不同爆破方法相结合的硬岩基坑开挖施工技术.pdf

年 月上第 卷 第 期施工技术（中英文）：不同爆破方法相结合的硬岩基坑开挖施工技术刘作岩，苏 杭，韩丽丽，孙培富，白晓宇（青岛中建联合集团有限公司，山东 青岛；青岛理工大学土木工程学院，山东 青岛）摘要 硬岩基坑开挖往往会采用爆破开挖的施工方法，但传统的爆破方法会对基坑支护结构及周边环境造成不良影响。基于青岛市博物馆扩建工程，在上覆杂填土的硬岩基坑开挖时创新采用微差爆破静态爆破相结合的施工方法，在离博物馆较远处采用微差爆破，临近博物馆位置采用静态爆破，同时在邻近既有建筑物处设置减振沟，并严格控制钻孔深度及装药标准。实践表明，该方法在保证高效快速施工的前提下，能对基坑周边文保建筑变形进行有效控制，达到保护既有博物馆及馆内文物安全的目的。关键词 基坑；硬岩；微差爆破；静态爆破；减振沟；施工技术中图分类号 文献标识码 文章编号（），（，；，）：，：；国家自然科学基金（）；山东省自然科学基金重点项目（）；山东省博士后创新项目（）作者简介 刘作岩，工程师，：通 信 作 者 白 晓 宇，博 士 后，教 授，博 士 生 导 师，：收稿日期 引言 随着城市建设的快速发展，城市基坑施工除了对基坑自身稳定保持高标准之外，对周边建筑物沉降变形也要进行严格控制。硬岩深基坑施工，不仅要考虑开挖深度、地下水位变化、基坑防渗等问题，还要考虑基坑底部石方的爆破处理。爆破过程中产生的振动效应会影响邻近建（构）筑物的稳定，从而危害人民的生命安全。已有学者对基坑爆破开挖开展了研究。杨桂桐采用 法对我国高边坡爆破开挖动力稳定性进行了研究和分析，基于极限平衡理论并运用条分法计算出表示边坡稳定性的动态安全系数。陈文宇等结合有限元数值模拟和现场监测结果，得到了基坑爆破开挖对邻近建筑物的动力响应规律。王薇等基于橘子洲车站基坑实测数据和数值模拟结果，分析了不同炮孔布置方式的爆破差异。马海鹏等对长沙某基坑石方爆破开挖区域开展了试验研究，根据多次试爆数据总结出符合基坑开挖区实际情况爆破 施工技术（中英文）第 卷振速的计算公式，提出并采用了爆破振动的综合控制措施。任慧敏等采用连续非连续数值模拟方法（）分析不同延迟时间及炮孔距离对爆破效果的影响，提出优化炮孔间距的有效方法。史鹏等对深圳地铁某基坑施工进行数值模拟，分析爆破施工对周边建筑的影响规律，并得到爆破施工的炸药单耗量控制值。在硬岩地层深基坑工程中，由于岩层整体性较好，需采用爆破方式开挖，传统的爆破方法容易对支护结构的稳定性造成不良影响，甚至威胁基坑周边建筑物的安全稳定，难以得到广泛应用，亟需开发针对硬岩地层的爆破方法。廖建东针对大连地铁 号线山花街站基坑，对 爆破致裂技术进行提炼和创新，总结出该技术的具体施工工艺流程。孔祥瑞结合理论实践和现有技术经验，在精细化爆破应用的关键环节做了大量研究，总结出相应的施工流程。秦晓伟指出，装药量和起爆顺序是控制爆破影响的关键参数。赵银超针对 水电站工程，采用复合消能爆破方法对硬岩基坑进行爆破开挖，并通过大量现场试验验证了基坑开挖采用复合消能爆破的可行性。以上研究大多采用单一的微差爆破、浅孔爆破等对硬岩基坑进行开挖，难以满足复杂环境下基坑安全高效的开挖要求，且大部分均未考虑施工对周边建筑物特别是文保建筑的影响。本文基于青岛市博物馆扩建工程项目，综合考虑周边环境与工程地质条件，采用不同爆破方法相结合的基坑开挖施工方法，在保证邻近既有文保建筑安全稳定的前提下，实现了硬岩基坑土石方开挖高效施工。工程概况 青岛市博物馆扩建工程建筑面积 ，其中地上面积 ，地下面积 。地形北高南低，原始地面标高 ，最大高差 。整个地下车库有 个基底标高，开挖深度 。该拟建场地北临苗岭路，南依梅岭东路至香港东路，西侧与秦岭路接壤，东侧与云岭路相连，交通极为便利。基坑北侧边缘轮廓线距离博物馆老馆地下 层库房基础边线约 ；西侧距最近的排污管线约 ；南侧距最近的用地红线约 ；东侧距室外挡土墙基础边线约 。土石方工程施工主要包括土方开挖、石方爆破及土石方清运施工，其中土方开挖部分的工程量为，石方开挖部分的工程量为 。土石方开挖 本工程土方开挖部分采用分层开挖的施工方法，每层开挖厚度根据支护设计图纸锚杆位置确定，每层开挖后层底标高低于支护锚杆 ，分层厚度 ，分 层进行开挖，如图，所示。图 基坑直立开挖分层 图 基坑放坡直立开挖分层 土石方开挖施工 根据现场实际情况，结合地质勘察报告，本工程土石方开挖划分为 个施工区域，并根据支护段中每道锚杆的标高分层开挖。根据本工程支护设计，基坑采用放坡直立开挖方式，支护单元采用直立开挖，开挖断面如图 所示；，支护单元采用坡顶放坡，基坑下部采用垂直开挖方式，开挖断面如图 所示。分层开挖深度根据支护锚杆位置确定。）第 层开挖 本层土层以杂填土为主，可直接将松土运至指定堆放地点。为了给钻孔设备的放置和钻孔施工留下足够的工作面，该层开挖至第 层锚杆布置位置以下。开挖完该层所有支护部分的工作面后，挖掘机应退到开挖范围的中心部分，然后再进行剩余土方开挖。）第 层开挖 本层开挖以支护工作面的第 层锚杆深度下 为基准，根据各支护段锚杆位置的不同，开挖深度也会发生变化。挖掘机将所有锚杆工作面开挖完毕，再次进入中心开挖范围内进行场内土石方的开挖外运。在现场土石方开挖过程中，由于部分区域被开挖至风化岩石，因此在该层施工过程中，需要推土机将强风化的岩石进行松 刘作岩等：不同爆破方法相结合的硬岩基坑开挖施工技术 动。必要时，推土机将松散的强风化岩石块推至挖掘机的装载位置，提高工作效率。土方开挖技术措施 土方开挖前先绘制土方开挖图，对各项技术措施进行周密部署，并在预留工作面上设置宽度不小于 的排水沟。）基坑降水措施根据现场水文条件和支护结构设计采用集水明排降水措施。在坡顶设置截水墙。截水墙的作用是防止地表水排入基坑，采用水泥砖砌筑，高度，宽度，使用 水泥砂浆砌筑和抹面，截水墙具体砌筑方法如图 所示。在每层开挖坑底设排水沟和集水井，排水沟高，宽，集 水 井 直 径 ，深，间距，排水沟和集水井采用与截水墙同样规格的水泥砖砌筑，设置在与建筑物基础边缘 处，距离坡脚，集水坑布置在基坑转角处，排水沟排水坡度 ，坡向集水坑，如图 所示。图 截水墙做法 图 排水沟做法 ）基坑开挖在保证各挖土机间距不小于、作业区域互不干涉的情况下，可采用多台机械同时开挖，缩短工期。挖土方向为自上而下，逐层进行。）人工配合清坡采用少量人力在机械开挖盲区（边角、沟槽）将松土转移机械作业半径范围内，再通过机械运输至指定堆放地点。）土石方清运 及时清运已挖出的土方，在基坑边侧临时堆土时，临坡距离，堆土高度不超过 ，以保证边坡稳定。爆破开挖 本工程岩石部分采用静态爆破、微差爆破和破碎锤破碎。由于受博物馆内文物的影响，不影响博物馆正常开放，基坑开挖应严格控制爆破振速，减少振动传递。场地北侧在老馆 范围内采用静态爆破破碎锤，南侧采用微差爆破破碎锤。静态爆破 静态爆破施工工艺流程：施工前准备设计布孔测量定位钻孔装药进入下一循环。）施工前准备爆破前需要了解拟建场地的工程与水文地质条件。并根据爆破对象的实际情况（岩石性质、节理、走向等）确定钻孔参数、钻孔分布和破碎顺序。沿北侧基坑边设置坑底 宽减振沟，减振沟深度到基础垫层底，减振沟按支护设计分层施工、分层支护，另一侧分台阶按 放坡，减振沟由东侧开始，按爆破方案分层分段爆破、出渣、支护，减振沟设置好后再进行大面积爆破施工，减振沟设计如图 所示。图 减振沟剖面（单位：）（：）设计布孔 首先要确定多个临空面，保证破碎对象与空气充分接触，破碎效果更好，钻孔方向与临空面平行。参考岩石硬度布孔，孔距和排距的大小与岩石硬度呈负相关，具体布置如表 所示。表 孔距与排距布置 岩石硬度孔距 排距 素混凝土钢筋混凝土 ）钻孔 钻孔直径选择须合理，钻孔过小或过大都达不到预期破碎效果，钻头直径可根据拟建场地工程地质情况而定。钻孔内余水和余渣须吹洗干净，防止钻孔产生的碎屑与药剂混合影响药剂效力发挥。施工技术（中英文）第 卷）装药 在药剂中加入 的水（质量比）搅拌成流塑态（搅拌后有自由水）后，立即注入孔内并确保药剂密实。针对超长钻孔，可多分几次倒入，再逐段捣实。若岩石出现开裂现象，可向裂缝中加水，支撑药剂持续反应，获得更好的效果。石方微差爆破 爆破参数设计 ）最大允许单段装药量设计爆破规模按式（）确定：（）（）式中：为单段药包质量（）；为控制点到爆源位置的距离（）；为控制点地质振动速度，本工程取 ；，为与爆破点地质有关的系数，取值范围如表 所示，本工程取，。表 不同岩性的，取值 参数坚硬岩石中硬岩石软岩石 ）最大允许单段装药量计算根据拟建场地工程地质条件并选取合适的参数，计算出理论最大允许单段装药量如表 所示。表 理论最大单段装药量 距离 单段装药量 在实际施工过程中，为了加强对控制点的保护，需对单段最大装药量进行调整，如表 所示。表 实际控制最大单段装药量 离控制点的距离 实际控制最大单段装药量 爆破设计 参考 土方与爆破工程施工及验收规范，结合类似条件下爆破施工的实践经验，本次石方微差爆破的爆破参数选择如表 所示，其钻孔具体布置如图 所示。表 石方微差爆破设计参数 爆破参数参数取值炮孔直径炮孔深度 排距 孔距 药卷直径装药方式单孔装药量每响药量每梯段 连续装药 图 纵断面钻孔布置（单位：）（：）爆破网络设计 采用非电毫秒微差起爆网络，并按照不同距离以及相应单段最大装药量分段，在最大区段起爆的剂量不能超出安全允许值，网络连接方式使用并联网路。具体施工方法及爆破网络如图，所示。图 爆破网络连接平面 爆破施工工艺 本工程石方微差爆破施工工艺流程如图 所示。）布孔根据本工程的爆破设计方案进行布孔，布孔时应避免布设在岩石风化较为严重的区域。为保证各炮孔的爆破方量大致均匀，炮孔方向调整时，炮孔方向尽可能微调。）钻孔 根据所设计的爆破参数进行钻孔，炮 刘作岩等：不同爆破方法相结合的硬岩基坑开挖施工技术 图 爆破网络连接剖面 图 石方微差爆破施工工艺流程 口间距相互平行，钻孔角度铅直，各炮口高度齐整。各炮口深度偏差应控制在不超过炮孔设计深度的，若出现钻孔太浅、少孔或孔距过大时必须按规定进行补钻。）清孔炮孔成型后，清理炮孔内的杂质，并检查炮孔深度、孔距、排距等是否按爆破参数设计要求进行设计。）装药填塞既要严格按照实际最大单段药量设计进行装药，又要根据现场地质情况（软层、裂缝等）随时调整装药量和装药结构，甚至取消装药，并适当增加相邻炮孔中的药量。为防止出现盲炮，炸药的引爆雷管必须牢固地植入药包中。将填塞物装入炸药上方炮孔进行填充，填塞材料的种类取决于炮孔的含水情况：当炮孔无水时，可用细砂和土作为填塞材料；当炮孔有水时，则采用粗砂作为填塞材料。为保证填塞密实，需要边填塞边将填塞物捣实。）联网 采用并联网络进行连接，并严格控制起爆的延时时间和单段药量，安装后应及时检查网络连接是否通畅。）起爆 根据起爆信号的发出立刻进行起爆。）安全检查 对于可能产生迟爆、炮烟等威胁人身安全的原因，需要留一定的爆后观察时间。爆后观察内容主要包括：盲炮、边坡堆积状况、邻近建筑物及一些永久设备（包括天然气管道）损坏情况、爆破器材的剩余。）解除警戒 起爆后，查看区域内有没有盲炮或其他危险隐患，方可汇报请示解除警戒。结语 ）地质条件不良及周边建筑变形控制要求较高的情况下往往需要采取多种爆破施工方法配合使用来满足基坑的顺利开挖。单一的爆破方式难以满足基坑岩石爆破开挖高效快速施工和周边文保建筑的安全。）邻近文保建筑的开挖区域采取静态爆破，对远离建筑物的开挖区采用微差爆破技术，并通过爆破参数设计严格控制微差爆破最大单段装药量，有效减轻了爆破过程中产生的振动波对临近基坑的文保建筑物产生的不良影响。）邻近建筑物基坑边设置坑底减振沟，既能减小对支护结构稳定性的影响，又能保护邻近基坑博物馆及场馆内的文物，为国内类似地区基坑工程开挖施工提供参考和借鉴。）采用静态爆破与微差爆破相结合的硬岩基坑施工技术，在保证周边建筑安全的同时又能实现基坑安全高效施工。参考文献：徐永泽 硬岩地层条件下深基坑施工控制技术 建筑安全，（）：，（）：陈杰 紧邻建（构）筑物岩质基坑开挖方法研究及工程应用 广东土木与建筑，（）：（），（）：孙鹏昌，覃卫民，陈明，等 深基坑开挖爆破对桩锚支护结构的影响及其机理研究 振动与冲击，（）：，施工技术（中英文）第 卷 ，（）：龙立敦，周旭，王朝国，等超深群桩基础人工挖孔爆破减振及安全控制技术施工技术（中英文），（）：，（）：，张传军基坑爆破采用减振孔和数码雷管降低振动速度应用技术研究施工技术，（）：，（）：周传波，陈建平 乌龙泉露天矿深孔爆破震动测试与分析 工程爆破，（）：，（）：，杨桂桐 爆破震动效应及边坡动态分析 爆破，（）：，（）：陈文宇，张云，陈行，等 基坑爆破施工对邻近建筑物的动力响应 科学技术与工程，（）：，（）：王薇，邹江海，尹俊涛，等 江洲深基坑下伏基岩爆破开挖危害控制研究 安全与环境学报，（）：，（）：马海鹏，易建坤，史海兵，等 大型建筑基坑临近施工塔吊区域石方爆破振动控制方法 采矿技术，（）：，（）：任慧敏，冯春，唐昊天，等 基于 的岩石基坑爆破效果的数值模拟 工程爆破，（）：，（）：，史鹏，段景川 基坑爆破施工对邻近建筑物动力影响研究 天津建设科技，（）：，（）：宁利锟 复杂城区硬岩地层深基坑静力爆破开挖技术研究 以广州恒福路车站为例 工程技术研究，（）：，（）：廖建东 爆破致裂技术在密集建筑区域硬岩基坑开挖工程中的应用 四川建筑，（）：，（）：孔祥瑞 精细爆破在地铁硬岩深基坑开挖中的应用探究湖北理工学院学报，（）：，（）：秦晓伟 紧邻被保护建筑物的爆破技术 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