繁华市区地铁车区间隧道微振综合控制爆破方法

摘要

本发明公开了繁华市区地铁车区间隧道微振综合控制爆破方法，采用双层大空孔直孔菱形的方式或者混合掏槽的方式进行掏槽，隧道的拱部采用光面爆破，墙部采用预裂爆破。本发明的有益效果是：通过采用双层大空孔直孔菱形的方式或者混合掏槽的方式进行掏槽，配合隧道的拱部采用光面爆破，墙部采用预裂爆破，对建筑物危害较低，噪声较低，有利于文明施工；本发明的控制方法可以高效、稳定、安全地完成地铁区间隧道土石方爆破作业，不仅提高了工作效率和简化施工流程，而且保证了基坑建设过程中人员和设备不受到损害。

说明书

技术领域

本发明涉及地下工程、岩土工程、道路工程等技术领域，具体涉及繁华市区地铁车区间隧道微振综合控制爆破方法。

背景技术

城市地铁爆破开挖的减振问题是隧道爆破施工的主控点，特别是地铁工程的暗挖地段，往往地表情况复杂、建筑密集、人口稠密，对隧道的爆破振动的要求非常严格，如果爆破振动问题不能得到有效的解决，将有可能会引起管线破裂、地面沉降、塌陷、周边建筑开裂等一系列的问题，给城市建设及居民的正常起居生活带来不可预估的损失。如何解决好地面附着物和人群的有效保护，目前成为很多专家、设计单位、施工单位等的重点关注和主要研究对象，减震技术得到了快速的发展和应用，特别是在城市地铁施工中尤为重要。由于地铁隧道一般位于地面下方10-30m，在爆破施工时会对地面的建(构)筑物造成危害，在地铁隧道开挖爆破产生的危害中，影响最大的是爆破振动波对地表建构筑物的影响。

炸药在介质中爆炸后产生强大的冲击波，当冲击波传播至离爆源10-15R(R为药包半径)时，冲击波转变为介质中的应力波，在岩体中将产生破坏；随着传播距离的增加，在距离爆源更远的地方，此时应力波衰减为介质中的地震波，在介质中产生地震效应，当它的强度超过一定限度时，会引起地表或附近建构筑物的破坏。由于不同的环境、不同的地质水文条件所采用的减震技术均有差别，因此在隧道爆破施工中，控制震速与隧道地质条件、周边环境、地表沉降、爆破震速等要求息息相关，施工中要根据不同的环境选用不同的减震技术。目前控制爆破震速主要从爆破进尺、单段最大起爆药量、掏槽方式、爆破器材、微差间隔时间等方面进行设计来严格控制爆破振动。通过对地铁隧道爆破振动波的现场监测和研究分析，确定爆破所引发的地震效应在地表建构筑物中所产生的质点振动速度和频率等参数，来判断地表建构筑物的安全性，并及时反馈设计和施工，确保施工过程中周围建构筑物的安全，对于城市地铁施工具有重要的应用价值。

发明内容

本发明为了克服现有技术的不足，特提供一种繁华市区地铁车区间隧道微振综合控制爆破方法，该方法的使用，可尽可能减轻对围岩的扰动，维护围岩自身稳定性，达到良好轮廓成形。

为了达成上述目的，本发明采用如下技术方案：

繁华市区地铁车区间隧道微振综合控制爆破方法，

采用双层大空孔直孔菱形的方式或者混合掏槽的方式进行掏槽，隧道的拱部采用光面爆破，墙部采用预裂爆破，采用双层大空孔直孔菱形掏槽，它充分利用了大空孔作为自由面和补偿空间的作用，减小了岩石的夹制作用，以中空孔为中心，以菱形分布的层次逐渐起爆，形成较大的槽腔，较明显地降低爆破振动速度，增强了掏槽孔爆破的效果；区间隧道下存在坚硬岩石且岩石断面较大时，为增大掏槽体积，两种以上的混合掏槽方式，可根据隧道岩石情况，提高最后的爆破效果。

进一步地，所述混合掏槽的方式为：直线与双楔形混合的方式或者菱形与楔形混合的方式。

进一步地，隧道掌子面核心采用控制爆破，掏槽采用抛掷爆破，整体的设置减轻对围岩扰动，维护围岩自身稳定性，达到良好轮廓成形。

进一步地，隧道的拱部采用光面爆破中需合理布置周边孔，并合理选用装药结构，周边孔位要精确，周边孔相互平行，眼底落在同一平面上，经过沿线施工总结得出，周边孔间距采用300mm-400mm是合适的。

进一步地，所述周边孔的外倾角小于等于5°，周边孔孔距a选取范围为300mm-400mm。

进一步地，当进尺为1m时，选用的装药结构是导爆索分段间隔不耦合装药结构。

在控制爆破中，选用导爆管非电起爆系统，该系统能根据需要选择起爆数和微差间隔时间，使爆破振动降低到最低限度。

为避免振动强度叠加作用，雷管采取跳段使用，为尽量避免振动波形叠加，间隔时差控制为100ms。

爆破中，需要加强爆破振动检测，及时调整钻爆参数。

进一步地，所述的综合控制爆破方法，具体步骤如下：

1)确定最大段允许装药量；

最大段允许用药量以允许爆破振动速度控制，由萨道夫斯基公式进行计算：

式中：Q——最大一段允许用药量，kg；

V——振带安全控制标准，cm/s；

R——爆源中心到振速控制点距离，m；

K——与爆破技术、地震波传播途径介质的性质有关的系数；

α——爆破振动衰减指数；

2)掏槽形式的确定：采用双层大空孔直孔菱形的方式或者混合掏槽的方式进行掏槽；

3)爆破器材的确定，即炸药类型和装药直径的确定；

4)爆破间隔时差的确定，炸药采用跳段使用；

5)循环进尺的确定；

6)底板孔的爆破与起爆顺序的确定；

7)爆破参数的确定。

进一步地，在所述步骤3)中炸药类型选用乳化炸药非电毫秒雷管，装药的直径选用规格每卷重200g。

进一步地，在所述步骤5)中确定的循环进尺为0.5～1m，采用浅眼爆破，不仅控制一次爆破总用药量，也控制了每段用药量，可以达到减震对围岩扰动的控制。

进一步地，在所述步骤6)中底板孔的爆破分成若干段分开起爆，确定的起爆顺序：预裂爆破时先预裂后掏槽，然后扩槽、掘进孔、二台孔、内圈孔；光面爆破，从掏槽孔开始，一层一层地往外进行，最后周边光面爆破。

进一步地，在所述步骤7)确定的爆破参数有：炮孔深度0.7～1.3m，炮孔数目，孔网参数，周边孔参数，一次爆破总装药量和单孔装药量。

本发明的有益效果是：

1、通过采用双层大空孔直孔菱形的方式或者混合掏槽的方式进行掏槽，配合隧道的拱部采用光面爆破，墙部采用预裂爆破，对建筑物危害较低，噪声较低，有利于文明施工。

2、本发明的控制方法可以高效、稳定、安全地完成地铁区间隧道土石方爆破作业，不仅提高了工作效率和简化施工流程，而且保证了基坑建设过程中人员和设备不受到损害。

附图说明

图1(a)龟裂掏槽布置形式图。

图1(b)筒形掏槽布置形式图。

图1(c)螺旋掏槽布置形式图。

图2为单、双层大空孔直孔菱形掏槽图。

图3(a)为锥形掏槽图。

图3(b)为楔形掏槽图。

图4(a)为传统双楔形掏槽图。

图4(b)为分级复式楔形掏槽(二级复式楔形掏槽)图。

图4(c)为三级复式楔形掏槽图。图5(a)为直线与双楔形混合掏槽图。

图5(b)为菱形与楔形混合掏槽图。

图6(a)为孔底集中装药结构示意图。

图6(b)为采用导爆索分段间隔不耦合装药结构示意图。

图6(c)为采用定向断裂控制爆破技术的孔底集中装药结构示意图。

图6(d)为采用定向断裂控制爆破技术的导爆索分段间隔不耦合装药结构示意图。

图7为掏槽孔设计图。

其中，1、装药孔；2、空孔；3、炮泥；4、炸药；5、雷管；6、导爆索；7、切缝管。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。

针对地铁区间工程地处城市地段，所处地层围岩较多表现为上软下硬，同一工作面分布不同围岩类别等特点，进行隧道综合微震控制爆破技术设计。工程横通道及隧道处于中风化及微风化层中，拱部采用光面爆破，墙部采用预裂爆破，核心采用控制爆破，掏槽采用抛掷爆破的综合控制爆破技术，以尽可能减轻对围岩扰动，维护围岩自身稳定性，达到良好轮廓成形。

爆破中选用导爆管非电起爆系统，该系统能根据需要选择分段起爆数和微差间隔时间，使爆破振动降低到最低限度。

采用微震爆破技术，多循环、短进尺、弱装药、分段微差延时起爆，减少最大分段药量。每段最大爆破药量以周围结构安全允许震动速度指标控制(≦2cm/s)。

加强爆破振动监测，根据监测信息及时反馈，调整钻爆参数，提高爆破效率。

爆破施工的三大点：

1、隧道的主要掏槽爆破

掏槽爆破是隧道爆破掘进施工关键，决定整体爆破效果，如爆破进尺、爆破振速和光爆效果等。实践证明，城市地铁隧道爆破施工过程中，由于临空面小，围岩夹制作用显著，通常掏槽孔爆破振速最大，对地表建(构)筑物、居民生活产生影响最大。因此，对于地铁隧道爆破施工，必须选择合理的掏槽方式，才能在满足振动速度的前提下加快循环进尺，提高掘进效率。掏槽孔布置在掌子面中央偏下的位置，常见的掏槽方式分为直孔掏槽，斜孔掏槽和混合掏槽。

(1)直孔掏槽

直孔掏槽是指掏槽孔全部垂直于掌子面，可分为龟裂掏槽，筒形掏槽和螺旋掏槽。龟裂掏槽是指掏槽孔布置在一条直线上，隔眼装药，利用空孔作为两相邻装药的自由面和破碎岩石的膨胀空间，如图1(a)。筒形掏槽是指掏槽孔按照各种几何形状布置，使形成的槽腔为角柱体或圆柱体，中间至少应有一个空孔作为自由面，如图1(b)。螺旋掏槽是指装药眼围绕中心空孔布置在一条螺旋线上，并从距空孔最近的装药眼开始按顺序起爆，逐步扩大槽腔，如图1(c)。

但是，在城市地铁隧道爆破施工中，龟裂掏槽和螺旋掏槽应用相对较少，在筒形掏槽基础上发展起来的大空孔直孔菱形掏槽技术应用较为广泛。对于城市地铁近距离下穿敏感区域时，常采用双层大空孔直孔菱形掏槽，它充分利用了大空孔作为自由面和补偿空间的作用，减小了岩石的夹制作用，以中空孔为中心，以菱形分布的层次逐渐起爆，形成较大的槽腔，较明显地降低爆破振动速度，增强了掏槽孔爆破的效果。采用的空孔直径有90mm、150mm以及180mm等。图2为单、双层大空孔直孔菱形掏槽布置形式。

(2)斜孔掏槽

斜孔掏槽是指掏槽孔与掌子面斜交成一定角度，常用的斜孔掏槽方式主要有锥形掏槽、楔形掏槽。锥形掏槽指所有掏槽孔均以相等或近似相等角度向工作面中心轴线倾斜，眼底虽集中但相互并不贯通，如图3(a)。楔形掏槽是指在工作面上由两排对称的倾斜炮孔组成，爆破后形成如楔状的掏槽，如图3(b)。

但是，在城市地铁隧道爆破施工中，锥形掏槽应用相对较少，在楔形掏槽基础上发展起来的复式楔形掏槽应用较为广泛，例如传统双楔形掏槽图4(a)，分级复式楔形掏槽(二级复式楔形掏槽(图4(b))、三级复式楔形掏槽(图4(c)))等。与传统双楔形掏槽相比，分级复式楔形掏槽是以减少岩石夹制作用为出发点，通过逐级爆破掏槽，不断增加自由面，在保证掏槽效果的同时，降低掏槽孔引起的爆破振速，但是施工中对技术人员的要求较高。

(3)混合掏槽

混合掏槽是指两种以上掏槽形式联合使用。城市地铁隧道爆破施工中，区间隧道下穿坚硬岩石且断面较大时，为增大掏槽体积，提高炮孔爆破效果而被广泛使用。如直线与双楔形混合掏槽(图5(a))、菱形与楔形混合掏槽(图5(b))。

因此，最终确定拱部采用光面爆破，墙部采用预裂爆破，核心采用控制爆破，掏槽采用抛掷爆破的综合控制爆破技术。

2、周边光面爆破技术

光面爆破是控制爆破中的一种典型方法。其目的在于控制被开挖的岩石轮廓光滑平整，而使不应开挖的岩体部分不受到明显的破坏。在隧道掘进开挖爆破工程中，常常要采用光面爆破技术以达到目的。影响光面爆破参数变化的因素很多，主要有岩石的爆破性能、炸药品种、一次爆破的断面大小、断面形状、凿岩设备性能、地质条件等。其中最主要的，影响最大的，应该说是地质条件的变化。影响光面爆破效果的主要参数有炮孔间距(E)、周边孔密集系数(m)、最小抵抗线(W)、不耦合系数(D)和装药集中度(q)。现场施工对光面爆破有如下技术要求：

(1)合理布置周边孔。周边孔孔距常取a＝300mm-500mm，即采用周边密孔法；周边孔位要精确，外倾角应小于5度。炮孔相互平行，眼底落在同一平面上。经过沿线施工总结得出，周边孔间距采用300mm-400mm是合适的。

(2)合理选用炸药和装药结构。可采用间隔不耦合装药或径向不耦合装药结构，不耦合装药(又叫间隔装药)也是光面爆破装药的结构特点。

图6(a)，孔底集中装药，这种装药结构在进尺大于1m时，爆破效果不够理想，分析原因是由于孔底集中装药，炸药能量较集中，炮孔利用率较低，此时进尺较大时，会出现孔底超挖，孔口欠挖的现象，尤其当岩石较破碎时，超欠挖现象十分明显。但是当进尺为1m时，且岩性较好时，可以采用此装药结构。图6(b)，采用导爆索分段间隔不耦合装药结构，这种装药结构爆破效果较集中装药效果要好，分析原因是由于采用此种装药结构，炸药利用率和炮孔利用率较高，能量分布比较平均，有利于周边成型。进尺较大时，采用此种装药结构，可以很好控制超欠挖现象。

当开挖掌子面围岩裂隙较发育，岩石较破碎时，周边孔光爆效果很难控制，此时采用定向断裂控制爆破技术控制周边成型，效果良好，当进尺1m-1.5m时，如图6(c)(采用定向断裂控制爆破技术的孔底集中装药结构)装药结构能有效地控制周边成型，减少周边超欠挖。但是当进尺为1.5m以上时，采用图6(d)(采用定向断裂控制爆破技术的导爆索分段间隔不耦合装药结构)中所示装药结构才能满足要求，这种装药结构充分利用了炸药的能量，使得炸药能量均匀的沿切缝方向，即周边轮廓方向释放，施工证明采用此装药结构，即使围岩较差时，周边成型也较规整。

3、地铁区间隧道微震爆破方案

地下横通道及隧道开挖爆破工程设计均采用分段微差起爆技术。

(1)爆破方案

适用于岩石通道二部开挖及全断面工法。

(2)爆破方法

根据工程地质条件，通道石方开挖时采用拱部光面爆破，墙部预裂爆破。

(3)最大段允许装药量

最大段允许用药量以允许爆破振动速度控制，由萨道夫斯基公式进行计算：

式中：Q——最大一段允许用药量，kg；

V——振带安全控制标准，cm/s；

R——爆源中心到振速控制点距离，m；

K——与爆破技术、地震波传播途径介质的性质有关的系数；

α——爆破振动衰减指数。

(4)掏槽形式的选定

由于一般情况下，掏槽爆破的地震动强度比其它部位炮孔爆破时的地震动强度都大，因此从减震出发，选用适于减震的楔形掏槽形式，如图7所示。

(5)爆破器材

钻爆法施工，炸药是决定爆破效果的重要因素，包括炸药类型、装药直径。由于深圳市地下水丰富，根据现场实际情况，炸药采用乳化炸药雷管采用非电毫秒雷管。常用规格的2号岩石乳化炸药，每卷重200g。雷管采用1-15段毫秒导爆管雷管。基坑深孔爆破时炸药可适当调整。

(6)合理的段间隔时差

有关实测资料表明：在软弱围岩中爆破振动频率比较低，一般在100HZ以下；振动持续时间纵向、横向振动持续时间大时，可达到200ms左右，垂直向可达100ms左右。为避免振动强度叠加作用，雷管采取跳段使用，为尽量避免振动波形叠加，段间隔时差控制为100ms。

(7)循环进尺的选定

循环进尺根据地质条件及进度安排确定。结合本工程地质条件、工期要求及施工方法确定循环进尺为0.5～1m，采用浅眼爆破，不仅控制一次爆破总用药量，也控制了每段用药量，可以达到减震动对围岩扰动的控制。

(8)底板孔的爆破与起爆顺序

底板孔的爆破，传统的习惯作法是加大装药量。并且最后同时起爆，以达到翻碴的目的，便于出碴。而爆破振动观测说明，隧道爆破产生的地震动强度除掏槽孔最大外，其次是底板孔爆破。有时底板孔爆破产生的地震动强度最大，从保护围岩稳定的角度来看是不合理的。为此，将底板孔分成几个段分开起爆。这样可以减少底板孔同段起爆，共同作用的装药量。改变底板孔抵抗线方向，从而减小底板孔爆破产生的地震动强度。

起爆顺序：预裂爆破时先预裂后掏槽，然后扩槽、掘进孔、二台孔、内圈孔。光面爆破，从掏槽孔开始，一层一层地往外进行，最后周边光面爆破。具体落实到段号时，遵循以下三点考虑：首先应有合理段间隔时间；其次同一段炮孔装药量应小于最大单段允许装药量；第三，前一段爆破要尽量为后段爆破创造良好的临空面。

(9)爆破参数的选定

爆破参数的选取方法主要工程类比法、计算法及现场试验法，本工程在参数选取过程中综合运用前两种方法，并在以后施工中根据现场试验调整。

炮孔深度：本工程根据工程特点，岩层条件，工期要求确定循环进尺0.5～1.0米，考虑炮孔利用率，拟炮孔深度0.7～1.3m，掏槽孔另加20％，为0.8～1.5m。

炮孔数目：在小直径(35-42mm)炮孔，开挖断面在5～50m²的条件下，单位面积钻眼数为1.5-4.5个/m²，本设计根据工程实际情况选取。

孔网参数：先布置掏槽孔、周边孔，然后是底孔、内圈孔、二台孔，最后布置掘进孔，掘进孔均匀布置。内圈孔比掘进孔密些，比周边孔稀些，间距为周边孔1.5倍左右，抵抗线为间距0.7倍左右。因此二台孔、底板孔应比掘进孔适当加密。

周边孔参数确定：间距E＝(8～12)d，其中d＝35mm。对于预裂爆破E＝400mm，抵抗线W＝(1.0～1.5)E；预裂爆破W＝500mm，光面爆破W＝600mm，装药集度q＝0.04～0.19Kg/m，根据经验取q＝100g/m。视围岩状况不同适当调整。

一次爆破总装药量：

Q＝k·s·L(kg)

式中，Q—循环爆破的总装药量kg；

K—隧道爆破炸药单耗，根据工程特点及经验取，kg/m³；

s—开挖断面积，m²；

L—炮孔深度，m；。

单孔装药量计算：隧道爆破，炮孔所在部位不同，所起的作用是不同的，所以各部位炮孔的装药量是不同的。周边孔参照光面爆破及施工经验确定。其他各部位炮孔的装药量按下式计算：

q＝k·a·w·L·λ

式中，q—其他各部位炮孔的装药量，kg；

k—隧道爆破炸药单耗，根据工程特点及经验取，kg/m³；

a—炮眼间距，m；

w—炮眼爆破方向的抵抗线，m；

L—炮孔深度，m；

λ—炮眼部位系数

装药结构与炮泥堵塞：可采用间隔不耦合装药或径向不耦合装药结构，不耦合装药(又叫间隔装药)也是光面爆破装药的结构特点。

其他炮孔均采用连续装药结构，要求将炮泥堵在与装药相接的部位堵塞。

4、爆破安全控制措施

(1)爆破作业遵循浅孔密布的原则，少装药、短进尺、多循环、分台阶开挖。

(2)左右线隧道同时施工时，严格控制光爆层的厚度，炮孔间距和装药量，尽可能减少对地面建筑物和周边地层的扰动，后行隧道爆破开挖时，尽可能减少对先行隧道已成结构的扰动。

(3)爆破设计：爆破时应采用浅孔爆破技术，即炮孔直径不超过50mm，炮孔深度不超过5m的爆破方式，爆破施工应由专业施工队伍施工，爆破施工必须遵守《爆破安全规程》(GB 6722-2003)并获得有关单位批准，爆破施工时应加强对基坑及周围建(构)物的监测，保证不损伤围护结构及周围建(构)筑物。

(4)采用可行的爆破技术措施，爆破振动强度主要与爆破器材、岩石波抗阻、地形地貌条件、爆破方式及爆心与震动测点的间距等因素有关，因此，降低爆破振动可以采取以下措施：选择合理的炸药品种、选择合理的雷管起爆时差、选择合理的掏槽形式、选择合理的钻爆参数、确定单段最大装药量、确定最小爆距、确定各种断面炮孔布置及钻爆设计参数和确定起爆顺序。

(5)爆破施工时应对周围建(构)筑物、管线等进行监测，对砖混结构的安全震动速度为2cm/s，对框架结构的安全震动速度为3cm/s，管线震动速度应满足管线权属单位规定安全值，且不得大于5cm/s。

(6)爆破安全警戒：在爆破前，在距爆破点安全范围设置警戒线。起爆后经现场安全负责人及爆破负责人进入爆区进行爆破后安全检查，确认无盲炮后向爆破中心发出解除警报要求，车辆予以通行。

(7)爆破应尽可能安排在对周边环境影响小的时间段(居民区在白天，办公商业区在夜间)进行。

(8)做好超前地质预报工作，采用信息化施工，重视和加强监控量测工作，把监控量测工作贯穿于施工过程的始终，并应及时反馈信息指导施工。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。