地下连续墙深孔微差预裂控制爆破施工技术

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  【摘 要】 根据深圳地铁地质构造和工期要求,为了提高地下连续墙成墙效率和钻孔桩机的施工能力,以茶光站为例对地质构造进行了分析,从地质构造对钻孔桩机施工能力的影响、可行的与工期相匹配的施工工艺、深孔爆破的特点三方面进行了论述,提出了采用深孔爆破配合钻孔桩机的施工方法,进行了深入细致的研究和工艺试验,达到了满足工期要求和提高工作效率的效果,解决了坚硬地址条件下单纯利用钻孔桩机施工地下连续墙成墙周期长、工作效率低的问题,对类似工程有一定的借鉴作用。
  【关键词】 地下连续墙;坚硬岩层;深孔爆破;装药量;效率
  The underground continuous wall of deep hole
  millisecond pre-splitting blasting technique
  hang Daobo Song Tiantian Liang Luping
  【Abstract】 According to the Shenzhen Metro Line 7, geological structure and project requirements, in order to improve the efficiency and ability of construction wall drilling pile machine of underground continuous wall, Tea light station as an example to analyze the geological structure,From the geological structure of the drilling machine construction ability influence, feasible and time to match the construction technology of deep hole blasting, the characteristics of three aspects,The construction method of bored pile machine adopts deep-hole blasting,Conducted in-depth research and meticulous process test, to meet the project requirements and improve the efficiency of the effect,To solve the hard to address conditions of exploitation drilling pile machine in construction of underground continuous wall forming long cycle, low efficiency problem, have certain reference to the similar engineering.
  【Key Words】 continuous concrete wall; hard stratum;deep hole blasting; charge quantity ; efficiency
  1 工程概況
  1.1车站位置
  深圳市地铁7号线茶光站车站位于深圳市南山区西丽镇,沙河西路与向南的西丽南路“丁”字交叉口南侧,所在位置富水砂层较厚,最深处达到10m。车站长236.4m,宽19.4m,站台宽10.4m,线间距13.6m。茶光站地下连续墙位于沙河西路上。东侧无建筑物,距大沙河52m;西侧距永标大厦25m,距西丽居委会综合楼最近距离9m,距丽苑社区1-7号楼最近距离15m。
  1.2地下连续墙设计
  车站主体围护结构采用800mm厚地下连续墙。墙幅宽度考虑机具设备、施工工艺、及车站相邻建筑物与车站的距离,基本墙幅宽度为4.0m、5.0m及6.0m。
  车站地下连续墙嵌固深度:满足基坑底面下地下连续墙嵌入全风化、强风化岩层的深度不小于6.5m;嵌入中风化岩层的深度不小于3m;嵌入微风化岩层的深度不小于1.5m。
  地下连续墙原设计采用钻孔冲击桩基施工。
  1.3地质条件
  茶光站所在地区为冲洪积平原地貌,地形平坦。地面高程10.45~12.03m,范围内上覆第四系全新统人工堆积层(Q4ml)、冲洪积层(Q4al+pl)、花岗岩及混合花岗岩残积层(Qel),下伏燕山期花岗岩(γ53)、加里东期混合花岗岩(Mγ3)。
  1.4先期施工情况
  茶光站地下连续墙嵌入岩石设计范围均为整体式微风化和中风化花岗岩,岩层坚硬,根据先期施工统计数据显示,入岩部分单钻机平均进尺仅为12cm/d,钻孔冲击困难,工作效率极其低下,不能确保既定工期。
  2 爆破方案
  2.1爆破方案的确定
  针对茶光车站地下连续墙底部微风化及中风化花岗岩岩性,经多种方案必选,确定采用深孔控制爆破技术进行处理,地下连续墙底部约3-5米岩石采用“深孔微差预裂控制爆破技术”施工。施工中严格控制单段起爆最大药量,严格控制爆破振动及飞石,确保爆破施工安全。
  车站的地理位置决定了爆破作业的要求极高,爆破飞石、爆破声响、爆破震动、爆破烟尘和爆破散发出来的有毒气体都要严格控制。为此,确定了四项基本原则。
  少爆破:能不放炮时就一定不放炮,尽量使用大功率风镐和风动冲击锤来开挖岩石。
  安全第一:爆破施工要做到万无一失,加强监测、警戒、覆盖、保护、控制等措施。
  控制爆破:地下连续墙基岩采取预裂控制松动爆破技术施工。   弱爆破:爆破时,尽量采用多段和密眼布孔,严格控制药量,把爆破施工对围护结构及周围建筑的影响减到最小。
  2.2爆破参数的确定
  根据控制理论计算确定爆破参数,并进行工艺试验,对爆破槽段进行孔间抽芯取样,根据抽芯岩石的破碎情况调整爆破参数,在保证安全和质量的前提下,确保爆破效果最佳。
  2.2.1控制爆破原理
  对于微风化花岗岩的槽段,通过地表钻孔,利用“预裂爆破+挤压爆破”作用机理,科学布孔,合理利用爆炸产生的能量对地下连续墙中、微风化部分岩石进行作用,以便达到使整体微风化岩石破裂、分割成块状的目的,确保钻孔冲击桩机和液压抓斗等成槽设备快速高效掘进。爆破作业时,炸药单耗控制在2.0~4.0kg/m3之间。钻孔布置见图2.2.1.
  图2.2.1 地下连续墙爆破钻孔布置图
  2.2.2钻孔直径
  采用小型潜孔钻机钻孔,钻头直径为110mm和140mm两种规格,进入中、微风化岩层采用抽芯方式成孔。(见图2.2.2)
  2.2.3钻孔深度
  钻孔深度=设计连续墙深度+超深0.5m。由于茶光站地质岩层中有流砂层,为避免钻孔过程中避免流砂涌出堵塞钻孔,影响成孔质量和效率,在直径110mm钻头施工前,先用直径140mm钻头钻至流砂层以下100mm位置,拔出钻头,下设内径140mm钢套管作为保护套管,然后再进行直径110mm钻头钻进施工。
  图2.2.2 小型液压潜孔钻机
  2.2.4爆破槽段长度
  爆破槽段长度控制在6.0m之内,距离建筑物距离较近时可适当减小。
  2.2.5爆破槽段宽度
  爆破槽段宽度为地下连续墙的设计宽度0.8m,钻孔时贴近导墙内侧钻孔,成槽宽度为0.8m。
  2.2.6爆破岩石厚度
  根据各槽段中、微风化基岩岩面分布位置不同,爆破岩石厚度在2~4m之间,平均爆破岩石厚度在3m左右。
  2.2.7炮孔布置
  每个槽段布置三排炮孔,孔边两排,沿连续墙导墙内轮廓布置,孔距为0.65m;中心孔一排,沿连续墙中线布置,孔距为1.3m。6m槽段共钻孔22个,其中装药孔14个,空眼8个。装药孔下内直径为83mm的PVC管护孔,防止塌孔造成堵孔。空孔不装药,只提供爆破临空面,不进行保护。炮孔平面布置图见附图2.2.7。
  图2.2.7 6.0m槽段地下连续墙爆破炮孔布置图
  2.2.8炸药及雷管选型
  炸药选择2#岩石乳化炸药,药卷直径60mm,炸药具有防水性能;起爆雷管选用微差毫秒电雷管。
  2.2.9单孔装药量和单段起爆药量计算
  以爆破槽段长6m,入微风化岩石3m为例计算,单孔装药量和单段起爆药量见表2.2.9。
  表2.2.9 地下连续墙基岩处理爆破参数表
  炮眼
  名称 段别 炮孔
  数目 各炮孔间距.m 装药结构 单孔装药量.kg 单段起爆药量.kg
  边孔 1段 3 沿轮廓线均匀布置,孔距0.65m 孔底1m连续装药以上分层装药至微风化岩面 4 12
  边孔 3段 3 4 12
  边孔 7段 2 4 8
  边孔 9段 2 沿中线分布、孔距1.3m 4 8
  中心孔 5段 2 4 8
  中心孔 11段 2 4 8
  合计 14 56
  单次爆破微风化石方量V=14.4m3;炸药单耗k=3.9kg/m3。
  2.2.10平均炸药单耗
  根据岩石性质,结合深孔爆破施工经验,岩石坚固性系数f在10~12时,炸药单耗取值通常在2.0~4.0之间,本设计初步取值为3.9kg/m3。爆破时根据实际爆破效果进行调整。
  2.2.11装药与堵塞
  装药眼采取孔底1m连续装药,以上分层间隔装药至微风化岩面,间隔装药间隔长度为0.6m。设4发电雷管多点同时起爆,导爆索全长敷设。微风化岩面以上1m位置开始堵塞,堵塞至孔口,堵塞材料为粗砂。
  2.2.12起爆网路设计
  采取不同孔内分段的并联电起爆网络,单个孔内设置2-4发同段电雷管并联后同时起爆,以确保起爆网络安全。
  2.3钻孔设计
  地下连续墙基础岩层埋深较深,最深处达20m,因此应选择合理的起爆点以及针对不同厚度基岩采用不同的孔排距参数。
  2.3.1钻孔及孔径
  采用小型潜孔钻,钻孔直径110mm。
  2.3.2布孔方式
  采用梅花形布孔。
  2.3.3起始爆破点的选择
  根据地质详勘资料及现场钻机钻孔取芯情况,选择基岩厚度相对较大的位置开始爆破,然后逐渐向基岩厚度小的里程推进。
  2.4装药设计
  2.4.1裝药结构(如图2.4.1所示)
  厚度1.0m基岩爆破装药结构示意图
  厚度2.0m基岩爆破装药结构示意图 厚度3.0m以下基岩装药结构示意图
  图2.4.1 基岩装药结构示意图
  2.4.2爆破材料
  选用瞬发电雷管和毫秒微差导爆管雷管,防水乳化炸药,标准直径为Φ60mm,具体使用根据现场的需要加工。
  2.4.3药包设计及加工
  炮孔验收合格后,对装药爆区范围内设置警戒,根据取出的岩芯情况开始加工药包。首先要准备好直径90㎜的PVC管,根据钻孔队提供的钻孔参数和验孔情况,提前计算好药包长度,将炸药和雷管装入PVC管内指定的位置,采用耦合和不耦合两种形式的药包筒,根据现场实际情况及装药量来确定采用何种药包筒。PVC管的长度需根据药包长度和配重长度来截取。   L=L1i+L2i
  式中:L——所取PVC管长度;L1i——药包长度;L2i——配重长度。
  药包设计、加工见图2.4.3:
  连续药包加工示意图
  间隔药包加工示意图
  图2.4.3 药包加工示意图
  2.5起爆网路设计
  炮孔采用正向装药起爆,起爆雷管选用两发瞬发电雷管,且分别属于两个非电起爆网路,两套网路并联后起爆,详见图2.5.
  图2.5 爆破网络示意图
  3 爆破安全距离计算
  3.1爆破震动计算
  爆破保护对象为最近距离爆破点15米的住宅,为了保证爆破震动不影响周围建筑物的安全及居民生活,按1.0cm/s以下进行装药设计施工,反算一次爆破允许的最大装药Qmax。
  根据公式V=k(Q1/3//R)α,
  V-爆破地震安全速度,cm/s;Q-最大一段装药量,kg;R-爆破区至被保护物距离,m;k-与爆破场地条件有关系数,取k=160;α-与地质条件有关系数,α=1.7。(见表3.1)
  表3.1 最大一段装药量
  距建筑物距离R(m) 最大一段装药Qmax(kg)(V允许=1.0cm/s)
  30 3.6
  40 8.25
  50 16.12
  60 27.85
  70 44.23
  结合表3.1计算结果,在施工中严格控制单段最大药量不超过上述表格中数量,如单孔装药量超过上述值,则应在孔内再分段装药。
  为了切实确保工程爆破震动安全,在初期以安全距离参考值对应的装药量的一半作为最大单段装药量进行爆破,同时实地进行震速检测测试爆破振动,以求取该地真实可靠的K、α值,并调整计算主要建筑物的安全距离。在爆破进入正常均衡生产阶段后,以实测结果决定安全距离来严格控制钻孔爆破的单段最大装药量,从而确保周围保护物的爆破震动安全。
  3.2爆破飞石控制
  连续墙基岩爆破,由于爆源在地面以下约16-20m之间,爆破属于内部作用,为确保绝对安全,槽段上部采用“孔口压沙包+钢板+冲击锤”防护措施,以防个别炮孔冲孔及泥浆喷出。
  每次爆破前15分钟进行安全警戒,警戒范围以内的一切人员全部撤离,爆破指挥则依每次爆破地点设于其附近的较高位置。爆破指挥、起爆点和各警戒点之间用步话机保持顺畅的通讯联系。警戒信号分为三种,即警戒、准备起爆和警戒撤离。每次爆破后检查无误后由爆破指挥发出警戒撤消信号。安全警戒距离为以爆源为中心向外100m范围。
  3.3爆破施工原则
  1.爆破初期进行爆破振动规律测试,取得该地真实可靠的K、α值,为准确控制单段最大装药量提供依据。另外,爆破进行过程中实施爆破振动监测,以便随时调整爆破参数和确保其爆破振动安全。
  2.根据保护建筑物到爆破地点的不同距离,严格按实测振动规律控制单段最大装药量和一次爆破规模。采用微差起爆方法,最大限度地减少爆破振动对环境的影响。
  3.爆破开始前,对周围建筑物进行详细调查,并依据其结构特征和国家标准给出各自的爆破振动安全允许值。
  4.严格安全防护措施,爆破时对爆区顶面覆盖钢板加冲孔锤,以防止个别飞石泥浆造成周围保护物的损害。爆破时实施严格的安全警戒。
  5.爆破施工严格遵照《爆破安全规程》和有关规定办理。
  6.起爆前加强警戒警示,爆破时人员全部撤至安全地点后方可起爆,警戒距离不小于100m,并实施临时封路。
  7.爆破前张贴告示,加强与临近单位之间的沟通、协调,确保爆破施工进行顺利。
  4 结束语
  地下连续墙深孔爆破工艺试验表明,爆破破碎后的岩性强度降低,钻孔桩机冲击花岗岩坚硬微风化中风化岩层的施工效率明显提高,由原来的日进尺12cm提高到12-15m,工艺试验验证了理论计算的各种参数的可行性,个别参数还有必要施工中进一步优化,以期更大程度提高工作效率。该技术已经开始在深圳地铁7号线和11号线有类似岩性的地下连续墙施工段进行推广应用。
  深圳地铁对钻孔冲击桩基连续成墙的深度、尺寸、强度、承载力、平面误差、垂直度偏差厚度侵限、渗漏水、连续墙连接处处理等质量指标提出了“零缺陷”的要求,强调车站围护结构的地下连续墙基础施工是決定车站施工质量的关键,同时,对车站工期进行了严格限制,因此在施工中采用新工艺、新技术,成为确保深圳地铁的施工质量和工期的必要条件。上述关于地下连续墙深孔爆破施工的技术参数和控制措施是仅根据深圳地铁7号线茶光车站的施工实践总结出来的,希望能对城市轨道交通工程深孔爆破施工有一定的借鉴作用。
  参考文献:
  [1]中华人民共和国住房和城乡建设部:城市轨道交通工程质量安全检查指南(试行),中国建筑工业出版社,北京,2012,p117-118;
  [2]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局:爆破安全规程,GB6772-2003,北京,2003;
  [3]中华人民共和国国务院:民用爆炸物品安全管理条例,国务院令第466号,北京,2006。
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