双层预裂爆破技术在地铁隧道施工中的应用及减震效果分析_孙登林.pdf

第 14 卷 第 4 期2023 年 2 月黑龙江科学HEILONGJIANG SCIENCEVol.14Feb.2023双层预裂爆破技术在地铁隧道施工中的应用及减震效果分析孙登林(青岛东捷建设集团有限公司，山东 青岛 266000)摘要:为保护地铁隧道工程周边的建(构)筑物和非开挖区域的岩层，以某地铁隧道工程为例，介绍了双层预裂爆破技术的减震机理，分析了炮孔间距、线装药密度、装药结构、起爆网络设计，在地铁紧邻建筑物和被保护结构处设置了震动监测点，使用 3 向速度传感器和爆破测震仪监测震动数据。结果表明，建筑物处震动速度为 3.0 4.0 cm/s，被保护区域震动速度为 14.55 23.14 cm/s，均符合 爆破安全规程 的规定，减震效果良好。关键词:双层预裂爆破;地铁隧道;线装药密度;震动监测中图分类号:U231.3;U455.6文献标志码:A文章编号:1674 8646(2023)04 0141 03Application of Double-layer Pre-split Blasting Technology in SubwayTunnel Construction and Analysis of Damping EffectSun Denglin(Qingdao Dongjie Construction Group Co.LTD，Qingdao 266000，China)Abstract:In order to protect structures around the subway tunnel project and the rock strata in the trenchless area，through taking subway tunnel project as an example，the study introduces the damping mechanism of double-deckpresplitting blasting technology;analyzes the design of hole spacing，linear charge density，charge structure anddetonating network design;sets vibration monitoring point in the subway adjacent to buildings and protected structures;and monitors vibration data with 3-way speed sensor and blast seismograph.The results show that speed of vibration atthe building is 3.0 4.0 cm/s，and that in protected area is 14.55 23.14 cm/s，which accords with“Blasting SafetyRegulation”and has good damping effect.Key words:Double-deck presplitting blasting;Subway tunnel;Linear charge density;Vibration monitoring收稿日期:2022 12 23作者简介:孙登林(1988 )，男，本科，工程师。地铁隧道大多修建于人流量较多的城区，因此隧道爆破作业必须要考虑爆破震动对地面建(构)筑物的影响，避免爆破产生的冲击波破坏建筑物地基。预裂爆破是一种炸药量较少、破坏力较小的爆破方式，通过密集布置炮孔，在起爆后形成一道裂隙，发挥阻断冲击波、保护建筑物的效果，在地铁隧道的开挖作业中得到了广泛运用。1工程概况某地铁隧道区间段长度 605.5 m，为单线单洞结构，马蹄形断面，宽度7.0 m，高度 7.5 m。经地质勘察，该区段自上而下依次为素填土(层厚 0.61 15.1 m)、粉质黏土(层厚1.1 6.8 m)、卵石(层厚1.3 12.8 m)、强风化板岩(层厚 0.7 12.9 m)、中风化板岩(层厚5.5 34.5 m)。地下水位埋深 11.6 17.5 m，水量一般，但是考虑到岩石裂隙发育，透水性较强，在隧道开挖作业中，素填土、粉质黏土与卵石部分都采用人工开挖与机械铲挖相结合的方式;强风化板岩部分采用十字镐开挖与爆破开挖相结合的方式;中风化板岩部分采用爆破开挖。2双层预裂爆破技术的应用2.1双层预裂爆破技术相比于常规爆破技术，预裂爆破通过降低药量、均布药卷的方式在达到预期爆破效果的同时，将开挖边线以外的岩石破坏降至最低，有效解决了超挖、欠挖的问题1。双层预裂爆破是在原来单排炮孔的基础上，外侧按照设计好的开挖轮廓线和爆破参数，钻出布置一排间距更小的炮孔，形成双排炮孔。预裂炮孔布置在爆破开挖和需要保留的岩体分界线上，保证爆破结束后能够沿着炮孔连线形成一条贯通裂隙，预裂爆破141结束后再进行主要区域的爆破。2.2减震机理设置预裂爆破的主要目的是形成缝隙、减轻震动。在主要区域实施爆破后，产生的冲击波自爆炸点向外扩散，如果没有外部阻挡，冲击波会对较大范围内的岩石结构造成破坏，但是由于不同区域的岩石特性(如强度、完整度等)存在差异，因此爆破区域的形状不规则，容易出现过爆或欠爆的现象，不利于隧道断面开挖。为了解决这一问题，需使用双层预裂爆破技术，实施预裂爆破，在爆破区域和保护区域之间形成一条裂缝，再进行主要区域的正常爆破，当冲击波达到开挖轮廓线时，由于预裂爆破产生了一条具有一定宽度的裂隙，可阻断冲击波，这样就大幅度削弱了主要区域爆破作业对外侧保留岩体的破坏作用，有利于形成相对平整的隧道断面，还能避免外侧岩体破裂引起崩塌事故，对保障隧道内的作业安全有积极帮助。2.3双层预裂爆破参数设计2.3.1炮孔间距岩石抗压强度(Ps)是设计炮孔间距时需要考虑的一个关键指标，根据 Ps的不同，选取的炮孔间距(L)也有差异:L=35+d2(Ps=100 kg/cm2)L=25+d2(300 kg/cm2Ps800 kg/cm2)L=20+d2(Ps800 kg/cm2)式中，d 表示炮孔直径，单位为 mm。隧道工程中，实行预裂爆破的区域为中风化板岩，抗压强度为 60 200 MPa，参考公式:L=20+d2(Ps800 kg/cm2)炮孔直径取 42 mm，则炮孔间距为 41 cm，取整后以 40 cm 计。2.3.2线装药密度根据预裂爆破装药量计算公式:S=0.83R0.50.6式中，R 表示岩石抗压强度，取200 MPa;表示钻孔间距，取 40 cm。预裂爆破装药量 S 为 107.3 g/m，取整后以 110 g/m 计。2.3.3装药结构从装药结构上来看，预裂孔与光爆孔有一定的相似性。为了优化爆破效果，确保预裂缝的形成，采用隔孔装药的方式，相邻两个预裂孔之间的间隔距离为40 cm，中间再打一个与预裂孔相同直径、相同深度的孔，但是不装药。设置空孔的目的是为两侧装药孔的起爆提供足够的自由面，缩短抵抗线的长度，从而获得更佳的爆破效果。此外，由于预裂爆破区域的板岩强度较高，在相邻两个预裂孔之间增加一个空孔，还能起到导向作用，有利于在两个预裂孔之间形成贯通的缝隙。预裂爆破作业选用直径为 36 mm、长度为 20 cm的乳化炸药，将药卷分割成 3 段，长度分别为 6 cm、4 cm、10 cm，间隔距离 20 cm，布置方式如图 1 所示。其中，10 cm 药卷位于炮孔的中间部位，与导爆管连接。为降低药卷的装填难度，提高现场作业效率，可提前选择一根薄竹片，将 3 端药卷固定在竹片上，再深入炮孔内，注意预裂孔的顶部不填塞。图 1预裂孔装药结构图Fig.1Drawing of pre crack charge structure2.3.4起爆网络科学设计起爆网络是提高预裂爆破效果的关键因素之一。设计爆破网络时应做好以下几方面:优先使用多段位雷管，根据岩石特性、炮孔间距、起爆网络的总体长度等情况，设计好起爆时间间隔。选用毫秒延期雷管，在减少炸药用量、降低爆破成本的同时，通过精确的连续爆破取得最佳的爆破效果2。现场作业按照设计参数和作业要求，在隧道断面上的各个炮孔内装入炸药，将毫秒微差导爆雷管的脚线集束于工作面中央悬挂。由于预裂爆破孔是沿着爆破区域与保留区域的边界线布置，为了对保留区域岩体产生破坏，必须精准计算和严格控制最大单段的炸药量。隧道断面预裂爆破施工中各项参数设计如表 1所示。表 1双层预裂爆破参数表Tab.1Parameter of double layer presplit blasting项目参数项目参数开挖断面面积(m2)40孔距(mm)410炮孔直径(mm)42排距(mm)350药卷直径(mm)36单孔药量(kg)0.11炮孔深度(mm)1 000线装药密度(kg/m)0.113双层预裂爆破的减震效果3.1震动监测系统与监测点布置在地铁隧道爆破作业中，爆破产生的冲击波会对周边的岩层产生破坏，还会对隧道工程周边建(构)筑物的地基产生扰动，如果情况较为严重会导致地基沉降、歪斜，影响建(构)筑物的安全。本地铁隧道工程位于市区，地上为商业街，水平距离最近的建筑物是一241座商住两用楼，距离为 18.7 m。为保证预裂爆破施工不对周边建筑产生破坏，在靠近地铁隧道的一侧布置了震动监测点。除了考虑预裂爆破对地面建(构)筑物的影响外，还要避免对边界线外侧保留区域岩石的破坏，布置震动监测点时，要将监测仪器放置于边界线处被保护结构的表面，用于监测预裂爆破冲击波对被保护区域岩石产生的冲击影响3。爆破震动监测使用 TC 500 型爆破测震仪，采样频率为 0.5 50 KHz，可灵活调节，测量结果精度为1%。与该仪器配套使用的是 TD 5 型 3 向震动速度传感器，在 X 和 Y 方向上的频率范围为 10 300 Hz，在 Z 方向上的频率范围为 5 500 Hz，测量灵敏度30 V/m/s，温度范围是 30 60。预裂爆破震动监测系统的结构组成如图 2 所示。前端布置的 3 向震动速度传感器可实时采集被监测点的震动信号。为了提高监测结果的精度，需要使用信号调制放大器将传感器采集到的震动信号进行放大，经过示波器降噪和数据采集仪存储后，将数据上传至计算机，使用相应的软件进行信号分析，以直观的方式呈现出震动结果4。图 2爆破振动监测系统Fig.2Blasting vibration monitoring system3.2减震效果分析根据震动监测数据，位于被保护区域的监测点爆破震动速度较明显，为 14.55 23.14 cm/s，符合最新版 爆破安全规程(GB6722 2021)的相关规定(交通隧道的震动安全允许震速为 15 30 cm/s)，不会对边界线外侧被保护区域的岩层产生明显的破坏5。位于建筑物的监测点爆破震动速度相对较低，为 0.831.55 cm/s，符合 规程 的相关规定(砼结构房屋的震动安全允许震速为 3.0 4.0 cm/s)，不会对附近建(构)筑物的地基产生明显的扰动。综合震动监测结果，地铁隧道开挖中使用预裂爆破技术能够起到很好的减震效果。4结束语地铁隧道开挖作业中经常会使用爆破技术，但是爆破产生的冲击波可能会对周边建筑物产生危害，且爆破范围难以控制，这给隧道断面开挖增加了难度，因此实际作业中需引入预裂爆破技术，形成缝隙，将爆破区域与保护区域分隔，阻断爆破区域的冲击波，从而避免对保护区域的岩石及周边建筑物地基产生破坏。运用预裂爆破技术时，需掌握炮孔布置方式、炮孔深度、直径和装药量等技术要点。从监测结果来看，使用预裂爆破达到了很好的减震效果。参考文献:1 黄朱盛，刘继岩，龙一平.深孔台阶预裂爆破技术在公路复杂环境的运用 J 山西建筑，2022，(11):97 100.2 吴建刚.研究深部开采中沿空留巷坚硬顶板预裂爆破技术J 当代化工研究，2020，(07):201 202.3 张旭.CO2预裂爆破技术在塔山煤矿8222 工作面实践应用J 煤矿现代化，2021，(14):87 88.4 姬健帅，李志华，葛胜文，等.坚硬顶板深孔预裂爆破强制初放技术研究 J 矿业安全与环保，2021，48(06):6.5 白二涛，邹虎诚.预裂爆破在牛苦头露天采场终了边坡中的应用 J 云南冶金，2021，50(05):11 14.(上接第 140 页)参考文献:1 周友良.工业机器人产业的发展现状分析及产业对策研究J 中小企业管理与科技(下旬刊)，2021，(09):38 40.2 董德.工业机器人视觉关键技术的研发及应用P 宁夏巨能机器人股份有限公司，2021.3 叶光显.工业机器人智能实训设备研发与应用P 广东三向智能科技股份有限公司，2020.4 冯可铮.工业机器人技术在智能制造领域中的应用 J 数字技术与应用，2022，40(02):45 47.5 于淼.机器人产业发展政策存在问题及对策研究D 上海:上海财经大学，2020.6 王厚民.简析工业机器人技术在智能制造领域中的应用J 石河子科技，2021，(04):19 20.7 浅析工业机器人发展 多技术融合推动协作机器人成为重要发展方向 J 自动化博览，2021，(12):46 48.8 丁弋弋.差异化竞争优势凸显 国产工业机器人迎历史性发展机遇J 上海信息化，2022，(01):36 39.9 南博.论述机电一体化技术在工业机器人中的应用 J 中小企业管理与科技(中旬刊)，2020，(07):190 191.10 卞青澜.工业机器人在自动化控制中的应用研究J 中小企业管理与科技(上旬刊)，2018，(09):166 167.341