城镇闹市区地铁车站基坑的控制爆破 .pdf

doi10. 3969/ j. issn. 1001-8352. 2016. 06. 010 城镇闹市区地铁车站基坑的控制爆破 ❋ 胡 葵 北京安联国科科技咨询有限公司北京,101312 [摘 要] 为确保某市地铁车站基坑爆破的成功实施,以爆破危害和块度控制为重点内容,通过优化爆破设计,综 合采取多种安全有效、经济环保的防护措施,成功将爆破施工过程中的安全危害爆破振动、飞石、有害气体、外来 电流等和环境危害爆破噪音、粉尘等控制在许可范围内;同时,运用 LS-DYNA 模拟岩石破碎效果,成功控制了 大块率。 实际爆破效果符合预期,工程效益显著。 [关键词] 控制爆破;爆破危害;块度;LS-DYNA [分类号] TD235 引言 控制爆破是一种对爆破效果和爆破危害双重控 制的爆破技术[1],可使爆破作业安全地在城镇居民 区和闹市区等复杂的环境下实施。 由于城镇闹市区 建筑密集、地下管线复杂、人口集中、车流量大,必须 严格控制爆破施工中地震波、空气冲击波及噪音、粉 尘、飞石等无益能的产生,以防止对临近建筑物和环 境造成损坏,避免对行人、车辆构成极大的安全威 胁,同时,又要确保爆破质量符合工程的要求。 爆破危害和爆破质量是控制爆破技术的核心, 基于此,以某市地铁滨江新城站爆破施工为例,在对 施工现场进行反复踏勘和论证的基础上,结合爆破 块度数值模拟分析,试图建立一套全过程、全范围立 体式控制的爆破方案。 1 工程概况 拟建滨江新城站位于市区繁华地段,周边环境 如图 1 所示。 施工区域红框内密布通信光缆、市 政供水管道和污水管、电信电缆等,环境极其复杂。 基坑全长 250 m,标准宽度 25 m,开挖深度 27 m,在 基坑 10 m 以下为残积土与全风化、半风化岩石,以 黄褐色的粉质黏土和细圆砾土为主,厚度在 1 2 m 之间,部分需要爆破施工;再往下岩石属于冷家溪群 组板岩,其中,以青灰色群组板岩为主、全风化黄褐 色板岩为辅的板岩以及岩性 f 值在 4 8 之间的次 坚石均需要爆破施工。 由于周边情况复杂,属于在 城镇闹市区中进行的大规模爆破,个别地段需贴近 建筑物进行爆破施工,对飞石的控制、振动波传递方 向的控制及粉尘、噪音的控制要求非常严格,同时, 必须达到业主希望的爆破效果。 因此,爆破难度很 大,对整个爆破施工要求极高。 图 1 爆破区域周边环境单位m Fig. 1 Surroundings around the blasting areaunitm 2 控制爆破技术可行性措施 2. 1 爆破危害控制 2. 1. 1 爆破振动 爆破施工产生的地震波极为复杂,一般以位移 x、速度 v 和加速度 a 3 个物理量对其介质质点的运 动状态进行描述 x Asinωt;1 v dx dt ωAsin π 2 ωt;2 a d2x dt2 ω2Asinπ ωt。3 式中x 为位移;v 为速度;a 为加速度;A 为质点振 幅;ω 为圆频率,ω 2πf,f 为振动频率;t 为时间。 通常,在估算爆破振动地面运动参数最大幅度 时,采用二分之一波峰到波谷的全振幅,于是有 x A;4 v ωx 2πfA;5 a ω2x 2πfv 4π2f 2A。 6 152016 年 12 月 城镇闹市区地铁车站基坑的控制爆破 胡 葵 ❋ 收稿日期2016-02-29 作者简介胡葵1982 - ,男,高级工程师,主要研究方向爆破工程与器材。 E-mailhukui_1982163. com 万方数据 由上述公式可见,只要能测得 x、v、a 中的任意 1 个,就可以通过关系式推算另外 2 个参数。 目前, 学者们基本都不采用质点运动矢量和作为安全标 准,而是通过选择质点运动的最大分向量来评价建 构筑物的破坏[2]。 根据爆破安全规程 GB 67222014,一般建筑物和构筑物的爆破地震安全 性应满足安全振动速度的要求,表 1 列出了规程中 主要类型建构筑物的质点安全振动速度[3]。 表 1 主要建构筑物爆破振动安全允许标准 Tab. 1 The allowable safety standard of blasting vibration for major constructions 保护对象类别 安全允许质点振动速度 v/ cms -1 f≤10 Hz 10 Hz 50 Hz 土窑洞、土坯房、 毛石房屋 0. 15 0. 45 0. 45 0. 90 0. 90 1. 50 一般民用建筑物1. 5 2. 02. 0 2. 52. 5 3. 0 工业和商业建筑物2. 5 3. 53. 5 4. 54. 2 5. 0 一般古建筑与古迹0. 1 0. 20. 2 0. 30. 3 0. 5 运行中的水电站及发 电厂中心控制室设备 0. 5 0. 60. 6 0. 70. 7 0. 9 水工隧洞7 88 1010 15 交通隧洞10 1212 1515 20 矿山巷道15 1818 2520 30 采取以下措施将爆破振动对爆区周围建筑物的 影响减小到最小 1采用多段微差起爆; 2施工中减少一次布孔量,尽量避免钻孔偏差 和超钻,通过试爆,选取合理的爆破参数和单耗; 3施工采用由远及近的方式,全程进行爆破振 动监测,以此调整药量; 4在特殊地段采用低爆速、低威力的炸药,可 在 2岩石炸药中加入质量分数 13的添加剂[4],使 炸药的密度降至 0. 5 g/ cm3以下; 5使用孔底垫竹筒,或孔内采用不耦合装药或 分段装药结构; 6爆破前,在爆区周边布设若干排减振孔,可 使降振率达 30 50 [4]; 7临近建筑物位置采用预裂爆破技术,以减小 爆破振动。 由于北侧沐阑酒店距离围栏较近,因此,在该处 采取静态爆破预先钻孔,使主爆区爆破时爆破振动 速度大大减弱。 为了切实避免爆破振动事故的发 生,在工程的早期,最大单段药量可以采用安全距离 所对应的装药量的一半,同时必须实地实时监测爆 破振动,从而得到该范围内符合实际的参数 K、α 值, 以此重新修正主要建筑物的安全距离。 2. 1. 2 爆破飞石 该控制爆破是在人口多、周围建筑稠密的城镇 进行的,一旦飞石引发爆破事故,后果不堪设想。 目 前,对于爆破飞石的危险区域评价主要采用人工神 经网络; 文献 [5] 则介绍了一种支持向量机法 SVM,评价效果较为理想。 在飞石控制方面,一 般有主动与被动防护,具体做法可分为 3 种覆盖防 护、近体防护和保护性防护[6-7]。 本次爆破施工中, 采取表面覆盖防护与空中隔离防护即二次防护 措施,确保零飞石,同时对重点保护目标进行保护性 防护。 1表面覆盖防护。 炮孔装药完成后,炮区表面 整体覆盖,即每个炮孔用柴草覆盖,再用竹夹板压 紧,最后用一个砂袋压住,覆盖层厚度 1 m 左右,单 个砂袋质量不小于 20 kg,如图 2 所示,掏槽、扩槽孔 爆破与台阶爆破相同。 图 2 表面覆盖防护措施 Fig. 2 Surface coverage protection considerations 2空中隔离防护。 采取表面覆盖防护措施后, 为防止仍有个别飞石逸出,还须采取隔离防护。 基 坑爆破,其作业面均低于地表,深入地下,根据现场 施工条件,采取空中隔离防护方法。 利用坑道横向钢支撑,其上铺设盖板盖板以 2 cm 厚钢板为主,周边用角钢焊接加强,2 m 4 m 左 右大小,盖板上铺满木板,最后用砂袋压住。 平常 施工时拉开几张盖板,作为通道,爆破时再盖好,如 图 3 所示。 当条件异常苛刻时,可参考香港地区类似工程 的防护要求,使用铁笼防护,铁笼用工字钢焊成框 架,五面包铁网, 装药作业在笼内进行,爆区表面还 要进行覆盖防护[8]。 2. 1. 3 爆破有害气体 一氧化碳和氮的氧化物是炸药爆炸后生成的主 要有害气体,为降低有害气体的危害程度,本工程综 合采取了以下措施选定配方合理的炸药;增大起爆 能;选定合理的装药形式;加强爆后通风和洒水;加 25 爆 破 器 材 Explosive Materials 第 45 卷第 6 期 万方数据 图 3 空中隔离防护措施 Fig. 3 Mid-air separation protection considerations 强炸药的质量管理,禁用过期变质的炸药;露天爆破 尽量避免将起爆点设在下风方向。 2. 2 爆破质量控制 工程上定量评价爆破质量普遍采用的指标是爆 破块度分布[9],主要采用摄影-图像分析法对爆堆进 行摄影测量和块度分布分析[10]。 本文中,采用 LS- DYNA 模拟岩石破碎过程,从而得到选定参数具体 见本文第 3 节下岩石的破碎效果,以此验证爆破 设计方案选用的参数对于块度控制的可行性。 2. 2. 1 算法与材料模型 采用流固耦合算法来模拟具体爆破过程。 炸 药、空气采用 Euler 算法;岩体采用 Lagrange 算法, 计算模型中使用非反射边界条件吸收边界条件 以实现对无限域的模拟;炸药采用 JWL 状态方程, 利用程序起爆控制爆轰波的传播,选取 LS-DYNA 材 料模型库中的第 8 号材料模型;岩体材料采用 Lagrange算法,JHC 材料本构模型,采用对称边界条 件以考虑计算量的影响。 2. 2. 2 数值模拟结果 图 4 给出了不同时刻岩石等效应力的分布情 况,能够较为清晰地描述出应力波传播的具体路径 以及对结构造成的影响,可判断出最大载荷出现的 时间以及具体位置。 爆炸产生的应力波传播较为对 称、均匀,各点起爆时间一致;因此,破坏响应比较一 致,可为选定爆破参数下岩石结构的整体毁伤破坏 提供依据。 图 5 给出了结构在不同时刻的失效毁伤。 从图 5 中可以看出裂缝的产生过程,以及最终导致不同 块度的岩石破碎,整个破碎响应过程是逐渐完成的。 随着裂隙的不断产生与扩大,造成了单元的变形逐 渐增加,从而导致了结构的失效。 结果显示,最终导 致的结构的破碎块度没有完全对称,计算选取的仅 仅是整个爆破工程的一个很小的局部,周围的结构 响应进行了对称处理,使得所有的计算等价于处理 一个无限大的爆破区域。 数值模拟得到的爆破块度 分布规律可以较为准确地表征整个爆破条件下的岩 图 4 不同时刻岩石等效应力分布 Fig. 4 Distribution of equivalent stress for rock at different times 图 5 不同时刻岩石破碎情况 Fig. 5 Rock cracking condition at different times 石块度分布。 从模拟的破碎结果来看,没有出现较明显的连 续大块,岩石在炸药的爆炸毁伤作用下破碎比较充 分,大块率较低,说明爆破设计方案选定的基本参数 能较好地控制大块率的产生,同时,也说明所进行的 数值模拟方法具有良好的可行性,可用来事先预测 设计方案的爆破效果。 3 爆破参数设计 对基坑划分不同区域,如图 6 所示。 针对不同 区域的重要性采用不同的施工方法。 爆破施工主要 采取静态控制爆破技术及浅孔台阶微差松动控制爆 破技术来制定相应的爆破施工方案, 综合运用前述 爆破危害防护措施,实行全过程、全范围立体式控制 爆破。 352016 年 12 月 城镇闹市区地铁车站基坑的控制爆破 胡 葵 万方数据 图 6 爆破作业平面布置图 Fig. 6 Arrangement plan of blasting operation 3. 1 浅孔爆破 主爆区采用浅孔爆破,垂直梅花型布孔,钻孔直 径 D 42 mm,台阶高度 H 1 3 m,孔深 L 1. 2 3. 5 m,超深 h 0. 2 0. 5 m,前排孔抵抗线 W 0. 6 1. 4 m,孔距 a 0. 6 1. 2 m,排距 b 0. 5 0. 8 m,炸药单耗 q 0. 45 1. 00 kg/ m3,单孔的装药 量为 Q qabH。 3. 2 预裂爆破 对于临近居民区等受保护建筑地区,采用预裂 爆破,浅孔孔径 D 42 mm,炸药采用⌀32 mm 的乳 化炸药,不耦合系数大于 1. 15,孔深 3 m,孔距 a 8 12D,根据地质情况,a 取值 0. 8 m,线装药密 度 q′ 300 500 g/ m,单孔药量 Q 2. 4 kg,口部填 塞长度为 0. 8 1. 0 m,顶部装药应适当减少 1/2,底 部装药量视孔深大小确定,一般比正常线装药密度 增加 1 2 倍。 装药结构采用孔内径向间隔装药,起爆网路采 用孔内孔外相结合的微差起爆方法,孔内 MS10、孔 外 MS2 段导爆管雷管,单孔起爆,间隔时间 25 ms。 3. 3 掏槽爆破 由于在爆破开挖前,导流槽只有一个自由面,因 此,岩石的夹制作用会极大地影响爆破效果。 为了 创造新的自由面,必须先对爆破中心区进行掏槽爆 破,从而可以为后续的浅孔爆破创造良好的作业平 台。 炮孔直径 D 42 mm,孔深 L 3 m,孔距 a 1. 1 1. 3 m,线装药密度 q′ 0. 3 0. 5 kg/ m,单孔 药量 Q 1. 63 kg。 3. 4 浅孔微差、挤压爆破 对于需严格控制爆破危害的部分主爆区域,同 时为了降低大块率,可利用手风钻,采用浅孔微差、 挤压爆破技术, 分多台阶进行爆破作业。 孔径 D 40 mm,孔距 a 1. 5 m,排距 b 1. 2 m,最小抵 抗线 W 1. 2 m,孔深 L 2 m,炸药单耗 q 控制在 0. 5 kg/ m3以内,孔内外微差间隔时间△t 20 75 ms。 此外,可借鉴相关爆破工程采用中部分段、底 部间隔的装药方法进一步降低大块率[11]。 3. 5 静态控制爆破 采用建筑材料科学研究院研制的静态破碎剂 SCA [12],根据开挖工期安排,爆破施工在 6 8 月 份,该地区平均温度在 30 ℃左右,施工时选择 SCA- I 型材料,水灰质量比控制在0. 30 0. 33 之间,流动 度控制在 170 190 m 之间。 根据围岩性质及现场 实际情况,参考文献[13]进行钻孔参数及 SCA 使用 量的选择。 针对本工程围岩多为中风化及微风化岩石,参 数选择如下孔径 D 80 mm;孔距 a 0 15D 80 100 cm,本次取 a 100 cm;排距 b 0. 70 0. 85a,本次取 b 80 cm,炮孔呈梅花型布置,孔深 L 根据分层开挖厚度要求确定。 3. 6 爆破振动设计 根据本工程所处的地理位置,需要保护的建筑 物为距离车站基坑爆源 50 m 之内的民房建筑物以 及连续墙、钢支撑结构。 对该范围内的民房进行爆 破振动验算,以确定同段起爆最大药量。 根据爆破 安全规程可得公式 Qmax R3 v K 3 α 。7 式中Qmax为最大一段的装药量,kg;R 为距起爆点 的距离,m;K 为与岩石特性、爆破方式等因素有关 的系数,取 200;v 为非抗震性钢筋混泥土框架房屋 允许振速,取 2 cm/ s;α 为地震衰减指数,取 1. 6。 可得结果如表 2 所示。 表 2 不同距离处的同段起爆最大药量 Tab. 2 Maximum charges at different distances R/ m20304050 Qmax/ kg1. 424. 8011. 3822. 23 车站实际施工中,根据不同爆破部位控制单段 起爆最大装药量,可确保爆破振动不会对周边居民 房屋造成伤害。 4 爆破效果 采用控制爆破的施工工艺,确保了安全无事故, 同时,严格控制了环境污染,最大限度地减少了爆破 对周边房屋的损害,将爆破补偿控制在最低值,施工 过程中未收到任何投诉,维持了社会稳定。 图 7 分 别给出了测点 GZGS-1 水平切向、水平径向和垂直 方向的速度变化示意图。 从图 7 中可以看出,各段 位产生的最大振动速度为 1. 749 cm/ s,其余段位产 生的最大振动速度均小于 1. 000 cm/ s,符合国家安 全规程要求。 图 8 是基坑现场爆破后的修整施工图。 从得到 45 爆 破 器 材 Explosive Materials 第 45 卷第 6 期 万方数据 a水平切向 b水平径向 c垂直方向 图 7 振动速度随时间的变化 Fig. 7 Vibration velocity variation with time 图 8 爆破作业后的现场施工图 Fig. 8 Construction site after blasting operation 的爆堆信息来看,爆后大块率较小,未使用挖机破碎 锤即可装车清理,从而验证了所采用爆破设计参数 的合理性和科学性。 本文中,主要利用孔网参数、装药参数和岩体条 件在爆前大致预测爆破块度分布,后续工作将重点 研究测定爆破块度的有效计算方法,以便对所获取 到的爆堆块度信息进行简便、迅速且准确的处理与 计算。 5 结论 针对闹市区复杂环境下的地铁车站基坑爆破工 程,制定了安全环保、经济有效的爆破安全施工设计 方案,控制了爆破危害的传播方向和范围,最大限度 地降低了爆破产生的负面影响;同时,确保了主体工 程的顺利实施,爆破效果符合预期,工程效益显著, 为以后在闹市区等复杂环境下进行类似的爆破工程 提供参考。 参 考 文 献 [1] 郭进平,聂兴信. 新编爆破工程实用技术大全[M]. 北京光明日报出版社,2002781-790. 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The optimized blasting design and the safe and effective protection deployment, which is economic and environment friendly, made it practically controlled within a permissible range in view of the safety and environment hazards during exploration operations such as blasting vibration, flying fragments, noxious fumes, extra- neous electricity, blasting noise, dust, and so on. The rock fragmentation effect was simulated by LS-DYNA to help the successful control of large lumpiness rate. The actual blasting outcome was in good agreement with the expectation, demon- strating a rather remarkable engineering benefit. [KEYWORDS] controlled blasting; blasting hazards; lumpiness; LS-DYNA ■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■ 上接第 50 页 Explosion and Shock Waves,1995,153282-288. [11] 言志信,刘培林,叶振辉. 框架剪力墙结构的定向爆 破倒塌过程[J]. 爆炸与冲击,2011,316647-652. YAN Z X,LIU P L,YE Z H. Directional blasting col- lapse process of frame-shear wall structure[J]. Explo- sion and Shock Waves,2011,316647-652. Directional Blasting Demolition of a Detoxification House with Asymmetric Frame Structure Containing a Detoxification Tower FEI Honglu①,ZHOU Jianhua①, WANG Gaoshan② ①Institute of Engineering Blasting, Liaoning Technical University Liaoning Fuxin, 123000 ②China Petroleum Pipeline Construction Engineering Co. , Ltd. Hebei Langfang, 065000 [ABSTRACT] Blasting demolition project for a detoxification house in Shenyang Chromium Residue Harmless Treatment Plant was used as an example to study directional demolition blasting of a detoxification house with a symmetric frame struc- ture. Simulation programs were designed according to the actual engineering. Software LS-DYNA was used to simulate four blasting schemes with different blasting heights and different delay times, and the optimum blasting scheme was obtained by comparison and analysis. Analysis of the where abouts process of the detoxification house shows that the initiation time of the last row column is less than the time of effective rake angle of overall, and also less than landing time of detoxification house. Initiation time or blasting height is the key to achieve successful collapse of the detoxification house. Theoretical cal- culation of collapse angle change of the detoxification house is in accordance with the simulation, and the variation of the actual collapse angle with time is much closer to the simulation process. Using LS-DYNA can better simulate blasting demo- lition. [KEYWORDS] blasting height; delay time; special construction; numerical simulation; scheme optimization; directional blasting 65 爆 破 器 材 Explosive Materials 第 45 卷第 6 期 万方数据