繁华城区浅埋大断面隧道减震爆破技术

繁华城区浅埋大断面隧道减震爆破技术摘 要 文章以重庆轻轨较新线临江门车站隧道为例 , 介绍了复杂条件下城市浅埋硬岩特大断面隧道减震爆破的施 工方法。开挖爆破中由于采用了一系列综合减震措施 ,使其对 隧道周边围岩的影响降低到了最小程度 ;在爆破设计中 ,掏槽 眼增加了减震孔 ,周边眼增加了导向孔,并采取隔孔装药方式, 对提高炮眼利用率起到了良好的作用。监测结果表明,爆破震 速控制较好。关键词 城市轻轨 浅埋大断面隧道 车站隧 道 减震爆破1 前 言城市浅埋、暗挖、硬岩大断面隧道,在我国隧道建设史上 并不多见,随着城市建设的不断发展 ,地面空间已不能满足城 市功能的要求 ,地下空间的开发利用已越来越显示出它的优 越性。临江门车站是重庆轻轨较新线的一个中间站 ,位于重庆 市渝中区解放碑商业步行街下，埋深1014m,开挖高度为 20. 885m,开挖宽度为2304m,开挖断面积为421m2。车站周边 高层建筑林立, 与 35 层高的世贸中心大厦水平距离仅 4.5m, 具有典型的城市浅埋硬岩大断面隧道的特点及施工难度。本 文以临江门车站隧道的减震爆破施工为例 ,介绍城市浅埋大 断面隧道减震爆破技术,以供同类工程参考。2 工程地质及结构设计概述临江门站在区域构造上属于解放碑向斜轴部地段 ,岩层 产状平缓,走向与车站轴线大体一致或以小角度斜交。临江门 站出露地层为第四系全新统人工填土 ,下伏基岩为侏罗系中 统上沙溪庙组砂岩和砂质泥岩 ,无断层构造裂隙发育 ,围岩拱 部为砂岩 ,边墙大部分为泥岩 ,较场口一端边墙砂岩较厚 ,黄 花园一端边墙为泥岩,车站底部全部为泥岩。车站洞室段水文地质条件简单 ,由于街道市政排水设施 完备 ,因此,仅少量地表水沿着破裂的地下管道渗透于砂岩中 , 形成基岩裂隙水。场地所在区域地震基本烈度为VI度。临江 门车站隧道最小覆盖层厚度为105m,其中地表土层厚2. 8m、 基岩厚7. 7m;最大覆盖层厚度也只有1458m,其中地表土层厚 4.1m、基岩厚 10.5m。车站地面两侧高层建筑林立 , 车站沿途两侧主要建筑物 有:解放碑酒楼和新潮商场（现正在改建为图书金融大楼）、时 代广场（在建）、和平电影院、新世纪百货大楼、颐之时大酒 楼、重庆世贸中心 （在建）、都市广场。对车站隧道影响较大 的有:时代广场、世贸大厦、新世纪百货、都市广场。车站较 场口端位于邹容路步行街下 ,街面行人密布 ,黄花园端地面上 车流滚滚 ;车站地下人防洞室密布 ,纵横交错 ,与车站隧道洞 室在平面和空间上有交叉、有平行、有重合,人防洞室分布在 车站洞室拱部,构成了复杂的工程地质和环境地质条件。根据临江门站的工程特点 ,隧道设计采用新奥法设计 ,车 站隧道采用复合式衬砌结构。车站施工采用双侧壁导洞法分 步开挖及全断面整体式衬砌 ,最后开挖核心部分和仰拱。施工 步序如图 1。3 钻爆设计与施工3.1 爆破特点及要求由于车站隧道位于市中心繁华商业区 ,隧道埋深浅 ,地表 高层建筑物林立 ,地下室开挖边界距车站开挖边线水平距离 只有457 8m,基础底部标高在隧道起拱线部位；地面街道 行人车辆密度大 , 地下人防洞室错综复杂。隧道爆破施工必须 在确保高质量的隧道开挖断面和进尺的同时 , 将爆破震动控 制在尽可能小的范围内 , 以保证地表及建筑物的安全和对周 围环境的影响。为此 , 爆破必须满足 :爆破震动波速应控制在 1.52. 0cm/s;为保护世贸中心大厦与车站隧道之间的岩柱， 该段爆破影响围岩松动圈要求控制在 2m 以内; 炮眼利用率在 90%以上, 光爆的半壁抛眼留痕迹率在 80%以上;平均线性超挖 不大于10cm,最大不超过15cm;相邻两循环炮眼衔接台阶不大 于 10cm; 局部欠挖面积小于 0.1m2, 最大欠挖小于 5cm。3.2 钻爆设计原则(1) 以地面建筑物基础底部(或地面)至爆源中心距离(R) 为安全控制半径，借助于经验公式：Qm=R3(Vkp/K)3/ a,并以 质点振动波速度限值( 2 c m / s )作为控制标准, 对各部分所允许 的单段用药量进行反算, 并进行试爆试验, 以取得合理的爆破 参数。(2) 根据现场的地质及施工条件 , 采用微台阶分部开挖 , 每部分又分多次爆破,普通段循环进尺控制在2m以内,过世贸 大厦段循环进尺控制在1m以内，控制爆破规模,以达到控制质 点震动速度的目的。(3) 炮眼按浅密原则布臵 , 控制单眼装药量和单段装药 量。4)上导洞1部掏槽眼位尽量布臵在远离建、构筑物一侧。(5) 上导洞 1部及拱部 4部开挖断面周边眼间均设直径为 50mm 的减震空眼,中导洞 2、3部开挖时在两侧各预留 1m 的光 爆层。(6) 核心 5、7部、仰拱8 部的爆破以松动爆破为主,控制 爆破飞石对衬砌台车及衬砌混凝土表面的破坏。(7) 地面、洞内均需配合爆破震动监测 ,及时调整钻爆参 数,以满足环境及施工要求。3.3 钻爆设计3.3.1 减小爆破地震动强度的方法本工程除了采用光面爆破施工的减震措施外 ,拟采用周 边密排空眼减震 ,开挖面增打减震孔、预留光爆层等综合减震 措施的爆破技术。3.3.2 爆破参数选择爆破参数的确定采用理论计算法、工程类比法与现场试 爆相结合 ,在保证爆破震动速度符合安全规定的前提下 ,提高 隧道开挖成型质量和施工进度。(1) 炮眼深度(L)本爆破设计的炮眼深度主要受爆破地震动强度控制 ,设 计炮眼深度根据爆破部位不同进行调整，一般为1.0 -2. 0m。(2) 炮眼数目(N)本爆破设计炮眼直径采用42mm,每次开挖面积约为3650m2,单位面积钻眼数为15个(未包括光面爆破炮眼)。(3) 炮眼布臵 周边炮眼布置采用经验公式和工程类比法确定。按规 定炮眼间距(E) = (812)d(d为炮眼直径);抵抗线:W=(1.0 1. 5)E。本设计为隔孔装药，炮眼间距为250mm,炮眼直径为 42mm, 能满足 E 值要求。类似工程地质的装药集中度 :q=0.1 0.15kg/m, 由于本 设计炮眼间距为250mm,且为隔孔装药，因此设计装药集中度 取最小值(q=0lkg/m)。 掏槽眼布臵主要应用于侧壁导洞 1 部, 本爆破设计采用 空眼双层复式楔形混合掏槽。 为降低爆破地震动强度 , 循环进尺根据开挖部位不同 来确定, 掘进炮眼深度根据循环进尺来确定。当炮眼直径在35 42mm的范围内时，抵抗线(W)与炮眼深 度有如下关系式：W=(15 25)d或W=(0.30. 6)dL，在坚硬难 爆的岩体中或炮眼较深时 , 应取较小的系数, 反之则取较大的 系数。(4) 单眼装药量的计算周边眼装药参数在上面已确定 , 其它炮眼的装药量均可 按下列公式计算 ：q=k.a.w.L. A (kg)(1)式中:q单眼装药量(kg);k炸药单耗(kg/m3);a炮眼间距(m);w炮眼爆破方向的抵抗线(m);L炮眼深度(m);入炮眼部位系数(参照表1选取)。(5)炮眼堵塞堵塞作用是使炸药在受约束条件下能充分爆炸以提高能 量利用率，因此堵塞长度不小 于20cm,堵塞材料采用炮泥 (砂：粘土 ：水=3 ： 1 ： 1)。要求堵塞密实，不能有空隙或间 断。(6)爆破器材的选择炸药：采用二号岩石销铵炸药，周边炮眼采用25mm小药 卷,其它炮眼采用32mm标准药卷。雷管： 孔外采用火雷管起爆,连接件及孔内均采用非电毫 秒雷管（1-15 段）。为避免爆破时冲击波的叠加,选择非电毫秒 雷管时应选用段间隔为 75ms 以上的各段雷管 （1、5、7、9、 11、13、14、15共 8种段别的非电毫秒雷管）。导火索及导爆索:火雷管采用导火索引爆 ;周边炮眼间隔 装药,采用导爆索传爆。（7）装药结构（图 2）掏槽眼和底板眼采用反向起爆 ,周边 眼采用间隔不偶合装药形式。为保证每个周边眼内炸药同时 起爆,需使用导爆索连结各药卷。（8）装药连线因雷管段数较少、炮眼较多,单段装药量受爆破震速要求 的限制较小 ,因此,采用雷管分段控制和孔外微差爆破相结合 的方法,以减少单段起爆药量和起爆次数。3.3.3 爆破安全验算地表建筑距隧道的最短距离为104m，距世贸大厦地下基 础的最短距离为4. 5m,震速控制在1. 5cm/s（视建筑物结构形 式而定）。Qm=K/R3(Vkp/K / )3/a (2)式中:Qm最大一段允许用药量(kg);Vkp震动安全速度(cm/s);R爆源中心到震速控制点的距离(m);K与爆破技术、地震波传播途经介质的性质有关的系数,取 160 (试验测定值) ;a 爆破震动衰减系数,取 1.8 (试验测定值) ;K/ 在爆破施工实践中的爆破震动衰减修正系数(表 2),相关于不同的减震措施及爆破临空面的数量。 4 爆破 监测与分析4.1 爆破震动监测爆破震动监测主要采用由 DSVM-4C 振动测试仪、 891-II 型拾振器、计算机、打印机等组成的震动测试系统,量测过程由计算机自动进行控制(图 3)。拾振器 1、拾振器 2、拾振器 3分别用来测量震动速度的 水平径向分量(vr)、水平切向分量(v t )和垂直分量(vz)。爆 破震动监测结果如表 3 所示。4.2 围岩松动圈监测为了监测爆破对临江门车站与世贸中心之间岩柱的影响 , 采用美国GSSI公司生产的SIR-10H雷达对爆破后的断面进行 连续探测,以形成 CT 剖面,监测围岩松动圈的变化,分析爆破 震动对该段岩柱的影响。表 4 为部分地段通过地质雷达探测 松动圈的探测结果。从表 4可以看出,在车站洞室各部位上松 动圈的分布是较为均匀的 ,这种均匀性保证了松动圈外岩石 仍然有一定的完整性 ,没有明显的薄弱环节 ,而且因为选用雷 达精度较高,测得的松动圈内大部分围岩未受到明显破坏 ,因 而具有较强的承载能力。5 结论及建议由于采用了一系列综合减震措施 ,使开挖爆破对隧道周 边围岩的影响降低到了最小程度 ,世贸段的爆破对围岩松动圈的影响基本控制在 1.5m 以内,其余部位基本控制在 2.0m 以 内,从而保证了围岩稳定和工程的安全性。监测数据表明:世贸中心段的爆破震速基本控制在 1.5cm/s 以内 ,其余 地 段在 2.0cm/s 以 内,最大 不 超过 3.0cm/s。由于车站隧道各部位在交叉施工 ,爆破飞石的控制对车 站隧道的影响是巨大的,也是开挖中要控制的关键指标之一。 拱部 4 步开挖有 3 个临空面,自由下落高度为 15m 左右,选择 爆破方法着重是选择抵抗线方向 ,使之对其他工作面的影响 减小到最低程度。方案制定时选择最小抵抗线方向 :先是沿车 站轴线方向起爆 ,再选择朝仰拱方向 ,有效地避免了爆破飞石 对已衬砌段及其他工作面的影响 ,取得了较大的成功。 2、3 步开挖时上部有临时钢支撑 ,选择爆破方法时主要是控制起 爆顺序,以减小爆破飞石对上部临时钢支撑的影响。实际爆破 作业时通过采取弱爆破、选择合理的起爆顺序 ,有效地避免了 爆破飞石对钢支撑的损伤 ,整个车站临时钢支撑受爆破作业 的损伤不到 5%,证明了选择合理的爆破顺序是 2、3 步爆破方 案的关键。炮眼利用率的高低与爆破设计、施工均有直接关系。在爆破设计中,由于掏槽眼增加了减震孔、周边眼增加了导向孔, 采取隔孔装药方式,同时施工中严格控制炮眼深度、炮眼角度, 提高炮眼堵塞质量 ,从而对提高炮眼利用率起到了良好的作 用。掏槽眼的炮眼利用率达 95%以上;由于扩槽眼、掘进眼的 间距、抵抗线设计合理 ,钻眼偏差小 ,炮眼利用率均在 92%以 上。本工程实际施工中 ,由于要控制爆破震速 ,炸药的单耗较 低,个别石碴块度较大 ,但由于出碴装运是通过 50B 装载机及 载重 15t 的铁马车来完成的,除了极个别块度较大需改炮外 , 绝大部分石碴能满足设备装运要求。本工程因工期较紧 ,未采用大直径空眼减震 ,如有条件 , 可在1步开挖的周边眼和开挖面增打 130mm或更大直径的 减震孔,这样能收到更好的减震效果。参考文献1 冯叔瑜等城市控制爆破（第二版）M北京：中国铁道出版社,19962 孟吉复等爆破测试技术M.北京：中国铁道出版社,19923 娄德兰导爆管起爆技术M.中国铁道出版社，19954 中国力学爆破专业委员会编爆破工程M.北京：冶金工业出版社,1992