地鐵隧道下臺階爆破參數的優化

何 闖，　王海亮

(山東科技大學礦山災害預防控制省部共建教育部重點實驗室，山東 青島 266590)

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地鐵隧道下臺階爆破參數的優化

何 闖，王海亮

(山東科技大學礦山災害預防控制省部共建教育部重點實驗室，山東 青島 266590)

摘要：以青島地鐵2號線延安路站車站主體Ⅰ部下臺階爆破施工為背景，分析了下臺階前期爆破中存在的問題，對下臺階的爆破循環進尺、炮孔間排距、單孔裝藥量、單段最大起爆藥量、周邊眼雷管段別、爆破網絡等爆破參數進行了優化。結果表明：優化后的爆破方案，比鉆眼個數下降了15.62%，雷管單耗下降了30.5%，單位巖石爆破耗時下降了18.18%，盲炮概率下降了83.33%；使下臺階施工在滿足爆破振速的同時，縮短了爆破用時、減少了炸藥及雷管單耗，提高了爆破效果。

關鍵詞：下臺階；爆破網絡；爆破參數；地鐵；盲炮

臺階法具有適用性廣、造價低等優點，故被廣泛地應用在城市淺埋隧道爆破施工中[1]。由于上臺階距離地表建筑物較近且僅存在掌子面一個自由面，爆破振動較難控制，因此，上臺階的爆破參數被國內外學者廣泛研究，并獲得了大量規律性結論[2-4]。而下臺階爆破振速較易控制，故對下臺階的爆破參數研究較少[5-7]，造成下臺階爆破施工可借鑒的經驗較少。但下臺階的爆破開挖將影響隧道整體爆破開挖用時、炸藥雷管單耗等工程施工效率與成本問題，因此，有必要對下臺階爆破參數進行研究，使下臺階爆破施工在滿足爆破振速的同時，盡可能縮短爆破用時，減少炸藥及雷管單耗。本文以青島地鐵2號線延安路站車站主體Ⅰ部下臺階爆破施工為背景，分析了下臺階前期爆破中存在的問題，進而優化了爆破參數并取得了顯著成果。

1 爆破施工狀況

1.1 工程概況

青島地鐵2號線延安路站總體為暗挖單拱雙層結構，車站中心里程處拱頂覆土約17 m，全長160 m。車站主體開挖斷面寬23.44 m，高18.37 m，采用雙側壁導坑法施工。車站西側15.1 m處為冠業大廈，項目部要求控制振速1.0 cm/s。采用兩臺TC-4850測振儀測振，測點靠近貴和福利廠布置。其中車站Ⅰ部圍巖等級Ⅳ級～Ⅴ級，高9.96 m，寬8.05 m，采用上下臺階法施工，上臺階開挖進度超前于下臺階開挖進度約10 m。車站Ⅰ部下臺階圍巖等級Ⅳ級，距冠業大廈的水平距離為15.1 m，垂直距離為20.85 m，直線距離為25.5 m。如圖1所示。

1.2 前期爆破施工參數

圖1 下臺階與冠業大廈的位置關系(單位：m)

車站主體Ⅰ部下臺階采用YT28型氣腿式鑿巖機鉆眼，炮孔直徑42 mm；雷管為第一系列毫秒延期塑料導爆管雷管，所用段別為1，3～20共19個段別；炸藥為2號巖石乳化炸藥，規格為?32 mm×300 mm，每卷0.3 kg。爆破斷面部分長8.05 m，高3.30 m，開挖面積24.5 m2。下臺階共計炮孔65個，一次起爆Ⅰ-1區域與Ⅰ-2區域，之間用第17段雷管進行孔外延期，導爆管網路傳爆聯接方式為簇聯；爆破循環進尺1.5 m，比鉆眼個數2.56個/m2；炸藥量21.45 kg，炸藥單耗0.584 kg/m3；共用雷管70發，雷管單耗1.9發/m3；爆破循環耗時4 h(其中出渣1.5 h)，單位巖石爆破耗時為0.11 h/m3?，F場炮眼布置圖見圖2，爆破網絡連接圖見圖3(圖中阿拉伯數字代表雷管段別)。爆破參數見表1。

在以上爆破方案實施工程中，爆破狀況為：①下臺階的爆破循環耗時較多，尤其打眼和爆破耗時較多，共計耗時2.5 h，占爆破循環總用時的62.5%，單位巖石爆破耗時為0.11 h/m3。②爆破振速集中在0.3～0.5 cm/s，振速符合要求，振速最大值易出現在周邊眼及底板眼。③斷面成型效果差，周邊眼部分欠挖。④平均每5個爆破循環中，Ⅰ-2區域即第2組部分雷管出現盲炮現象。

圖2 原爆破方案炮眼布置圖(單位：mm)

圖3 原爆破方案爆破網絡連接圖

炮孔名稱段別眼數與掌子面夾角/°炮孔長度/mm單孔裝藥量/kg單段最大起爆藥量/kg輔助眼1,3～15449016000.30.6周邊眼4～5、7～8、10、12、13、1589316050.30.6底板眼14～19139516050.450.9

2 優化爆破設計

2.1 原爆破狀況分析

2.1.1 爆破循環耗時較多

由原爆破方案可知，最上排的炮孔距離上部的自由面距離為800 mm，即最小抵抗線為800 mm。在自由面充分的情況下，最小抵抗線為800 mm明顯過小。其他炮孔間排距為570～600 mm，在實際爆破振速遠小于要求爆破振速的情況下，炮孔間排距顯然過小。下臺階的比鉆眼個數達2.56個/m2，根據前期施工經驗可知，比鉆眼個數偏大，鉆孔及裝藥耗時較多。同時，爆破循環進尺僅1.5 m，造成每爆破循環爆破的總巖石量較少。因此，下臺階爆破循環耗時和單位巖石爆破耗時較多。

2.1.2 爆破振速

下臺階爆破時存在多個自由面及上臺階爆破形成的空腔，故爆破振速較易控制。根據薩道夫斯基公式：

(1)

式中：R為爆源與需要保護的建筑物之間的距離，本工程R=25.5 m；Qmax為最大單段起爆藥量(kg)；v為保護對象所在地質點振動安全允許速度，本工程為1 cm/s；K、α分別為與爆破點至計算保護對象間的地形、地質條件有關的系數和衰減指數，根據工程前期數據，采用最小二乘法計算的K=58，α=1.31。

計算得Qmax=1.5 kg，而實際施工中，單段最大起爆藥量只有0.9 kg，故最大爆破振速遠小于控制要求的1.0 cm/s。

由炮眼布置圖可知，周邊眼在同排的輔助眼爆破后即起爆自由面不充分，巖石夾制作用大，故造成的振動較輔助眼大；底板眼單段起爆藥量相對較大，且炮孔有一個向下的外插角，需要爆破的巖石量大，故造成的振動較輔助眼大。

2.1.3 隧道斷面成型差

周邊眼的爆破效果直接決定了隧道斷面成型質量。由上述2.1.2分析可知，周邊眼爆破時自由面不充分，爆破效果較差，故隧道斷面成型差。

2.1.4 盲炮現象

Ⅰ-2區域即第2組的孔外延期采用第17段大段別雷管延期，當Ⅰ-1區域即第1組開始爆破時，爆破飛石有足夠時間飛向Ⅰ-2區域，將Ⅰ-2區域內的雷管尾部的塑料導爆管切斷，造成盲炮現象。

2.2 爆破參數優化

2.2.1 爆破循環進尺

在考慮施工機械與滿足爆破振速的同時，應盡可能增大爆破循環進尺，以減少循環次數、降低單位巖石爆破耗時?？紤]到本工程的鉆眼機械為YT-28型氣腿式鑿巖機及前期爆破振速較小，故將爆破循環進尺增加到1.8 m。

2.2.2 炮孔間排距

由2.1.1分析可知，需要增大炮孔間排距，以減少比鉆眼個數，進而減少爆破循環用時。下臺階的最小抵抗線按公式(2)計算：

(2)

式中：W為最小抵抗線(mm)；L為炮孔深度(mm)。

爆破循環進尺優化為1.8 m，根據前期炮孔利用率，炮孔深度L定為2.0 m，故W=800～2 000 mm。由于最上排的輔助眼自由面充分，結合公式(2)與實際施工狀況，最上排輔助眼的最小抵抗線定為1 200 mm?？紤]到其他炮孔爆破時需承受最上排炮孔爆破后的巖石重量，故其他輔助眼排炮孔間排距定為620～700 mm。前期底眼爆破效果較好，不存在欠挖，故底眼間距及傾角不變。

2.2.3 單段裝藥量優化

由2.1.2計算可知，原方案中單孔裝藥量較少，同時單段最大起爆藥量偏小，因此可以適當增大單段最大起爆藥量。輔助眼單孔裝藥量可按公式(3)計算：

(3)

式中：Qf為輔助眼的單孔裝藥量(kg)；τ為裝藥系數，與炮孔間排距及圍巖等級有關，根據工程前期經驗，取τ=0.2；γ為每米藥卷的炸藥質量(kg/m)，本工程γ=1.1 kg/m；L為炮眼深度(m)，取值2.0 m。

經計算Qf=0.44 kg，為方便現場裝藥，故取單孔裝藥量0.45 kg即1.5卷炸藥?？紤]到底眼存在向下的外插角，故底眼裝藥量增大到0.6 kg即2卷炸藥。采用兩孔一段即兩個炮孔使用同一個雷管段別，即最大單段起爆藥量1.2 kg

2.2.4 周邊眼雷管段別優化

由2.1.3分析可知，原方案中，周邊眼爆破時自由面不充分，巖石夾制作用較大，造成隧道斷面成型較差，故對周邊眼的雷管段別進行優化，使周邊眼滯后下一排的輔助眼爆破，即使周邊眼爆破時存在3個自由面。優化后的周邊眼雷管段別大于下一排輔助眼的雷管段別。

2.2.5 爆破網絡優化

為防止2.1.4中所述的盲炮現象出現，最好的方法是孔外延期雷管只使用第1段。但是由于雷管段別有限，炮孔數目較多，不可能實現孔外延期雷管只使用第1段。若采用分次爆破，必然增加裝藥起爆耗時。為克服以上問題，本設計的優化方法采用縱向錯開一次起爆。即下臺階斷面的右側部分超前于左側部分兩個爆破循環，超前的右側部分作為Ⅰ-1區域一次起爆，滯后的左側部分作為Ⅱ-2區域，采用孔外大段別雷管延期。Ⅰ-1區域的爆破飛石對Ⅱ-2區域的影響大大降低；同時，下臺階縱向錯開，避免了下臺階爆破后上臺階的初期支護同時懸空。

根據上述的優化方案，得到優化后的炮眼布置如圖4所示；爆破網絡連接圖如圖5所示，圖中阿拉伯數字代表雷管段別；爆破現場雷管布置如圖6所示；爆破參數如表2所示。

圖4 優化后的炮眼布置圖(單位：mm)

圖5 優化后的爆破網絡連接圖

圖6 爆破現場炮眼布置圖

炮孔名稱段別眼數與掌子面夾角/°炮孔長度/mm單孔裝藥量/kg單段最大起爆藥量/kg輔助眼1,3～15329020000.450.9周邊眼5、9、12～15、1889320050.450.9底板眼10～11、15～20139520050.601.2

優化后的下臺階一次起爆Ⅰ-1區域與Ⅰ-2區域之間用第20段雷管進行孔外延期，導爆管網路傳爆聯接方式為簇聯；爆破循環進尺1.8 m；共計炮孔53個，比鉆眼個數2.16個/m2；炸藥量25.8 kg，炸藥單耗0.585 kg/m3；共用雷管58發，雷管單耗1.32發/m3。

2.3 優化后的爆破狀況

(1)優化后的下臺階的爆破循環耗時4 h(其中出渣2 h)，打眼和爆破耗時占爆破循環總用時的50%，單位巖石爆破耗時為0.09 h/m3。

(2)爆破振速集中在0.5～0.7 cm/s，振速符合要求，振速最大值易出現在底板眼。

(3)斷面成型效果良好，周邊眼基本無欠挖。

(4)平均每30個爆破循環中，Ⅰ-2區域即第2組部分雷管出現盲炮現象。

與原方案相比，優化后的爆破方案，除爆破振速和炸藥單耗略有上升之外，其他各項參數均下降：比鉆眼個數下降了15.62%，雷管單耗下降了30.5%，單位巖石爆破耗時下降了18.18%，盲炮概率下降了83.33%。

3 結束語

為在下臺階的爆破施工中更好地應用各項爆破參數，本文提出以下建議：

針對圍巖等級為Ⅳ級～Ⅴ級的下臺階而言，最上排輔助眼的自由面充分，其最小抵抗線即最上排輔助眼距離上部自由面的距離宜設置為1 000～1 500 mm，而其他各排輔助眼的間排距應小于1 000 mm，具體數值視實際圍巖情況而定。

下臺階爆破時存在上臺階爆破形成的空腔，故其單段最大起爆藥量應適當增大。具體數值應通過對空腔存在時的薩式公式重新回歸，計算下臺階理論允許的單段最大起爆藥量。

為使隧道斷面成型良好，周邊眼起爆時應保證充分的自由面，故周邊眼的雷管段別大于下一排輔助眼的雷管段別，即滯后于下一排輔助眼起爆。

采用縱向錯開一次起爆技術，可有效防止孔外大段別雷管延期存在的盲炮現象。

參考文獻

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[2]張祖遠,王海亮.大直徑中空孔直眼掏槽微振動爆破參數研究[J].隧道建設，2015，35(2)：174-179

[3]何 闖,王海亮,張 超，等.中深孔扇形掏槽減振技術在地鐵隧道的應用[J].國防交通工程與技術，2015(5)：52-55

[4]王軍濤,王海亮,楊 慶.城市硬巖隧道減振爆破直眼掏槽技術應用及實踐[J].隧道建設,2014,34(6)：564-568

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[7]王仁濤,王成虎,江英豪.等.青島地鐵太延區間爆破振動控制及影響評價[J].爆破,2015,32(3)：139-145

收稿日期：2015-11-11

作者簡介：何闖(1990—)，男，碩士研究生，研究方向為礦山安全評價理論與方法584650078@qq.com

DOI：10.13219/j.gjgyat.2016.04.018

中圖分類號：U455.41

文獻標識碼：B

文章編號：1672-3953(2016)04-0070-05

On the Optimization of the Blasting Parameters for the Lower Bench Blasting in a Subway Tunnel

He Chuang，Wang Hailiang

(Key Laboratory of Mine Disaster Prevention and Control，Shandong University of Science & Technology，Qingdao 266590，China)

Abstract:With the lower bench blasting construction of Section I of the main body of the Yan′an Road Station of Line 2 of Qingdao Metro as a practical example,problems occurring at the earlier stage of the blasting construction for the lower bench are analyzed in the paper,with all the parameters including the blasting-cycle footage,hole spacing and row,charge for a single hole,the maximum explosive charge for a single section,detonators′ segments of the contour hole,the blasting network,etc.,optimized.The results show that the optimized blasting scheme makes the number of drilling holes decrease by 15.62%,theconsumptionofdetonatorsreduceby30.5%,theblasting-takingtimeforaunitrockdecreaseby18.18%,andtheprobabilityofblindshotsdropby83.33%，asaresultofallofwhichthelowerbenchconstructionnotonlymeetstherequirementfortheblastingvibrationvelocity，butalso,inthemeantime,helpscutdowntheblasting-takingtime,reducetheconsumptionofexplosiveanddetonatorsandimprovestheblastingefficiency.

Key words:lower bench;blasting network;blasting parameters;subway;blind shot