气体爆破在地铁车站开挖施工中的应用

气体爆破在地铁车站开挖施工中的应用

曹希泽

中国水利水电第十一工程局有限公司河南郑州

摘要：地铁车站所处的环境一般比较复杂，周边道路人流、车流密集，建筑物较多。而基坑开挖遇到岩石采取常规炸药爆破，爆破控制难度大，对周边环境危害大，安全难以控制。本工程采用“三小一少（振动小、飞石距离小、噪声小与粉尘少）”的二氧化碳气体爆破方法，此方法不仅安全，而且符合绿色、环保和低碳要求。

关键词：气体爆破地铁车站开挖施工

1工程概况

长沙地铁4号线一期工程线路全长33.5km，其中圭塘站是长沙轨道交通4号线一期工程的第19个站，位于劳动东路与万家丽路十字路口东侧下方，为4、5号线的换乘站。车站沿劳动东路东西向敷设，上承树木岭站，下接沙湾公园站。

车站为地下三层车站，车站设计起点里程YDK39+777.400，终点里程YDK39+927.400，基坑长度150m、标准宽度22.9m、深度27m。设3个出入口和2组风亭。车站采用明挖顺作法施工，两端区间采用盾构法施工，盾构在本站站内过站。竖向设置四道支撑，第一道为混凝土支撑，第二至四道为Φ609，t=16mm钢管内支撑。

1.1工程地质

本工程大部分位于强风化砂砾岩、中风化泥质粉砂岩、中风化砂砾岩上，可能存在溶蚀空洞，主体基坑属不均匀地基。

拟建场地从地貌上属圭塘河冲积阶地，具二元结构，人工填土下伏粉质粘土及圆砾层，下伏基岩为白垩系紫红色泥质砂岩、砂砾岩、含砾砂岩，覆盖层厚度2.50～15.10m，各岩土层工程性能差异较大，层位起伏较大，故地层均匀性一般。

1.2地下水位

勘察期间对大部分的钻孔进行了水位观测，主要为第四系砂卵石层中的孔隙潜水及强～中风化基岩裂隙水，本场区地势较平坦，初见水位埋深3.20～13.50m，相当标高为31.74～43.29m。稳定水位埋深3.50～13.70m，相当标高为31.43～43.16m。根据长观孔资料，结合区域经验，本工点地下水动态变化较大，一般为1.5～5.0m。

1.3周边环境

车站周边均以商住楼、景观绿地为主。站位西侧为万家丽路以及圭塘河沿岸绿地，万家丽路高架桥跨劳动东路段正在桥面施工。劳动东路过圭塘河桥采用南北向桥桩。站位北侧有华雅国际地块内小山，长沙铜铝材有限公司等。东南有华菱新城地标，旭辉国际规划广场地块等。

圭塘站基坑北侧40m处为民用建筑，距基坑边缘1m处为排水管，排水管直径为1.2m，埋深为约为1.5m；基坑南侧30m为旭辉国际广场及高层建筑，距基坑边缘1～4m处为电信、电力、军缆、煤气管道、自来水管道，埋深约为3.0m左右。周边环境如图1-1所示。

1.4爆破危害产生的特点与控制难点分析

由于爆破区位于劳动路北半幅，所处的环境比较复杂，南半幅道路人流、车流密集，汽车来往不断，商铺林立。而基坑爆破次数多，危害控制的难度很大，本工程产生的主要危害有以下特点和难点。

（1）基坑南北两侧各种网线种类多、距离近

基坑北侧设有电信、电力、军缆、煤气管道、自来水等管道，距离基坑边缘为1～4m，埋深1.5m；南侧排水管Φ1.2m，距离基坑边缘1m，埋深3.0m。

（2）爆破震动的控制难度大

由于爆破区处于管网线及建筑物环绕之中，特别是基坑南北两侧的各种管道需要保护。按萨道夫斯基公式核算一段装药量时，若取V=1.0cm/s、K=200、α=1.8，在8m位置一次或一段允许起爆药量仅为0.074kg，如果按照这么小的药量进行施工，实际作业很难操作，很难在规定的工期内完成任务。

（3）爆破飞石控制要求高

因爆破区为劳动东路，车流、人流量大，楼房的首层为商铺，爆破作业不能中断商铺的生意；人流、车流密集，爆破不能影响人员与汽车的正常运行，所以对爆破飞石的防护控制要求很高。受现场条件限制，为了减小爆破震动，必须采取小规模多次爆破，达到控制爆破飞石的目的。

根据以往的经验，由于爆破体为中风化砂砾岩及中风化含砂砾岩，岩石硬度高，因此爆破作业时装药量一定要准确，才能有效控制爆破飞石，过大的装药量有可能导致岩石过度粉碎，产生剧烈抛掷；过小的装药量影响爆破效果，且容易产生冲炮而导致飞石。

（4）爆破空气冲击波、噪声、粉尘等不易控制

由于受现场条件限制，爆破方案选择时考虑采取小规模、覆盖防护、有填塞的浅孔爆破，爆破空气冲击波、爆破噪音、粉尘等是不大的，但由于爆破区域处于建筑物的环绕之中，仍需尽可能地减小爆破对周围环境的影响。

（5）保护基坑维护墙与中立柱的安全

基坑的水平支撑体系通常用维护墙、水平支撑组成，从基坑受力来看，围护结构、内支撑组成一个共同承受侧向水土压力与施工荷载。所以爆破作业时一定保证基坑维护墙与中立柱的安全，只有维护墙的安全才能保证基坑的整体稳定；若维护结构的水平变形,围护墙的防渗止水出现问题，后果很难设想。

2环境特点及特殊要求

2.1环境特点

基坑开挖在闹市区进行，北侧有高压线路，地表有建筑区、设施、人群，环境比较复杂；就其作业面而言，土石方量都比较大，又都会遇到维护墙保护、中立柱安全、混凝土结构安全等一系列问题需要认真对待；就工作环境考虑，一般工作场地都比较狭窄，运渣时间受限制，警戒范围要求十分严格并且有些地方的人群无法进行疏散，工地靠近居民区，噪声扰民也经常受到投诉，引起一些民事纠纷。

2.2基坑开挖安全的特殊要求

本基坑开挖工程一旦开工，工期要求都很紧，因为建筑物早一日竣工早一日收益，这就需要保证环境安全的，统一考虑岩石破碎方案、防护措施以及清运方法几个方面的问题，即满足以下特殊要求。

（1）即根据工期要求计算日平均破碎量和高峰期作业的破碎量，根据现场状况规划出钻孔作业面，再依据作业面情况和环境条件，选定岩石破碎施工种类。

（2）防护措施应保证安全

防护的重点是飞石和控制地震，同时还应考虑破碎噪声的影响。其开挖边墙的维护，已浇混凝土结构的保护，边墙喷锚支护的保护都是一些带有特殊的问题。

（3）清运方法

根据破碎量和基坑现场状况，选择装渣设备型号、数量，如需吊运还要考虑吊运设备应规划施工道路，最后根据运输量、运输作业时间及运距、现场装运场地等条件，选定运输车辆，保证在规定工期内清运完毕。

（4）本基坑及周围重点保护目标较多

①基坑围护墙的保护；

②基坑中立柱的保护；

③基坑两侧各种管线的保护；

④基坑两侧建筑的保护；

⑤劳动路行驶车辆与行人的保护。

3开挖方案的选择

由于基坑周围环境比较复杂，不宜采用爆破法进行岩石爆破，拟采用“三小一少（振动小、飞石距离小、噪声小与粉尘少）”的二氧化碳致裂器破碎基坑岩石方法，此方法不仅安全，而且符合绿色、环保和低碳要求。

3.1二氧化碳致裂器的组成及技术

3.1.1二氧化碳致裂器的组成

二氧化碳致裂器由泄能器、安全片、储液管、发热装置、充装阀组成，如图4-1所示。

二氧化碳致裂器主要技术参数见表3-1。

根据现场实际情况，本工程采用95型二氧化碳致裂器。

3.2二氧化碳致裂破碎基本原理

二氧化碳气体在一定的高压下可转变为液态，通过高压泵将液态的二氧化碳压缩至圆柱体容器（致裂破碎筒）内，装入安全膜、破裂片、导热棒和密封圈，拧紧合金帽即完成了致裂破碎前的准备工作。

将致裂破碎筒和点火器及电源线携至致裂破碎现场，把致裂破碎筒插入钻孔中固定好，连接点火器电源。当微电流通过高导热棒时，产生800～1000°C高温，击穿安全膜，瞬间将液态二氧化碳气化，急剧膨胀产生高压，液态的二氧化碳膨胀600倍气态二氧化碳，产生300MPa以上的膨胀压力，冲击波致泄压阀自动打开，被致裂破碎物品或堆积物受几何级当量冲击波向外迅猛推进，从点火至结束整个过程只需0.4毫秒，瞬间释放高压气体断裂和松动岩石。由于是低温下运行，与周围环境的液体，气体不相融合，不产生任何有害气体，不产生电弧和电火花，不受高温、高热、高湿、高寒影响。在井下致裂破碎时对瓦斯具有稀释作用，无震荡，无粉尘。二氧化碳属于惰性气体非易燃易爆物质，致裂破碎过程就是体积膨胀的过程，物理做功而非化学反应。

3.3二氧化碳致裂破碎特点

（1）具有本质的安全特性。从储存、运输、携带、使用、回收等方面均十分安全。主机与致裂破碎器材分离，从灌装至致裂破碎结束时间较短。液态二氧化碳灌注仅需1～3min，点火至结束仅需4毫秒。实施过程无哑炮，无需验炮。安全警戒距离短，无安全隐患。致裂破碎筒回收方便，可连续使用。

（2）既可定向致裂破碎又可延时控制，特别是在特殊环境下，如居民区、隧道、地铁、井下等环境，实施过程中无破坏性振动和短波，对周围环境无破坏性影响。

（3）在石材开采中不破坏纹理结构，成材率和效率较高。

（4）无雷管，无火药，无炸药，无易燃品，无危化品，无需火工库，管理简便，操作易学，操作人员少，无需专业人员值守。

（5）在矿井下使用其性能更加突出，无论是高瓦斯矿井，冲击地压矿井、水文地质条件较复杂的矿井还是易自燃矿井均可应用。

（6）材料来源丰富，可就地取材。提高功效，增加效益，降低成本。减少繁杂的报批审核程序和管理限制。在灌注二氧化碳之前所有皆非爆品，灌注后没有高温，没有电压不会自爆，即使有电压或遇强高温，在有空气中引爆也不会产生危险，就像放个鞭炮响一下，对周围环境不产生破坏，非常安全。

（7）为获得较大当量的威力，可根据现场情况，把致裂破碎筒并联使用，或者改进孔径和增进二氧化碳质量。可灵活控制。

（8）在应急抢险救援中，可将全部设施托运任何交通工具上。而雷管火药炸药等属管制物品，无此优势。可节约大量救援时间。

（9）由于炸药雷管等的对社会对环境破坏性，必将控制更加严格，因此办理致裂破碎手续周期较长，而采用致裂器可随时进行致裂破碎作业，实时满足工程建设的需要。

4二氧化碳致裂器破碎岩石设计

4.1掏槽开挖

（1）切割槽的开设

基坑的特点只有一个自由面，四周没有自由面，岩石夹制作用强，对岩石致裂破碎很不利，为了取得较好致裂破碎岩石的效果，必须在破碎区的一端或中间采用机械破碎的方法开出一定宽度和深度的沟槽，为后续的二氧化碳致裂岩石创造一个侧向自由面，以取得较好的破碎效果。如图4-1所示。基坑切割槽通常采用机械开挖。

5.2施工步骤

5.2.1开设临空面

用机械在基坑一端或中间开挖一定深度与较为陡峭的临空面或沟槽。

5.2.2钻孔

5.2.2.1钻孔要领

操作手应掌握钻机的操作要领，熟悉和掌握设备的性能、构造原理及使用注意事项，具有熟练操作的操作技术，并能掌握不同性质岩石的钻凿规律。

5.2.2.2钻孔基本方法

开口时对于完整的岩面，给小风不加压，应先吹净浮渣，慢慢冲击岩面，钻出空窝后，旋转钻具下钻开孔。当钻头进孔后，逐渐加大风量至全风全压快速凿岩状态。对于硬岩，应选用高质量高硬度的钻头，送全风全压，但转速不能过高，防止损坏钻头，对于软岩，应送全风加半压，每进尺1.0～1.5m提钻吹孔一次，防止孔底积渣过多而卡孔。

5.2.2.3泥浆护孔方法

对于孔口岩石不稳固状态，应在钻孔过程中，采用泥浆护壁。泥浆护壁的操作程序为：致裂孔钻凿2～3m，在孔口堆放一定量的含水粘黄泥，用钻杆上下移动，将黄泥代入孔内并浸入破碎岩缝内。

当不考虑对边坡的影响、且边孔无侧向临空时，为了克服岩体的夹制作用，边孔距离凌空面尺寸应缩短0.5～0.8m。

5.2.2.4致裂孔验收与保护

（1）致裂孔验收

①检查致裂孔深度与孔网参数；

②复核抵抗线；

③孔中有水时不能施工。

④在验收过程中发现堵孔、深度不够，应及时补钻。

（2）致裂孔保护

①每个致裂孔钻完后立即将孔口用塑料或编织袋等材料堵塞好，防止雨水或其他杂物进入致裂孔。

②孔口的岩石清理干净，防止掉入孔内。

③一个致裂区钻孔完成后尽快实施致裂。

5.2.3装管

根据致裂孔深度将致裂器一节一节的装入孔内。根据临空面高度H及孔深L调整致裂器节数，最上方连接提升杆。

5.2.4填塞

5.2.4.1提升杆外露长度

填塞后，提升杆外露长度A:0.3≦A≦0.5m。

5.2.4.2填塞方法

填塞材料一般采用钻屑、干燥细石粉，并将其堆放在致裂孔周围。将填塞材料慢慢放入致裂孔内，同时敲击外露提升杆部位，便于填塞材料下沉压实。亦可采用手持振动棒振动，提高填塞效率。

5.2.4.3填塞作业注意事项

（1）填塞材料中不得含有碎石块或潮湿石屑。

（2）致裂孔内有水时，在填塞过程中容易形成泥浆或悬空，使致裂器周围无法填塞密实。致裂效果不好，甚至造成致裂器从空中飞出。

（3）填塞过程中要防止导线砸破。

（4）加固处理。填塞完毕后，将每组致裂器的提升管用钢丝绳连接起来，控制个别致裂器飞散或滑落。

5.2.5连接网路

导电网路的连接是一个关键工序，若一次致裂孔数较多，必须合理分区连接，以减少整个导电网路的电阻值，分区时要注意各个支路的电阻平衡，保证每个致裂器获得相同的电流值。在网路连接过程中，应利用专用电阻表检测网路电阻，网路连接完毕后，必须对网络所测电阻值与计算值进行比较，如果差别较大，应查明原因，排除故障，重新连接，网路连接的接头应用高质量绝缘胶布缠紧，保证接头质量。网路连接采用串联方法，如图5-2所示。

5.2.6点火

采用高能起爆器点火。点火前，首先检查起爆器是否完好正常，起爆器应及时充电，保证提供足够电能，并能快速充到致裂破碎需求的电压值；在连接主线前必须对网路电阻进行检测，当警戒完成后，再次测量网路电阻值，确定正常后，才能将主线与起爆器连接，然后等待点火命令。岩石致裂破碎后，及时切断电源，将主线与起爆器分离。

5.2.7岩石致裂破碎后检查

致裂破碎后5分钟后由致裂破碎工程技术人员对现场进行检查，只有在检查完毕确认安全后，才能发出解除警戒信号和允许其他人员进入施工现场。致裂破碎后检查内容：

（1）破碎堆是否稳定，有无危坡、危石；

（2）有无危险边坡、不稳定破碎堆、滚石和超范围塌陷；

（3）最敏感、最重要的保护对象是否安全；

（4）施工区附近地下采矿场时，应对这些部位进行有害气体检测。

5.2.8提管

（1）提管过程中，提拉方向应与提升杆方向一致。

（2）严禁暴力操作，若提升杆不能提出，需对岩石进行二次破碎后再取出。

（3）将致裂管收回，进行二次充装使用。

5.2.9大块岩石破碎

在致裂过程中，不可避免的会产生一定数量的大块岩石，而这些大块岩石超过了生产要求规格或挖装机械的铲斗容量时，必须对这些大块岩石进行二次破碎。

破碎大块岩石采用机械破碎法，利用液压冲击锤（俗称炮机）对大块岩石进行二次破碎。液压破碎锤是一种非常重要的高效作业的新型的破碎工具，主要用来完成采石场的采石作业或者岩石的破碎等。液压破碎锤在工作过程中必须以动力源、工作介质及能量转换为基础才能运动工作的。这里动力源是液压泵，工作介质就是常用的液压油。运动过程中把液压能转换为机械冲击能，即以液体压力驱动液压缸中的活塞往复运动对外做功，并对外输出能量束进行工作，如图5-3所示。

此种方法效率高，基本无飞石，是破碎二次岩石的最理想的主要方法，一是工作效率高，二是安全性好。

6安全防护

二氧化碳致裂器致裂破碎岩石时会有个别石块飞出，因此需用竹夹板、地毯、密目网或钢丝网覆盖在基坑上部的冠梁上，防止飞石飞出基坑。防护覆盖如图6-1所示。

8二氧化碳致裂破碎施工作业注意事项

（1）二氧化碳致裂破碎必须创造一个自由面，且自由面较为陡峭，坡度60°～75°为宜，其高度不应小于3m，但不能大于6m，一般为5m左右为宜。

（2）二氧化碳致裂破碎只能采用一排致裂孔，若采用两排致裂孔致裂破碎效果欠佳。

（3）根据不同的岩石性质通过致裂破碎效果检验，适时调整致裂孔参数。

（4）禁止在雷雨天气实施致裂破碎作业。

（5）致裂破碎筒的规格大小不同，致裂孔参数也不相同。

（6）致裂破碎时一定要派出警戒，防止个别飞石对人员及车辆造成伤害。

（7）为防止破碎飞石飞散，需在基坑支撑梁上覆盖防护。

9危险源的控制措施

9.1物体打击控制措施

（1）每次岩石致裂破碎完毕，应及时将边坡、台阶上方边缘的浮石清理掉。

（2）当人员在边坡下方作业时，应先检查边坡，看是否有浮石和边坡开裂等情况，应先将浮石和边坡开裂清理干净，再开始作业。

（3）当边坡上方有人作业时，上方作业人员的正下方不得有人作业。

（4）当人员在边坡面上作业时，应将安全绳移动范围内的浮石清理干净。

（5）作业人员应戴安全帽、穿工作鞋与制式服装。

9.2机械伤害控制措施

（1）各种机械设备的操作人员，都必须经过专业与安全技术培训，经有关部门考核合格方准上岗，严禁无证人员操作。

（2）各种机械操作人员，必须懂得所操作机械的性能、安全装置。熟悉安全操作规程，能排除一般故障和进行日常维护保养。

（3）工作时，操作人员必须穿戴好防护用品，集中思想、服从指挥、谨慎操作，不得擅离职守或将机械随意交给他人操作。

（4）交付现场使用的机械设备，必须性能良好，防护装置齐全，生产及安全所需备用品配套，并经设备部门和现场负责人验收认可后，方能使用。

（5）机动车行驶与停止时，必须与基坑、输电线保持规定的安全距离。

（6）机械设备进入作业点，单位工程负责人应向操作人员进行作业任务和安全技术措施的详细交底。

10振动检测

实施二氧化碳致裂岩石时有轻微振动，对振动比较敏感部位需进行检测。

10.1动测试系统

振动测试系统一般包括三级，即传感器、中间适配放大器和记录存储分析处理仪器设备。传感器将原始振动信息变换为所需的信息，放大器可将传感器转换的微弱信号进行滤波阻抗变换处理并放大后输入到记录设备。一般常见的振动监测系统框图如图10-1所示。

10.2振动测试若干技术问题

10.2.1测点布置

（1）为深入研究振动效应和确定建筑物安全的范围或划定区域，就需在振动效应较大的区域内布置较密的测点，以便测定振动强烈的区域以及地面振动强度随爆心变化规律。

（2）为研究爆破振动效应作用特征，就需在一定范围内，在特定的地质地形条件下，测定爆破地震波的传播规律。测点数目要足够多，一般测线上测点不少于2个。

（3）为避免试验数据密集在某一区域内，相邻两侧点距离呈对数规律。

（4）为研究爆破时建筑物的动力效应，应在建筑物附近地面和建筑物地面布置测点，并在建筑物上具有代表性布置测点，具体位置在该建筑中间位置布设2个测点。

10.2.2测试仪器的正确使用

（1）一起的频率响应

任何一种仪器都有一定的频率响应范围，由不同仪器组成的测量系统也应有一定频率响应范围。所谓频率响应范围，是指在此范围内，系统测试的灵敏度相等或在一个允许误差的范围内。因而在爆破振动测试中应特别注意测试系统频率响应是否满足要求，针对性地选用合适的仪器。

（2）仪器动态量程范围

应特别注意仪器的量程问题，根据具体情况采用合适的测量仪器。

10.2.3传感器的安装及防护

10.2.3.1传感器的安装

为了可靠地得到爆破振动或结构动力响应的记录，拾振器必须与测点的表面牢固的结合在一起，否则在爆破振动时往往会导致传感器松动、滑动，使得信号完全失真。

若测点表面为坚硬岩石，可直接在岩石表面修正一平台；岩石风化，则可将风化岩石层清除，再浇注一混凝土墩；测点表面为土质时，一般将表面松土夯实，铺以砂或碎石，再浇注混凝土墩，然后将传感器固定在其上，固定可采用如下方法：

（1）采用环氧砂浆、环氧树脂或其他强度粘合剂，在干燥情况下，还可采用石膏、水玻璃等材料。

（2）再浇注混凝土墩时，先预埋固定螺栓，然后用压板将传感器底板与预埋螺栓紧固相连。

（3）对于带螺栓传感器在沙土介质中的安装，应将传感器上的长螺杆全部插入被测介质内，使传感器与介质紧密相联。

10.2.3.2传感器的防护

在野外测试时，应对传感器进行必要的安全防护。一般在测点处预制混凝土、金属盒或其他防护措施。

11文明施工措施

（1）生活与生产实行规范化管理，严格请销假和请示汇报制度。

（2）上班时，戴安全帽，穿工作服、鞋，严禁穿拖鞋，严禁赤膊与着装不整。

（3）在施工现场，严禁乱丢乱扔垃圾与吸烟。

（4）搞好生活和生产现场的卫生，材料、设备、机具、车辆堆（停）放有序，做到整齐划一。

（5）遵章守纪，文明施工，确保工程顺利进行。

结束语：本工程地铁车站周边环境复杂，道路人流、车流密集，建筑物较多、管线复杂，特别是燃气管离基坑较近，开挖爆破对周边环境危害大，安全难以控制，采用“三小一少（振动小、飞石距离小、噪声小与粉尘少）”的二氧化碳气体爆破方法，此方法不仅确保了施工质量、安全，而且符合绿色、环保和低碳要求。为后续类似工程提供借鉴参考。

作者简介：

曹希泽男1984年2月出生，34岁，汉族，籍贯：甘肃临泽本科学历，就职于中国水利水电第十一工程局有限公司，长期从事水利水电工程、城市轨道交通工程施工，熟悉土石坝、混凝土坝、电站厂房、泵站、地铁车站、盾构施工技术及工法。