城區基坑深孔控制爆破開挖

尹江健,鄭卓淵,周俊珍

(國防科技大學指揮軍官基礎教育學院, 湖南長沙 410072)

城區基坑深孔控制爆破開挖

尹江健,鄭卓淵,周俊珍

(國防科技大學指揮軍官基礎教育學院, 湖南長沙 410072)

某城區基坑采用深孔預裂爆破進行邊坡輪廓線爆破、V型掏槽開設臨空面、臺階爆破法進行基坑開挖的施工實踐,對深孔松動微差控制爆破技術的爆破參數、起爆間隔時間、裝藥結構、非電微差起爆網絡和安全防護措施等進行了設計和計算。

深孔松動爆破;微差爆破;爆破安全;預裂爆破;基坑開挖

1 工程概況

某基坑工程爆破開挖長 120 m,寬 85 m,深 9 m,邊坡坡度為 1∶0.25,爆破總方量約 97572 m3,其縱斷面和橫斷面如圖1、圖2所示。

圖1 基坑縱斷面

圖2 基坑橫斷面

該地段位于城區人口密集地帶,周圍環境復雜,基坑東側為高 70 m、坡度小于 30°的山丘;南側距八層框架結構樓房 45 m;西側距南北走向的主干道 10 m,距四層框架結構樓房 60 m,距五層磚混樓房 60 m;西北側距六層框架樓房 85 m;北側距四層框架結構樓房 38 m,距東西走向公路約 55 m,其環境具體情況如圖3所示。本地段開挖層無地下水,僅有少量地表水和裂隙水;植被和覆蓋層已清除,巖性為泥質砂巖,f=4～8,弱風化,層理、節理裂隙不發育。

圖3 爆破基坑周圍環境

該工程采用控制爆破法進行開挖,要求基坑邊坡須保證平整和穩定,半孔痕跡率不小于 50%;基坑底部不得欠挖,超挖不得超過 1 m;巖塊最大邊長不得大于 50 cm。

2 爆破技術方案設計

2.1 總體方案設計

考慮到周圍建筑物的安全,對邊坡和周邊巖體的保護,降低爆破振動、沖擊波和飛石的影響,適應機械裝運巖渣等要求,本工程的總體方案為:設置 2個作業區,從中間分別向南北兩端推進,南、北端作業區各寬 85 m,長 60 m;邊坡采用預裂爆破技術一次成型;V型掏槽爆破開設自由面;深孔臺階爆破開挖,第一層臺階高度為 5 m,第二層臺階高度為 4 m;嚴格控制單孔藥量,采用非電導爆管雷管多段微差的起爆方式,以控制單段起爆藥量。

2.2 深孔爆破技術參數設計

2.2.1 邊坡預裂爆破設計

邊坡采用預裂爆破,在主炮孔起爆前先行爆破,裝藥結構采用間隔線性非耦合裝藥。開孔位置在邊坡線上,孔徑 80 mm,傾斜角度與邊坡設計要求一致。

(1)孔徑 D與孔距 a。根據現有裝備及工程需要選用D=80 mm的孔徑;采用經驗公式 a=ED計算,取孔間距系數 E=12,則 a=0.96 m。同時,在打孔時嚴格按照 1∶0.25的坡度比來打孔。

(2)平均線裝藥密度 QL。根據葛洲壩工程局和長江科學院提出的公式,分別計算出 QL=0.367σ0.5D0.86=374 g/m和 QL=0.03359a0.63α0.67=377 g/m。通過對比,取 QL=375 g/m。

(3)超深 h及孔深 L。根據工程地質情況,為克服底部巖石的夾制作用,取 h=1 m。孔深計算公式為:

式中:L為孔深,m;θ為預裂孔傾角,°;H為開挖層高,m;h為超深,m。

則L=10.28 m。

(4)不耦合系數ξ。邊坡預裂爆破炮孔直徑 D為 80 mm,藥卷直徑 d為 32 mm,則 ξ=D/d=80/32=2.5,符合合理取值范圍。

(5)頂部裝藥量 Q預頂。為保證基巖保留區地表巖石的完整性,預裂孔頂部 1 m長的裝藥量應相應減少,頂部線裝藥密度計算公式為:

式中:QL2為頂部線裝藥密度,g/m;QL為平均線裝藥密度,g/m。

本工程巖石整體性較好,裂隙不發育,所以取:QL2=0.6QL=225 g/m。裝藥長度 1 m,則需總藥量:Q預頂=225 g。

(6)底部裝藥量 Q預底。為了克服炮孔底部巖石的夾制作用,使開挖巖體與保留巖體分離開來,確保預裂縫到底,預裂孔底部裝藥量應適當增大。炸藥增量應均勻分布在孔底 0.5～2 m的長度上。根據實踐經驗,在 8～14 m的深孔中,當巖石較破碎時(普氏堅固性系數 f＜8),裝藥量增加 2倍。所以QL1=2QL=750 g/m。由于本工程預裂孔較深,則取底部加強裝藥量在 0.8 m的范圍內,則需底部裝藥量為:Q預底=600 g。

(7)中部裝藥量 Q預中。中間部分長度為10.28-1-0.8-0.88=7.6 m。炸藥按平均線密度375 g/m布置,則中部裝藥量為:Q預中=7.6×0.375=2.85 kg。

綜上所述,單孔總裝藥量為:Q預總=0.225+0.6+2.85=3.675 kg。

(8)填塞長度及填塞方式。此工程巖石較完整,孔口填塞長度取為 0.88 m。填塞方式用泥土填入孔內,稍加搗實即可。

(9)裝藥結構。在與孔深長度相適合的竹片上標定裝藥的位置,然后在竹片上依照標定的位置采用麻繩將藥卷及導爆索固定在竹片上,并使導爆索貫穿整個裝藥卷,再使導爆管雷管連接導爆索。

2.2.2 掏槽爆破設計

由于在起始開挖段只有 1個向上的臨空面,則在基坑中段斷面采用小規模、強覆蓋防護、深孔 V型掏槽形式的爆破,沿基坑南北方向,形成側向臨空面,從而對后續爆破的實施提供有利的條件。由于環境條件限制,爆破開挖采用臺階爆破,所以 V型掏槽爆破也分兩層爆破,各層爆破深度隨臺階爆破深度而定。

(1)掏槽孔參數。根據類似工程經驗,選取 80 mm孔徑。按經驗公式,最小抵抗線 W=則 W=31D=2.48 m,取 W=2.5 m。孔距 a和排距 b經驗公式為:a=mW,b=(0.5～1)W,式中:m為炮孔密集系數,取為 1.2。則:a=3 m,b=2.5 m。超深計算公式為:取:L超=12.5D=1 m。孔深按公式 L=H/sinθ+h計算,則第一層掏槽孔 L=5/sin75°+1=6.17 m,第二層掏槽孔 L=4/sin75°+1=5.14 m。

根據巖石堅固系數、地質情況和周邊特殊環境,掏槽孔的炸藥單耗取 q=0.43 kg/m3。單孔藥量 Q計算經驗公式為:Q=qaWH,則第一層掏槽孔 Q=16.125 kg,第二層掏槽孔 Q=12.9 kg。

在臺階爆破中,裝藥長度 L1由下式確定:

式中:Q為單孔裝藥量,kg;d為裝藥直徑,m;ρ0為裝藥密度,kg/m3。裝藥直徑為 0.075 m,對于 2號巖石硝銨炸藥,可取ρ0=0.95 kg/m3,則第一層掏槽孔L1=3.84 m,第二層掏槽孔 L1=3.07 m。

填塞長度一般為炮孔直徑的 15～30倍,即1.2～2.4 m。由下式確定:L2=L-L1,式中:L2為炮孔填塞長度,L為炮孔深度,L1為裝藥長度。則第一層掏槽孔 L2=2.33 m,第二層掏槽孔 L2=2.07 m。

(2)炮孔布置和裝藥結構。為施工方便且根據孔深及藥卷長度,采用連續裝藥的形式。將裝藥固定在鐵絲上,并使導爆索貫穿整個裝藥,再使導爆管雷管連接導爆索。掏槽孔沿基坑中心線兩側布置排距為 2.5 m,傾斜角度為 75°。

2.2.3 基坑開挖爆破設計

掏槽爆破完成后,創造了側向臨空面,后續基坑開挖采用臺階爆破法,第一層爆破開挖 5 m,第二層爆破開挖 4 m。為方便起見,主爆孔爆破,采用垂直打孔。

(1)開挖爆破主爆孔參數。鉆孔孔徑 D同上選用 80 mm孔徑。由于第一次爆破形成的側向臨空面,在后續爆破打孔時,應考慮到鉆孔的安全距離,即通常要≥2.5 m。本工程取最小抵抗線 W=2.5 m。在露天臺階深孔爆破中,炮孔密集系數 m(m=a/W)通常大于 1.0,一般取 m=1.0～1.4。在本工程中取孔距 a=3 m,,排距 b=W=2.5 m。超深 L超=1 m。

孔深 L=H+L超,式中,L為開挖爆破深度,m;H為臺階高度,m;L超為超深,m。則第一層主爆孔L=6 m,第二層主爆孔 L=5 m。

掏槽爆破后形成了新的自由面,為開挖爆破降低了難度,裝藥量應適當減小,考慮到地質影響和環境條件,結合工程要求,炸藥單耗 q取 0.35 kg/m3。第一層主爆孔單孔藥量 Q=qaWH=13.125 kg,第二層主爆孔 Q=10.5 kg。裝藥直徑為 0.07 m,則第一層主爆孔裝藥長度 L1=4Q/3.14d2ρ0=3.6 m,第二層主爆孔裝藥長度 L1=2.9 m。填塞長度 L2=LL1,則第一層主爆孔填塞長度 L2=2.4 m,第二層主爆孔 L2=2.1 m。

(2)開挖爆破輔助孔參數。由于輔助孔的孔深均在 5 m以下,可考慮使用淺孔松散爆破,兩層開挖爆破輔助孔參數相同。鉆孔孔徑 D選用 60 mm。最小抵抗線W取 2.5 m。孔距 a和排距 b同主爆孔,取 a=3 m,b=2.5 m。

松散爆破時,按照微量裝藥計算,單孔藥量 Q=0.35AW3,式中:A為土石抗力系數,根據其地質情況取 A=1.10。則:Q=2.4 kg。輔助孔孔深 L為 4.5 m,裝藥長度 L1與單孔藥量、裝藥方式、孔深有關,一般L12/3L。取L1=2 m。為了避免產生沖炮,應使填塞長度 L2≥W,取 L2=2.5 m。

(3)裝藥結構。考慮孔深及藥卷長度,采用連續裝藥的結構形式,將裝藥固定在鐵絲上,并使導爆索貫穿整個裝藥,再使導爆管雷管連接導爆索。

(4)開挖爆破方法。為加快施工進度,充分合理利用資源,本工程采用單循環作業法。掏槽爆破完成后,分 2個作業區由中間向南北兩端同時作業。每個作業區分為 2個作業面,兩作業面同時起爆,每區每次爆破 2排。主爆孔和輔助孔的炮孔布置見圖4。

圖4 炮孔布置形式

3 起爆網路設計

對邊坡的預裂爆破采用分段微差起爆,對主爆區的起爆則采用孔內孔外延期分段微差起爆,提高爆破質量,確保爆破安全。

3.1 起爆方法及延時時間的確定

為確保施工安全,整個系統采用孔內使用導爆索引爆主裝藥,塑料導爆管進行延期依次引爆導爆索,起爆站用電雷管起爆。為使巖石充分破碎,大塊率降低,并有效控制爆破震動強度,減少對未爆巖體的破壞作用,本工程采用分段延時起爆、段間微差的起爆技術。

微差間隔時間根據公式:

式中:W0為底盤抵抗線,m;f為礦巖的普氏系數;k為巖石裂隙系數,對于中等裂隙巖石 k=0.75。

則:Δt=0.75×2.5×(24-8)=30 ms,考慮到現有爆破器材,本工程取Δt=25 ms。

3.2 起爆順序及起爆網絡設計

由于周圍環境復雜,必須控制一次起爆藥量,因此采用分段起爆。起爆網路的具體做法是:每孔采用 1發導爆管雷管,導爆管雷管連接孔內的導爆索從而引爆裝藥。爆破時按照工程進度要求,先進行預裂爆破,然后進行掏槽爆破,最后采用單循環作業法分區進行開挖爆破。每次爆破時,相鄰兩段數之間的間隔時間為 25 ms,為了避免在爆破過程中出現導爆管被沖斷而使某些炮孔不能起爆的事故,采取孔內孔外延期的措施。

4 結 論

本工程邊坡采用預裂爆破,使基坑邊線上形成一條貫穿的裂縫,有效地保護基坑邊坡的穩定,并有效降低爆破振動向基坑外側巖體的傳播。在基坑中段斷面,采用深孔 V型掏槽爆破,形成側向臨空面,從而對后續爆破的實施提供有利的條件。之后采用臺階法分兩層爆破開挖,分 2個作業區由中間向南北兩端同時作業。為加快施工進度,充分合理利用人力和機械資源,采用了單循環作業法作業,工程在1個月內安全、順利完成。

方案對地震波、飛石、沖擊波的安全距離進行了計算,通過嚴格控制單孔藥量,爆破時確保了人員和周圍建筑的安全,保證了山體的穩定,達到了設計要求。

[1] 張應力.工程爆破實用技術 [M].北京:冶金工業出版社,2005.

[2] GB 6722-2003.爆破安全規程[S].

2011-06-26)