了導向孔,采取隔孔裝藥方式,同時施工中嚴格控制炮眼深度、炮眼角度,提高炮眼堵塞質量,從而對提高炮眼利用率起到了良好的作用。掏槽眼的炮眼利用率達95%以上;由于擴槽眼、掘進眼的間距、抵抗線設計合理,鉆眼偏差小,炮眼利用率均在92%以上。 本工程實際施工中,由于要控制爆破震速,炸藥的單耗較低,個別石碴塊度較大,但由于出碴裝運是通過50B裝載機及載重15t的鐵馬車來完成的,除了極個別塊度較大需改炮外,絕大部分石碴能滿足設備裝運要求。 本工程因工期較緊,未采用大直徑空眼減震,如有條件,可在1步開挖的周邊眼和開挖面增打Φ130mm或更大直徑的減震孔,這樣能收到更好的減震效果。參考文獻[1]馮叔瑜等.城市控制爆破(第二版)[M].北京:中國鐵道出版社,1996[2]孟吉復等.爆破測試技術[M].北京:中國鐵道出版社,1992[3]婁德蘭.導爆管起爆技術[M].中國鐵道出版社,1995[4]中國力學爆破專業委員會編.爆破工程[M].北京:冶金工業出版社,1992
