復雜條件下山體開挖控制爆破技術的應用

張計璨，林 飛，劉武軍，劉豐華

(1.中煤科工集團淮北爆破技術研究院有限公司，安徽淮北235000;2.湖北凱龍化工集團股份有限公司，湖北荊門448000)

1 工程概況

某綠色動力再生能源有限公司提升改造,進行廠區擴建,需將廠區東側及北側部分山體進行開挖清除。 擬開挖山體主要由上侏羅統九里坪組強-微風化含角礫晶屑熔結凝灰巖組成,山頂分布殘坡積含碎石粉質黏土。 山體巖土組成可分為2 個工程地質層組,4 個工程地質亞層,各巖土層物理力學性質特征分述如下:

1)1 層含碎石粉質黏土:灰黃色,稍濕-濕,松散-稍密,碎石棱角狀,大小2 ～15 cm,含量為5% ～20%,層厚1.0 ～5.2 m。 屬普通土,開挖等級Ⅱ級。 推薦地基承載力基本容許值[fa0] =140 kPa。

2)2 層強風化含角礫晶屑熔結凝灰巖:灰黃色,礦物風化蝕變強烈,組織結構已大部分破壞,風化裂隙發育,巖質較軟弱,巖體破碎,呈碎裂松散結構。 層厚1.5 ～3.0 m,屬軟石,開挖等級Ⅳ級。 推薦地基承載力基本容許值[fa0]=400 kPa。

3)3 層中風化含角礫晶屑熔結凝灰巖:灰色、灰紫色,堅硬,塊狀構造,節理裂隙發育-較發育,微張-閉合,隙面粗糙不平,鐵錳質渲染,巖體較破碎-較完整,呈塊碎狀鑲嵌結構-塊狀結構。 巖石飽和抗壓強度Rc=116.6 MPa。 層厚大于10.0 m。巖體基本質量等級Ⅲ級,屬堅石,開挖等級Ⅵ級。推薦地基承載力基本容許值[fa0]=1 500 kPa。

4)4 層微風化含角礫晶屑熔結凝灰巖:灰色、灰紫色,堅硬,塊狀構造,節理裂隙較發育,閉合,隙面粗糙不平,巖體較完整,呈塊狀砌體結構,局部較破碎。 巖體基本質量等級Ⅱ級,屬堅石,開挖等級Ⅵ級。

工程總方量約189 828 m3,包括邊坡工程、截水溝、平臺水溝及排水溝開挖。

2 山體開挖環境

現場開挖山體需爆破施工,條件極其復雜,場地平整3 面均需要保護。 場區北側15 m 處為公司廠房、棧橋;東北側72 m 處為廠房和排水渠道,廠房地下有部分預埋工業水管;西側63 m 和98 m 處為縣道和高速公路;西南側22 m 處為公司辦公大樓;南側9 m 處為待拆建筑物和道路設施,開挖山體的周邊環境如圖1 所示。

圖1 開挖山體的周邊環境

爆破作業期間公司正常運行,道路車輛正常行駛,場地內有多家施工單位正在進行護岸建設,現場施工人員、設備、車輛較多,爆破條件極其復雜。

爆破作業期間必須確保爆破飛石、滾石不破壞建筑物和道路,同時避免爆破振動對建筑物、路基及地下管線的影響,確保安全[1]。

3 山體爆破方案

由于爆破作業區域距離辦公樓、廠房以及高速公路距離較近,設計爆破方案時,必須加強監測監控。 嚴格控制裝藥量、確定最小抵抗線以及選擇爆破作用指數是控制飛石的關鍵[2]。

在設計爆破方案時,嚴格控制一次起爆藥量以滿足振動安全控制標準,調整微差爆破時間提高爆破振動頻率,調整爆破方向以及采用不同裝藥結構等綜合減振。 同時考慮建(構)筑物的動力響應,在安全的基礎上綜合考慮爆破效果和爆破工期。

采用弱松動爆破,在爆破近區,采用淺孔小直徑(38 mm)分散裝藥比常規集中裝藥爆破可降振60% ～75%[3]。 因為淺孔分散裝藥爆破不能滿足工期要求,所以在“多鉆孔、少裝藥”的原則下,采用以深孔爆破為主、淺孔爆破為輔的爆破施工方案,嚴格控制最大單段藥量及深度。

4 爆破設計

4.1 邊坡預裂爆破設計

根據地形地貌條件、地層巖性、結構構造、節理裂隙產狀與坡向的關系、風化和破碎程度等條件,丘陵斜坡未見崩塌、滑坡等不良地質災害,天然邊坡穩定性較好,具備采用深孔預裂爆破開挖邊坡的條件[4]。

邊坡分Ⅴ級,其中Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級邊坡垂直高度均為10 m,邊坡角度分別為73.3°、73.3°、63.4°,Ⅳ級、Ⅴ級邊坡坡度均為53.1°。

炮孔采用軸向空氣間隔裝藥,徑向間隙裝藥,竹片綁扎,導爆索起爆。

主要爆破參數見表1(以Ⅰ級邊坡為例)。

表1 主要爆破參數

裝藥結構包含3 個方面:孔口堵塞方法、長度,線裝藥密度,孔底加強裝藥。 孔口用黃泥封堵藥包,堵塞長度為3.0 ～3.5 m,在堵塞過程中,力求做到不過緊,使藥卷保持在孔中央的位置,孔底50 cm 為加強裝藥段,其余段為一條?32 mm 乳化炸藥藥卷捆綁在竹片上,靠孔口堵塞段1 ～2 m 為減弱裝藥,僅用一條?32 mm 乳化炸藥藥卷捆綁。

起爆網路采用分段起爆,每4 個孔為一段。 在同一時間段內采用導爆索起爆,各段之間用MS-5段導爆管雷管引爆。

4.2 淺孔控制爆破設計

對于開挖深度小于5 m、無法滿足深孔爆破的區域及山體距建筑物較近的區域采用淺孔松動爆破與機械破碎相結合的方法進行開挖作業,控制爆破效應。

布孔形式采用單孔或梅花形;裝藥結構為連續裝藥;爆破深度在3 ～5 m 區域采用直徑為90 mm的潛孔鉆機鉆孔,3 m 以下區域采用直徑為38 mm手風鉆鉆孔。

淺孔控制爆破的主要爆破參數見表2。

表2 淺孔控制爆破的爆破參數

4.3 深孔控制爆破設計

對于開挖深度大于5 m 區域采用深孔松動控制爆破方法實施爆破開挖。

布孔形式為梅花形或矩形布置;裝藥結構為孔底空氣間隔裝藥及徑向間隙裝藥;鉆孔采用直徑為90 mm 的淺孔鉆機鉆孔。

深孔控制爆破的主要爆破參數見表3。

表3 深孔臺階爆破的爆破參數

裝藥結構為連續性裝藥結構及空氣間隔裝藥結構,如圖2 所示。

圖2 裝藥結構示意圖

4.4 起爆網路及起爆順序

1)起爆時間

決定微差爆破振動強度的主要參數是分段裝藥量和延遲間隔時間[5],確定合理的微差爆破間隔時間對改善爆破效果與降低地震效應具有重要作用。

微差間隔時間存在最佳值,選擇毫秒導爆管雷管,網路延時為75 ～380 ms[6]。

2)起爆網路

采用孔外延期爆破。 孔內全部裝MS-10 段導爆管雷管,孔間用MS-5 段雷管接力傳爆,排間用MS-6 段雷管接力傳爆。 為確保爆破安全可靠,深孔裝2 發毫秒導爆管雷管,爆破網路如圖3 所示。

圖3 主爆炮孔爆破網路及起爆順序

預裂爆破起爆網路采用分段起爆,每4 個孔為一段。 在同一時間段內采用導爆索起爆,各段之間用MS-3 段毫秒導爆管雷管接力引爆[7-8]。 爆破網路如圖4、圖5 所示。

圖4 預裂爆破與光面爆破網路

圖5 預裂孔與主爆炮孔一次起爆爆破網路

3)爆破規模

采用分區控制爆破規模。 距離廠房和辦公樓20 ～30 m 的爆破區域,每次爆破1 ～2 排炮孔,總炮孔數不超過30 個,爆破總藥量不超過350 kg;30 ～40 m 爆破區域,每次爆破不超過3 排炮孔,總炮孔數不超過60 個,爆破總藥量不超過700 kg;其他爆破區域,每次爆破不超過4 排炮孔,總炮孔數不超過150 個,爆破總藥量不超過2 000 kg。 淺孔爆破,每次爆破總藥量不超過200 kg[9]。

5 爆破安全防護

由于爆破作業的周邊環境極其復雜,公司必須連續運營,高速路不能封閉,所以必須杜絕爆破飛石。

對爆破過程攝像分析,修正爆破參數。 采用攝錄機對爆破過程進行拍攝分析,通過沙袋、炮被運動軌跡,分析發生飛石的可能性。 通過選擇合理的爆破作用指數、提高堵塞質量、不耦合裝藥、空氣間隔裝藥、孔口覆蓋沙袋、膠質炮被和高強度網覆蓋等措施控制飛石產生;設置保留巖體,阻擋爆區側向飛石;炮口堵沙袋,并用炮被覆蓋,以控制爆破飛石[10-12]。

爆源至廠房、辦公樓、虹三線縣道、中心控制室設備、S26 諸永高速路基、后江隧道的最近距離分別為20、27、68、69、103、215 m。 根據被保護物的爆破振動控制閾值計算出其距爆破點不同距離時的允許最大單段藥量[13],見表4。因為高速公路路基、縣道及后江隧道與爆破區的距離遠大于辦公樓,而爆破振動控制值相同,因此,表4 不再列出其允許最大單段藥量。

表4 被保護物在不同距離時的允許最大單段藥量

由表4 可知:

1)距廠房30 m 以內區域最大單段藥量控制在12 kg 可以保證被保護物的安全;距廠房30 ～40 m以內區域最大單段藥量控制在39.8 kg 可以保證被保護物的安全;

2)距辦公樓30 m 以內區域最大單段藥量控制在12 kg,30 ～40 m 以內區域最大單段藥量控制在24.6 kg 可以保證被保護物的安全;

3)其他區域最大單段藥量控制在40 kg 可以保證被保護物的安全。

6 結語

1)爆破作業工程量較大,并且爆破環境極其復雜,采用控制爆破技術解決了山體開挖工期緊張的問題。

2)采用弱松動爆破技術方案,不耦合裝藥、空氣間隔裝藥,同時優化最大單段藥量,滿足了被保護物的爆破振動控制閾值;通過對炮孔口壓沙袋和覆蓋膠質炮被,控制了飛石的產生,保證了公司的正常生產運營及高速路、縣道的正常通車,實現了工程爆破作業的安全目標。