第36卷第1期 2016年1月 隧道建设 Tunnel Construction V01.36 No.1 Jan.2Ol6 优化爆破参数进行地铁车站隧道控制爆破 何 闯,王海亮 (山东科技大学矿山灾害预防控制省部共建教育部重点实验室,山东青岛 266590) 摘要:为减小爆破振动速度和提高炮眼利用率,以青岛地铁2号线车站主体I部上台阶的爆破开挖为背景,从理论上分析了由于掏 槽区域爆破效果差引起爆破振动过大,由于掏槽眼不对称、掏槽区域布置不当、掏槽眼间排距过大、辅助眼排距过大、未封堵炮孔等 原因造成炮眼利用率较低。结合理论计算和工程前期施工经验对楔形掏槽参数进行了优化,同时在校核单段最大起爆药量时考虑 了多自由面的影响。结果表明:优化后的复式楔形掏槽使炮眼利用率提高到90.5%,爆破振动速度控制在0.7 cm/s以内。 关键词:青岛地铁;隧道;楔形掏槽;爆破振动;炮眼利用率;爆破参数 DOI:10.3973/j.issn.1672—741X.2016.01.015 中图分类号:U 452 文献标志码:B 文章编号:1672—741X(2016)01—0097—05 Optimization Analysis on Blasting Parameters for Blasting Control of Metro Station Tunnels HE Chuang,WANG Hailiang (Key Laboratory of Mine Disaster Prevention and Control,Shandong University f oScience&Technology, Qingdao 266590,Shandong,China) Abstract:The utilization rate of blasting holes is usually influenced by asymmetry of cutting holes,irrational layout of cut zone,large spacing among cut holes,large spacing among assistant holes and non—stemming of the blasting holes.In order to improve the utilization rate of blasting holes and minimize the blasting vibration velocity,some factors are analyzed based on the blasting excavation of Zone 1 of top heading of Metro station on No.2 Line in Qingdao.In this paper,the parameters of wedge—shaped cut are optimized by means of theoretical calculation and construction experience.In addition,multiple free surface is taken into consideration to check the maximum individual ignition explosive quantity.The results show that the utilization rate of blasting holes was improved to 90.5%.and the blasting vibration velocity was limited within 0.7 cm/s by the compound wedge—shaped cut used. Keywords:Qingdao Metro;tunnel;wedge—shaped cut;blasting vibration;utilization rate of blasting hole;blasting parameter 0 引言 楔形掏槽是斜眼掏槽中较易掌握的掏槽方式,它 可以充分利用掌子面唯一的自由面,以较少炮孔消耗 和炸药消耗获得较大的掏槽面积和槽腔体积…。因 此,楔形掏槽已被国内外学者广泛研究和应用。文献 [2]论述了楔形掏槽的发展历程和楔形掏槽布孔参数 及装药参数;文献[3]运用层次分析法分析了影响楔 论证。目前,国内外对于楔形掏槽方多集中在掏槽爆 破理论方面,且楔形掏槽大多应用在煤矿岩巷掘进爆 破中,而对地铁隧道爆破楔形掏槽的研究较少,没有考 虑爆破振速对楔形掏槽参数的影响,更没有对爆破现 场掏槽效果不佳的原因进行分析,未对隧道爆破中的 楔形掏槽参数优化。本文以青岛地铁2号线车站主体 I部上台阶的爆破开挖为背景,从理论和实践的角度 形掏槽的因素所占比重;文献[4]通过数值研究和试 验研究对复式楔形深孔掏槽爆破方法的可行性进行了 收稿日期:2015—03—24;修回日期:2015—05—27 分析了造成楔形掏槽效果不佳的原因,结合理论计算 和工程前期施工经验对楔形掏槽参数进行了优化。 基金项目:山东科技大学研究生科技创新基金项目(YC150304) 第一作者简介:何闯(1990一),男,河北邯郸人,山东科技大学采矿工程专业在读硕士,研究方向为隧(巷)道爆破、隧(巷)道支护等。E-mail 584650078@qq.COB。 窿 建霞 第36卷 1 工程背景 青岛地铁2号线延安路站总体为暗挖单拱双层结 构,车站中心里程处拱顶覆土约l7 m,全长160 m。车 站主体开挖断面宽23.44 m,高l8.37 m,采用双侧壁 导坑法施工。车站西侧为冠业大厦29层楼,要求振速 控制在1.0 cin/s。采用2台TC一4850测振仪测振,测 点位于冠业大厦负1层。 爆破数据普遍偏大,可见,振速偏大为掏槽区域的爆破 所致。据已有研究 J:振速峰值一般出现在掏槽眼爆 破过程中。当掏槽区的碎石能顺利抛出,则给予未作 用于岩石的那部分爆炸能量向空气自由面的溢出空 间,从而可以降低爆破振动 J。而此次爆破由于掏槽 未爆开,后续的爆破没有足够的自由面,爆炸过程中, 发生岩石挤实现象,未作用于岩石的那部分爆破能量 难以溢出,故爆破振动较大。 首先开挖的车站主体I部采用上下台阶法施 工,下台阶开挖进度滞后于上台阶约10 m。上台阶 开挖断面宽7.97 m,高3.91 m,断面面积19.5 m , 围岩等级Ⅳ~V,已开挖长度29.5 m。冠业大厦距 离车站主体I部上台阶水平距离15.1 IT1,垂直距离 17.1 m。车站主体与冠业大厦的平面及剖面位置关 系如图1所示。 图1 车站与冠业大厦的平面及剖面位置关系(单位:m) Fig.1 Plan and cross—section of the Metro tunnel and Guanye Mansion(m) 2爆破现状及原因分析 2.1 爆破现状 车站主体I部上台阶的爆破开挖采用YT28型气 腿式凿岩机钻眼,炮孔直径42 mm。雷管采用第一系 列毫秒延期塑料导爆管雷管,所用段别为1、3~20共 l9个段别。炸药为2号岩石乳化炸药,规格为632 mm x200 mE,每卷0.2 kg。掏槽采用复式楔形掏槽, 分2次爆破,第1次爆破断面部分长8.00 m,高1.90 m,开挖面积13.1 m 。导爆管网路传爆联接方式为簇 联。现场炮眼布置见图2。爆破参数见表1。出渣后 的爆破效果如图3所示。为节约爆破循环用时,I部 下台阶与I部上台阶I区域一次起爆,爆破顺序为: 下台阶、上台阶I区域,之间用第19段雷管进行孔外 延期。因此,从1.7 S以后,为上台阶I区域的爆破数 据,如图4所示。 掏槽区域的中心线处爆破进尺0.5 m,掏槽部分 爆破进尺0.8 m,周边眼及底眼发生“冲炮”,炮眼完 好,未取得爆破进尺。最大爆破振速达0.98 cm/s,接 近1.0 cm/s的控制要求。 2.2原因分析 2.2.1振速过大的原因分析 由图4可知,最大振速出现在2.1 S,1.7~2.3 S 图中1~19代表雷管段别,I~Ⅱ代表分次的起爆区域。 图2炮眼布置图(单位:mm) Fig.2 Layout of blasting holes(mm) 表1 第1爆破区域的爆破参数 Tabel 1 Blasting parameters of zone No.1 胤名称删瞰 / 嚣 图3爆破效果 Fig.3 Blasting effect 2.2.2炮眼利用率低的原因分析 1)掏槽眼不对称。由图2可知,第一级掏槽眼角 度相差5。,第二级掏槽眼角度相差10。。而掏槽眼的 第1期 L何 闯,等: 优化爆破参数进行地铁车站隧道控制爆破 L L L L L Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q 一∞ u一\州鞲 倾角是影响楔形掏槽爆破的主要因素,权值达到 11.15%t 3 J。据已有资料 ,当掏槽眼不对称布置时, 在岩体内生成的裂隙要弱于对称布置,导致爆破漏斗 体积小,爆破效果差。因此,引起本次爆破失败的首要 因素是掏槽眼不对称导致掏槽效果差,进而导致后续 的爆破没有充足的自由面,使整个爆破效果差。 差 { {{ } i{ } 一 一 一…0一一 0… … 一…一-……;一一。.0一… …一… …一 ……一 …一 0… …一一 ……… …… }I 矗 { 蕊 i l 一一 lr…一~l ! l…… l_i …一 ’时嘉I: 122. …一i …~… 一一一j…一~ 一一 幸桶· 3qR陆 ;{ { i/ ll :睦毒荽 1O 1.oo 2 00 1 o0 4 00 5.00&00 7.0o 8.00 9.00 9.90 时问/s 图4爆破振动数据的三矢量合成图谱 Fig.4 Three—vector composite diagram of blasting vibration velocity 2)掏槽区域布置不当。由于掏槽区域的中心线 距隧道左侧拱脚4.28 m,工人在施打左侧掏槽眼时, 气腿式凿岩机的使用受隧道左侧断面的,角度不 易掌握,造成两侧掏槽眼角度不一。原有的掏槽区域 设计不根据现场施工器械、隧道断面尺寸进行合理设 计,是导致掏槽失败的又一个因素。 3)掏槽眼间排距大。由图2可知,一级掏槽眼间 距1.6 m,排距0.6 m,二级掏槽眼间距2.2 m,排距 0.45 m。根据掏槽眼装药量的经验公式 Q=SL6q/N。 (1) 式中:Q为单个槽孔装药量,kg;S为槽腔平均横断面 积(炮眼深度方向),S=掏槽区长度× 塑擅 量 塑擅 :0.45×3× 2 1.72 m2;L 为炮眼长度,m,本次爆破 L =2.0 m;N为装药掏槽眼个数,本次爆破N=12 个;q为炸药单耗,kg/m ,据统计表明,当f=4~6 时,g=2.5 k m ,当l厂=6~8时,q=3.5 k m ,本次 爆破的掏槽区域围岩等级为Ⅳ级,即坚固性系数l厂=6, g取3 kg/'m 。 将各值代入,计算得Q=0.86 kg,即掏槽眼理论 装药量为0.86 k 孔,而实际装药量为一级掏槽0.4 kg/孔,二级掏槽0.6 kg/孔。故本次爆破失败的原因 是掏槽眼装药量不足,而掏槽眼装药量不足是因为掏 槽IIII数少、间排距大和爆破区域大造成的。若加大 装药量又易造成超振,故应增加掏槽眼数,适当缩短掏 槽眼间排距和爆破区域。 4)辅助眼排距过大。由图2可知,最先爆破的辅 助眼与二级掏槽眼的眼底最小水平间距为1.13 m。 对于浅孔爆破,当此间距超过1 m时,最先爆破的辅助 眼的最小抵抗线大,易造成“冲炮”。 5)未封堵炮孔。不堵塞炮孔会造成孔口飞石和较 大空气冲击波,合理的堵塞会延长炸药在炮孔中的作用 时间,提高炸药能力的利用率,使得岩石可以得到充分 破碎 。实际施工中未封堵炮孔,造成底眼、周边眼、部 分辅助眼在自由面不足的情况下产生“冲炮”。 3爆破参数优化 由于拱顶部分围岩等级为V级且岩体存在滑层,掏 槽部分的爆破易引起滑层失稳,故不宜进行全断面一次 爆破,所以断面仍分2次爆破。浅埋隧道的炮眼深度主 要受爆破振动和施工器械的。考虑到振速控制在 1 cm/s,凿岩机械为气腿式凿岩机,故炮眼深度未作调 整,仍为1.8 m。所有炮孑L炮泥封堵长度0.5 m。 根据前期爆破效果,第Ⅱ爆破区域各炮眼的间排距 均未作调整,辅助眼间排距为600 mm,周边眼间距为 500 mm。第Ⅱ爆破区域各炮孔单孔装药量为0.3 kg。 孔内雷管为三孔一段(即3个炮孔共用1个段位)。 3.1掏槽区域参数优化 根据2.2.2的原因分析,为便于工人打眼,将整个 掏槽区域中心线向右偏移,距隧道左侧拱脚4.69 m。 根据式(1),将掏槽区域的高缩短为I.3 m,其断面面 积缩小为9.5 m 。斜眼掏槽的孔间距目前还没有较 好的理论计算公式,大多依照经验参数取值 J。根据 前期爆破经验,一级掏槽眼增设1对,间距1.0 m,排 距0.35 m;二级掏槽眼间距1.6 m,排距0.3 m。根据 台阶爆破的现有理论¨ :掏槽眼倾角0=60~75。,楔 形掏槽时取较大值。故一级掏槽眼倾角65。,二级掏 槽眼倾角75。,各炮孔装药量不变,经计算,满足式 (I)。 3.2其他炮孔参数优化 最先爆破的辅助眼距离二级掏槽眼的间距缩小为 350 mm,眼底水平间距变为850 mm。根据前期施工 经验,为防止轮廓欠挖,周边眼间距缩短为400 mm。 掏槽区域的底眼间距缩小为400 mm,更有利于整个掏 槽完成爆开,其他底眼间距500 mm,各炮孑L装药量不 变。优化后的炮眼布置如图5所示,爆破参数如表2 所示。 3.3单段最大起爆药量的安全验算 对掏槽眼装药量和辅助眼装药量进行爆破振动安 全验算。根据萨道夫经验公式 d, 3 Q =R (专)』 。 (2) 式中:R为爆源与需要保护的建筑物之间的距离, =√R 直+R 平= ̄/17.1 +15.1 23 m;Q为炸药 100 膳莲建谨 第36卷 量,kg,延时爆破为最大一段药量; 为保护对象所在 地质点振动安全允许速度,取1.0 cm/s;K、OL为与爆 破点至计算保护对象间的地形、地质条件有关的系数 和衰减指数。根据工程前期数据利用最小二乘法对 K、 回归,得出K=220,O/=1.8。 经计算,单段最大起爆药量 Q…=23 Z(1/220) =1.52 kg>1.20 kg(掏槽眼最 大单段起爆药量)。 量 一 燕勰 _687 8 .- _—— [ 1 0 邑 450 450 350 H 350 450 450 图5优化后的炮眼布置图(单位:mm) Fig.5 Optimized layout of blasting holes(mm) 表2优化后的第1爆破区域爆破参数 Table 2 Optimized blasting parameters of zone No.1 辅助眼最大单段起爆药量为2.4 kg,据有关资 料…J,自由面数量对爆破振动强度的影响非常明显: 3个自由面爆破的振动速度是2个自由面爆破的 1/3~2/3,是单个自由面爆破的1/6—1/3。由于辅助 眼爆破时已存在2个自由面,岩石夹制作用比只有1 个自由面的掏槽炮眼小,在相同的单段装药量爆破时 产生的爆破振动速度较小。对辅助眼的单段装药量适 当增加,并进行试爆与爆破振动检测后,结果表明:辅 助眼单段装药量为2.4 kg时,爆破振动速度可以控制 在1.0 cIn/s内。 4结论和建议 车站主体I部与车站主体Ⅳ部应用优化后的复式 楔形掏槽参数,完成了20个循环,共计掘进32.5 1TI。 期间最大振速为0.70 cm/s,平均炮眼利用率达 90.5%,取得了良好的爆破效果。为更好的应用此复 式楔形掏槽技术,提出以下建议: 1)在振动爆破振动速度符合要求的情况下,可增 加炮眼深度,从而增加爆破进尺,加快工程进度。 2)在设计辅助眼单段最大装药量时,不应只依据 萨道夫斯基公式进行校验,还应考虑掏槽眼爆破所提 供的新的自由面对爆破振速的影响。一般可适当增大 辅助眼的单段最大装药量。 3)当断面围岩稳定性好时,可采用全断面一次爆 破。参照本设计中布孔装药方式,第Ⅱ爆破区域的孑L 外延期雷管采用20段,随同第1爆破区域的孔外延期 雷管一起起爆,实现全断面一次爆破。 4)本文楔形掏槽的参数优化过多地依据现场试 验的结果得出结论,存在一定的局限性。当围岩等级 或爆破振速要求变化时,楔形掏槽参数也将再次进行 调整。后续研究可通过数值模拟方法对楔形掏槽各参 数进行研究,进一步验证现场试验结果,并量化不同围 岩等级和爆破振动速度楔形掏槽参数,以期更好地指 导工程实践。 参考文献(References): [1] 宗琦,刘菁华.煤矿岩石巷道中深孔爆破掏槽技术应用研 究[J].爆破,2010,27(4):35—39.(ZONG Qi,LIU Jinghua.Application research on cutting technology of mid— deep hole blasting in coal mine rock tunnel[J].Blasting, 2010,27(4):35—39.(in Chinese)) [2] 龙树娟.隧道开挖中楔形掏槽施工技术研究[J].国防交 通工程与技术,2011(2):70—73.(LONG Shujuan.Study of the techniques for the slotting construction in tunneling [J].Traffic Engineering and Technology for National Defence,2011(2):70—73.(in Chinese)) [3] 熊海明,程贵海,廖汝峰,等.基于层次分析法对楔形掏 槽爆破影响因素分析[J].工程爆破,2011,17(4):26— 30.(XIONG Haiming,CHENG Guihai,LIAO Rufeng,et a1. 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