0 引言
目前，国内露天浅孔、中深孔爆破技术较成熟，主要用于矿山开采、野外爆破施工。工程建设者、学者们对野外露天爆破技术进行了许多卓有成效地研究及技术创新。文献［1］主要阐述深孔爆破飞石及振动控制措施; 文献［2］主要阐述边坡预裂爆破成型质量控制;文献［3］主要阐述通过挖沟槽降低爆破震动的研究。但在城市轨道交通建设中，特别是在周边环境复杂区域修建区间隧道时，一般采用矿山法或者盾构、TBM掘进，很少有整个区间采用明挖露天爆破施工的经验。徐州市城市轨道交通1 号线一期地下市政工程振兴路站－ 徐州东站站明挖区间，地处经济开发区，场区地表为灰岩，同期周边还有在建楼房，采用明挖爆破法开挖。本文通过结合减震措施、浅孔台阶爆破、预裂爆破和警戒防护等一系列综合技术措施，总结出了一种在城市区进行明挖爆破施工控制的有效方法。
1 工程概况
徐州市城市轨道交通1 号线一期地下市政工程振兴路站－ 徐州东站站明挖区间长874 m，放坡开挖深度12． 7 ～ 15 m，宽度22． 9 ～ 42． 4 m，场区地表为灰岩，开挖范围为中风化岩层，强度等级59 MPa，爆破量约25 万m3。区间线路穿越正在开发建设的房地产用地范围，线路右侧平行布满了13 栋正在建设的高层楼房，楼房为筏板基础，已建层数6 ～ 23 层不等，基础距离爆破区间15 m( 见图1) ，周边环境复杂，与房建交叉施工干扰极大( 见图2) 。
图1 区间明挖与建筑物关系平面图
图2 区间邻近在建楼房实景
区间开挖范围勘察施工的59 个钻孔中见溶洞31个，钻孔见洞率52． 54%，场区溶洞多以硬塑黏性土充填，结构致密性较差，透水性较强。地质坡面见图3。
2 施工方法及技术措施
本工程爆破作业为连续高强度生产，工期紧、安全问题突出、环境保护要求高。选定紧邻建筑物侧边坡部位2 m 范围先采用预裂爆破形成减震带( 爆破后岩体不清除) ，再采用浅孔台阶爆破开挖中间岩体，钻孔采用YT28 风钻配合90 mm 潜孔钻机钻眼，采取人工装药、联线起爆方式施工。
图3 区间地质纵断面图
爆破作业流程如下: 施爆区构建筑物调查－ 清除施爆区土层和强风化岩面－ 爆破设计审批－ 放样布孔－ 钻孔－ 炮孔检查－ 装药范围警戒－ 装药连线－ 预警( 人员清理疏散) － 起爆－ 清除瞎炮－ 解除警戒。
2． 1 爆破器材的选择
乳化炸药采用小药卷25 mm( 单节长20 cm，质量为150 g) 、70 mm 节装乳化炸药( 单节长35 cm，质量为1． 2 kg) 以及粉状炸药; 雷管采用3、9 段非电毫秒雷管; 其他还需导爆管、导爆索、起爆器和竹片等。
2． 2 同响最大装药量控制
根据萨氏公式
v = K( Qm /Ｒ) α。
式中: v 为振动速度，cm /s; K、α 为场地系数( 与地形、地质条件有关的系数和衰减指数) ; Q 为同段起爆药量，kg; Ｒ 为爆心距，m; m 为装药指数，取1 /3。
通过爆破前试爆确定场地系数按α = 1． 7、K = 230考虑; 允许振速v 按文献［4］爆破振动安全允许标准的新浇大体积混凝土初凝至3 d 允许振速上限2． 0cm /s 控制; 爆心距按距离房建基础15、20、25、30、35和40 m 计算; 允许同响最大装药量见表1。
表1 允许同响最大装药量
2． 3 爆破参数设计
根据作业特点按减震带预裂爆破、主爆区浅孔台阶爆破进行爆破参数设计，减震带与主爆区分区见图4。
2． 3． 1 预裂爆破参数
1) 炮孔间距根据经验公式a = ( 8 ～ 12) ，式中D 为钻孔直径，取40 mm; 则a = ( 8 ～12) ×40 =320 ～480 mm;硬岩取大值、软岩取小值，本设计选用400 mm。
2) 不耦合系数根据经验公式取D/d =40/25 =1． 6。
图4 减震带与主爆区分区示意图
3) 线装药密度按文献［5］长江科学院经验公式计算，q 线= 0． 034 ( σ压) 0． 63 × ( d) 0． 67 = 0． 348，式中: q线为一炮孔的线装药密度，kg /m; σ压为岩石极限抗压强度，MPa; d 为钻孔直径。
4) 孔底装药一般取线装药量的3 ～ 4 倍，装药长度1． 0 ～1． 5 m。因紧邻构建筑物需控制振速，孔底不多装药，采用等间距均匀装药，但孔底超深主爆区0． 5 m。
5) 一般在预裂孔与主爆孔之间布设缓冲孔。本工程采用紧邻绿地建筑物侧预裂孔先爆破( 超前主爆孔区50 m) ，再进行主爆区钻孔装药爆破，故不设缓冲孔。
经计算沿设计坡面角度采用YT28 风钻钻40 mm孔，钻孔间距40 cm /个，深度4． 0 m，排距60 cm，共装5 卷，每卷150 g，单孔总装药量0． 75 kg。孔内药卷采用导爆索串联，孔外延时逐孔起爆。
2． 3． 2 主爆区浅孔台阶爆破参数
爆破孔依据最大单响起爆药量的控制要求，主爆区浅孔台阶爆破的主要参数有孔径、抵抗线、孔深、间距、排距、堵塞长度、装药量。浅孔台阶爆破要素见图5［6］。
1) 孔径D。采用潜孔钻机钻孔，孔径D 为90 mm。
图5 浅孔台阶爆破要素示意图
2) 孔深L。L≤5． 0 m; 设计H 取3． 5 m; 钻孔超深h = ( 0． 15 ～ 0． 35) W0，取h = 0． 25 × 2 m = 0． 5 m; 则L = H + h = 3． 5 + 0． 5 = 4 m。炮孔利用率87． 5%。
3) 底盘抵抗线W0。W0 = ( 0． 4 ～ 1． 0) L，取W0 =0. 5 × 4． 0 m = 2． 0 m。
4) 间距a。a = ( 1． 0 ～ 2． 0) W0，设计a = 1． 0 W0 =2． 0 m。
5) 排距b。b = ( 0． 8 ～1． 0) a，取b =0． 8a =1． 6 m。
6) 堵塞长度L2。L2 = ( 1 /2 ～ 1 /3) L，取L2 = 1 /2L = 2． 0 m。
7) 单耗q。根据施工现场岩石的硬度情况，一般取q = 0． 25 ～ 0． 5 kg /m3，本工程取q = 0． 45 kg /m3。
2． 4 布孔
计算得出预裂爆破布孔参数见表2，浅孔台阶爆破布孔参数见表3。
表2 预裂爆破参数表
表3 浅孔台阶爆破参数表
2． 5 装药和堵塞
预裂爆破孔采用轴向不耦合间隔装药，药卷采用竹片固定，预留空气柱间隔，为了充分利用空气柱的缓冲、均压作用，采用正向起爆［7］，炮孔无需堵塞。轴向不耦合间隔装药见图6。
图6 轴向不耦合间隔装药示意图
主爆区浅孔台阶爆破孔均采用孔底向外连续装药。为了保证爆破效果，炮孔用钻孔返出石粉填塞并捣实，以确保堵塞质量。
2． 6 连线
爆破网络为非电毫秒雷管孔外延时逐孔起爆，延期毫秒雷管可跳段使用，段位间隔时间不小于100ms，能避免震速峰值地震波相叠加而加大爆破振动［8］。为了使爆破达到最佳效果，采用炮孔反向起爆，即将雷管置于炮眼最底层药卷上进行引爆。预裂爆破网络连接见图7，浅孔台阶爆破网络连接见图8。
2． 7 爆破减震技术
2． 7． 1 选择合适的爆破器材
通过优选炸药，使炸药与岩石的波阻抗尽可能匹配，以最大限度发挥炸药效率，达到减小装药量的目的。在国内不少工程项目施工中，通过与厂方合作，优选炸药，取得了良好的效果。
2． 7． 2 控制同段最大装药量的振动速度
爆破振动速度与同段起爆的装药量有关，也与装药结构和各炮眼起爆顺序和间隔有关，与总装药量无关，综合各种因素严格控制装药量，以达到控制震速的目的。
图7 预裂爆破孔外延时逐孔起爆网络图
图8 浅孔台阶爆破孔外延时逐孔起爆网络图
2． 7． 3 合理的起爆顺序和时间间隔
采用分段非电毫秒雷管通过孔外延时逐孔起爆，选择各段间隔时间不小于100 ms，以避免爆破震速重叠，控制爆破震速在允许值内。
2． 7． 4 采取减震带措施
能有效降低爆破震速，在减震带形成后进行多次爆破试验，单响最大装药量1． 8 kg，在采取了减震带侧距离20 m 和未采取任何措施的另一侧20 m 处，同时埋设振速监测仪，得出按以上减震带参数能衰减约35%的振速［9］。未采取减震带措施振速监测图见图9( 2014 年5 月12 日未采取任何措施段监测) ，采取了减震带措施振速监测图见图10( 2014 年5 月12 日减震带段监测) 。
图9 未采取减震带措施振速监测图( 1． 9 cm/s)
图10 采取减震带措施振速监测图( 1． 2 cm/s)
2． 8 边坡预裂爆破成型技术
为了保证边坡成型质量控制超欠挖，选定采用预裂爆破技术，竹片等间距固定装药，孔内药卷采用导爆索串联起爆，炮眼利用率90%，炮孔残眼率达到85%以上，超欠挖控制在15 cm 以内。边坡预裂爆破边坡效果见图11。
图11 预裂爆破边坡效果照片
3 安全技术措施
3． 1 溶洞风险及处理措施
开挖范围存在大量溶洞，若溶洞处理不当，爆破装药会出现串孔、药量不均等问题，从而造成局部爆破威力过大的危险。因此，需采取以下技术措施:
1) 开挖前分层采用地质雷达扫描开挖范围的地质情况，对异常区域进行标识，采取钻孔验证。若发现溶洞，应提前进行注浆处理。
2) 爆破钻孔过程中一孔一表，详细记录钻孔是否存在地下水、破碎夹泥和地下溶洞。存在地下水的区域采用防水药卷装药，破碎夹泥区域少装药加强堵塞和覆盖，地下溶洞根据区域大小选择不装药或者注浆处理。
3． 2 爆破飞石风险及控制措施
爆破易产生飞石，飞石易造成周边人员、构建筑物伤害。根据文献［10］可采取以下技术措施:
1) 采用钻孔产生的石屑、碎石封堵炮孔，炮孔封堵长度为孔深的1 /3，且不小于1 m，堵塞严密。
2) 炮孔口压制砂袋。
3) 在爆破范围覆盖一层炮被，炮被采用汽车轮胎橡胶皮编制。
4) 炮被上方采用钢丝绳整体连接，钢丝绳四角锚固牢固。
3． 3 爆破振动对构建筑物安全风险及控制措
施如果爆破振动过大，会对周边在建楼房结构造成破坏，需采取以下技术措施:
1) 在爆破开工前及后续爆破过程中，委托第三方调查、更新周边构建筑物的外观质量，对楼房自身存在质量缺陷的部位进行共同见证、拍照存档。
2) 在绿地楼房侧，顺边坡先爆破形成一条减震带，以衰减振动的传播。
3) 通过试爆确定场地系数K、α 值，根据不同爆心距计算不同部位的单响最大装药量。
4) 技术员跟班监督，采用定量装置每孔装药，做好每孔记录，避免随意装药、少装、超装。
5) 采用孔外延时逐孔起爆连线方式，仔细检查连线是否正确。
6) 每炮进行振速监测，监测点埋设在最近受保护建筑物基础上。
7) 在楼房混凝土浇筑至终凝前不得进行爆破施工。
3． 4 安全警戒风险防护措施
安全警戒不到位，易造成周边人员伤亡和建筑物损伤，需采取以下防护措施:
1) 爆破安全规程规定爆破警戒范围为200 m，实际根据装药量大小计算抛掷距离及冲击波安全距离。
2) 装药警戒。城市施工火工品由民爆公司配送，当火工品到场后，开始警戒，装药时采用警戒带隔离警戒防护，由安全员巡守，非作业人员不得进入警戒范围。
3) 预警信号。当装药完成、清点火工品后，爆破总指挥发出预警信号，预警信号采用广播喇叭通知，开始爆破范围内的清理工作( 具体做法如下: 在每个区域爆破前，勘察现场后选定爆破警戒点，形成警戒防护网络，每个岗位制定专人值守，持对讲机与爆破总指挥联系; 爆破总指挥按顺序询问每个警戒点人员到位情况，得到确认; 爆破总指挥按顺序询问每个警戒点人员疏散情况，得到确认) 。
4) 起爆信号。当爆破总指挥确认具备安全起爆条件后，采用对讲机通报倒计时发出起爆指令，由爆破员得到指令后起爆( 起爆员紧跟总指挥) 。
5) 起爆后由爆破员进入爆破警戒范围内检查盲炮、瞎炮，当确认安全后，告知总指挥，由总指挥发出解除爆破警戒信号。在此之前，岗哨不得撤离，不允许非检查人员进入爆破警戒范围。
4 结论与讨论
在城市复杂周边环境条件下，通过严格控制同响最大装药量，合理布设炮孔和设计装药参数，采取减震带措施，未对周边构建筑物造成影响; 边坡采取预裂爆破技术成型质量较好; 采取堵塞覆盖措施，有效控制了爆破飞石; 通过联合警戒防护，避免了交叉施工、人群车辆繁多的风险。但是，在实施过程中，基坑主爆区全幅断面采用竖直打眼爆破，存在爆破后出渣与边坡网锚喷支护工序组织困难的问题，与已完成的研究工作相比，本文主要阐述城市周边复杂环境下分区域采取不同爆破参数施工( 主要为预裂爆破、浅孔台阶爆破不同爆破参数) ，以及预裂爆破控制边坡成型质量，并形成隔离带，通过实践证明该地层及减震带参数能衰减约35%的振速。通过采取文中措施，历时6 个月开挖完成20 万m3，取得了良好的进度、安全和成本效益。下一步徐州市城市轨道交通徐州东站站将邻近京沪高铁施工，如何控制爆破振动及飞石防护，以及不影响高铁运行线设施的安全是后续研究的方向。
摘自：隧道建设