基于综合减震的深基坑控制爆破开挖技术研究
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摘要：文章介绍了控制爆破在重庆市轨道交通6号线邱家湾站深基坑开挖的应用，针对工程中必须严格控制爆破地震效应，避免对周边建造物以及社会交通产生不利影响，提出了采取综合减震措施的控制爆破设想，通过选取合理的爆破方案、爆破参数以及飞石防护等措施，经过多次试验加以调整，总结出了有实用性的施工方法，确保了施工进度及生产安全。研究结果对类似条件下深基坑开挖安全施工具有一定的借鉴意义。
关键词：综合减震；控制爆破；爆破参数；飞石防护
中图分类号： TB41 文献标识码： A
引言
采用控制爆破技术，需要对爆破效果和爆破危害进行双重控制，通过精心设计、施工与防护等技术，严格控制爆炸能源的释放和介质的破碎过程，既要达到预期的爆破效果，又要将爆破范围、破碎程度、倒塌范围、抛掷方向、堆积形状以及爆破危害控制在允许规定范围之内[1]。但是控制爆破施工是一项有一定风险的施工作业，尤其在复杂条件下安全问题突出，需要做好控制爆破方案，实施中必须做好过程控制，采取严格的安全技术和防护措施，对施工单位的技术实力和经验要求较高。施工实践表明，石方基坑开挖中采取一系列综合减震措施可使开挖对周边影响降低到最小程度 [2]。
本文针对城市建设复杂环境条件下具体的石方深基坑开挖工程为例，对采取的综合减震措施达到微振动目标的控制爆破技术进行分析研究。
1 工程概况
邱家湾站系重庆轨道交通六号线二期工程中间站，位于通江大道与同景国际小区通道的十字路口下。车站主体全长178.1m，标准段宽度20.9 m，深度为17.5 m。车站基坑开挖区域距最近的建筑物30米。基坑围护结构采用肋板式锚杆挡墙，明挖逆做法施工。附属工程包括4个出入口，2个风道。车站主体及出入口和风道施工区域岩质均为砂岩与页岩互层，砂岩岩石坚硬、裂隙发育，有裂隙承压水。轻轨六号线邱家湾站爆破区域平面见图1。
图1.轻轨六号线邱家湾站爆破区域平面图
2深基坑爆破开挖总体方案
(1)因该工程占用了通江大道主干道，开工前新做了转换道路搞好交通组织。处置各种地下管线，基坑四周搭封闭式防护围墙。
(2)清理出基坑开挖岩面层，利用切割机、破碎机在本区域的中间进行最初的掏槽沟（或坑）开挖，并及时将渣土外运，而不做掏槽眼爆破，为后续爆破创造临空面。掏槽沟（或坑）深不小于1.2m。
(3)爆破开挖从上到下进行毫秒微差浅孔台阶法控制爆破，由中间向两边开挖，基坑边沿采用光面爆破的施工工法，确保证岩面平整和围岩稳定。为确保施工过程的安全，基坑开挖采用明挖逆做法施工，每一个施工循环高度为2.0～2.5米，分流水段完成基坑开挖及围护结构施工。每段爆破开挖完毕后采用锚喷护壁，然后再爆破开挖下一台阶。
(4)设置固定进出口两个，进出口施工便道上下坡道均采用干摆片石铺筑，采用砼路面并设排水沟，进出施工场地处路面作硬化处理。实施凿岩机凿石，挖掘机集堆及装渣，自卸车运渣的施工方式。光面爆破时炮眼紧贴基坑设计边线，为了保证光爆效果，每三层台阶只光爆两层。
(5)最低爆破作业面距离完成标高面不得小于1米，余下使用机械切割破碎法凿除。确保基坑尺寸、底部高程和平整度符合设计要求。
(6)附属工程包括4个出入口，2个风道开挖基坑采用机械切割破碎法开挖。
3 爆破参数设计
(1) 浅孔松动爆破参数选择
①炮孔直径：浅孔爆破一般选用φ38～42mm炮孔直径；
②浅孔爆破梯段高度H=1.2～2.0m；
③最小抵抗线W=0.7～1.2m；
④炮孔排距b=0.7～1.0 m；炮孔间距a=0.7～1.0m；
⑤炮孔倾角α可以根据边坡的要求进行调整；
⑥炮孔深度L应根据开挖深度要求和岩石性质超深0.20～0.5m；
⑦炸药单耗q根据加强松动爆破的要求，炸药单耗取0.20～0.23kg/m3；
⑧单孔装药量Q根据体积计算公式q=KabH，确定每个炮孔的装药量；
⑨装药结构采用连续装药。
(2)石方浅孔控制爆破参数表
(3)边坡采用光面爆破，以保证边坡效果。
①炮孔：直径D=42mm；孔距a=0.40 m；
②炮孔角度与边坡角度一致、与主爆孔一致；
③超深：0.40 m，炮孔深度：2.40 m ；
④线装药密度=0.15kg/m ；
⑤单孔装药量：0.36 kg；底部装药：0.14 kg；中部装药：0.13 kg；上部装药：0.09 kg；
⑥堵塞长度：0.5～1.5 m ；
⑦装药直径：23.00 mm不藕合装药系数：1.74 ；
(4)布孔方式
台阶控制爆破的布孔一般从爆区自由面由外向内、从一端向另一端布孔。根据爆区具体情况采用三角形和矩形两种布孔方式，钻孔根据实际情况采用挖机钻垂直钻孔。
(5)微差起爆
爆破地震效应监测资料和研究成果显示: 一般情况下,在坚硬岩石中进行微差爆破时，其间隔时间应控制在35～50ms；中硬岩石应在50～75ms；软岩中应大于75ms [3]。故本工程为控制爆堆高度、松散度，每次起爆主炮孔排数不超过3排，各排主炮孔非电雷管段别分别为:ms1、ms3、ms5。光面爆破最后起爆，在主爆破区爆破50～75 ms后再起爆。
4爆破安全校核
(1)爆破振动安全允许最大药量
根据《爆破安全规程》爆破振动安全允许距离R=[k/V]1/a.Q 1/3可得：Q= R 3 / [k/V]3/a
式中: R―爆破振动安全允许距离，(m)；
Q―炸药量，齐发爆破为总药量，延时爆破为最大一段药量，(kg)；
V―保护对象所在地质安全允许质点振速， cm/s。
K、a与爆破点至保护对象间的地形、地质条件有关的系数和衰减指数，应通过现场试验确定，在无试验数据的条件下，按《爆破安全规程》(GB6722-2011) (表13-2) 根据爆区不同岩性选取，中硬岩石K值在150～250范围之间，a值1 5～1.8范围之间，计算时K=200，a=1.8。
本工程重点保护对象距离爆破区域30m处的一般民用建筑。一般民用建筑安全允许质点振动速度V=2.0～3.0(/s)，根据专家组论证意见，暂按安全振动速度2.0cm/s 控制。
由公式R=[k/V]1/a.Q 1/3可得：Q= R 3 / [k/V]3/a=303 / [200/2]3/1.8 ≈12.5
根据以往类似工程经验，本工程一次最大齐爆破药量不超过5，并根据监测结果进行调整。
(2)爆破冲击波安全允许距离计算
对浅孔台阶爆破，不存在药包爆破，一般不考虑冲击波的破坏效应，但必须对炮孔进行正确的堵塞。
(3)个别飞石的安全距离验算
由于该工程场外作业流动人员和车辆较多，爆破时必须做到无飞散，个别飞散物安全距离[3] R飞=20n2W k。
式中：安全系数K一般选用K=1～1.5；浅孔松动台阶爆破作用指数n一般取0.75。
R飞=20 n2W k=20×(0.75)2×(1.5) ×1≈16.9 m。
由此可见在深基坑从上到下的开挖过程中不能满足安全要求，必须采取严密的覆盖防护措施。本工程采取的措施有：
①爆破前，在装药炮孔上严密覆盖钢板、重型轮胎毡，使爆破产生的飞石完全控制在基坑内。安全警戒距离按照50-200m设置，确保万无一失。
②因基坑尺寸及其周边环境的情况，沿基坑长轴方向空间较大，爆破临空面宜沿基坑长轴横向布置，可有效遏制沿基坑方向的飞石[4]。
③确定合理的爆破单耗值，不因挖方要求块度小而任意加大药量以提高破碎度，避免单耗失控造成飞石[5] 。
④施工时根据地质构造情况采取调整孔网参数、间隔堵塞、调整药量等技术措施。
⑤保证堵塞质量，堵塞长度大于最小抵抗线、确保堵塞长度，堵塞紧密。
5起爆网络
设计爆破网路为孔内微差的起爆技术，采用分组簇联方式，同段爆破最大装药不大于5K，按允许药量控制一次爆破规模。非电毫秒雷管一般跳段使用，低段甚至跳二段使用，使段间隔时间大于50ms，防止振波相叠加而产生较大的地震动。爆破网路见图2。
图2.爆破网路图
6爆破振动监测
本工程由建设单位委托有资质的爆破地震效应监测单位对爆破施工进行全过程监测。对重点施工地段和周围建(构)筑物较近的区域，每一次的爆破进行跟踪监测。
(1)测试系统
使用IDTS4850等记录仪及配套传感器。为了提高抗干抚能力，系统各测点之间用屏蔽线连接。传感器和爆破振动记录仪应在标定有效期内，确保监测数据真实可靠。
(2)监测方案
①测点布置。
监测点应布置在被监测对象附近的地表、基础或建筑物上。研究爆破地震动波传播规律通常是沿爆破区径向或环向布置1条或几条地表测线，径向测点按对数曲线布置，测点应放在同一地层或基础上，每一测点必须测垂直方向振动量，最好能同时测3个方向量。
②量测数据的处理与使用
将得到的振速与安全判据(有关规程所规定的允许振动速度值)相比较，可以判断建筑物、构筑物是否安全。若所测得的振动速度值大于允许值时，则应采取减振措施；小于允许值时，可加大起爆规模，提高施工效率。应用公式V=K(Q1/3/R)α及一元回归法对所测得的数据进行回归分析，得到与介质、地形有关的系数K、α，从而可得到质点振速V的衰减规律，然后根据上式、允许最大振动速度、爆心距R，推算出下一次允许起爆药量Q，以达到科学装药[6]。
7 结论及建议
(1) 震动传感器应设置在重点建构筑物旁和保护对象合适的位置，根据爆破地震效应全过程实测结果，调整爆破参数(主要是药量控制)，选择合理爆破施工方法，是开展综合减震控制爆破的有效技术途径。
(2) 采用毫秒爆破时，选择合理的时差，爆破产生的震动波会相互干扰而削弱，从而降低了对工作面的震动作用，是开展综合减震控制爆破的重要技术措施。
(3) 爆破参数仅仅是理论计算值，应根据现场实际情况、试爆效果以及爆破监测数据反馈后作适当调整。要坚持多打孔少装药、严格限制同段起爆药量，采用多段毫秒微差起爆等综合减震措施，能有效降低爆破振动，加强振动测试工作，做好了基坑围护结构以及周边建筑的监控量测，及时反馈量测数据，指导施工安全进行，确保基坑围护结构的安全。
参考文献
[1] 袁绍国.控制爆破理论与实践[M]天津大学出版社2007
[2] 李明宇.浅孔微差控制爆破技术在深基坑开挖中的应用.西部探矿工程.2008.02
[3] 苏华友.陆文.微差爆破间隔时间合理性分析.四川冶金.2000.03
[4] 宫海光.地铁站内深基坑爆破开挖技术.国防交通工程与技术.2006.4
[5] 朱朝祥.蔡伟.杨建军.深基坑爆破开挖技术在地铁工程中的应用.爆破.2009.04
[6] 王民寿.郭庆海.用双随机变量回归改进爆破振速回归分析.爆炸与冲击.1998.03