高邊坡開(kāi)挖爆破技術(shù)及其對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響

【摘 要】國(guó)內(nèi)在建和待建的大型水利水電工程大多坐落在大西南高山峽谷地區(qū)，其特殊的地質(zhì)條件使得高邊坡的開(kāi)挖爆破技術(shù)研究和爆破對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響研究成為我國(guó)水電建設(shè)中的嶄新課題，本文主要對(duì)高邊坡開(kāi)挖爆破技術(shù)及其對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響進(jìn)行探討。

【關(guān)鍵詞】高邊坡；開(kāi)挖爆破技術(shù)；影響

1 高邊坡開(kāi)挖爆破技術(shù)現(xiàn)狀

在水利水電工程建設(shè)中，從爆破規(guī)模和速度上來(lái)說(shuō)，邊坡開(kāi)挖由最早的小規(guī)模、緩慢爆破，發(fā)展到了目前的大規(guī)模、高速開(kāi)挖爆破，從爆破工藝上來(lái)說(shuō)，經(jīng)歷了從簡(jiǎn)單手風(fēng)鉆爆破、藥壺爆破、洞室爆破、淺孔臺(tái)階爆破、深孔臺(tái)階爆破，洞室加預(yù)裂爆破，發(fā)展到目前的深孔臺(tái)階加預(yù)裂和光爆的組合爆破方法。邊坡開(kāi)挖爆破與邊坡本身的規(guī)模、地質(zhì)結(jié)構(gòu)和施工設(shè)備等有關(guān)，但對(duì)于大規(guī)模的特高邊坡，深孔臺(tái)階加預(yù)裂和光爆的組合爆破方法已經(jīng)是目前普遍采用的開(kāi)挖方式。但細(xì)部的完善還有許多工作要做。

保留邊坡巖體穩(wěn)定性一直是巖土工程建設(shè)中的重要問(wèn)題，光面、預(yù)裂爆破是常用的保護(hù)基巖穩(wěn)定、減少基巖破壞的方法。兩者的爆破效果具有一定的相似性，但爆破作用的原理具有相當(dāng)?shù)牟町悾壳埃谒娤到y(tǒng)的開(kāi)挖爆破中，對(duì)于寬臺(tái)階爆破，一般采用預(yù)裂：對(duì)于窄臺(tái)階爆破，一般采取光爆，但由于對(duì)不同條件下的光面、預(yù)裂爆破成縫理論和實(shí)踐缺乏深入的研究， 對(duì)兩者的使用也缺乏嚴(yán)格的界定。隨著我國(guó)水利水電項(xiàng)目建設(shè)的重心逐步轉(zhuǎn)向西部，許多大型水利水電工程均坐落在大西南的高山峽谷地區(qū)，這些地區(qū)的邊坡一般高而陡，地勢(shì)險(xiǎn)峻，地質(zhì)條件差，開(kāi)挖技術(shù)要求高。因此需要研究復(fù)雜地質(zhì)條件下高邊坡臺(tái)階爆破及光面、預(yù)裂爆破設(shè)計(jì)理論，爆破邊坡質(zhì)量控制技術(shù)及安全標(biāo)準(zhǔn)。由于地形、地質(zhì)條件等因素的影響，高邊坡開(kāi)挖布置困難，支護(hù)和開(kāi)挖之間相互干擾。為了避免干擾，提高機(jī)械的使用效率，只有增大爆破規(guī)模，只有采用深孔大區(qū)微差爆破技術(shù)。另外，隨著開(kāi)挖臺(tái)階的不斷下降，邊坡越來(lái)越高陡。在這種開(kāi)挖爆破規(guī)模大，且邊坡高陡、地質(zhì)條件差的情況下，爆破振動(dòng)對(duì)于高陡邊坡的動(dòng)力穩(wěn)定性影響問(wèn)題日益突出。

2 高邊坡開(kāi)挖技術(shù)

2.1 集中藥室洞室爆破

受到施工條件和鉆孔機(jī)具限制，只能采用對(duì)施工機(jī)具和施工條件要求不高的小洞室爆破。該方法是通過(guò)開(kāi)挖導(dǎo)洞到山坡的坡體內(nèi)，在坡體內(nèi)開(kāi)挖立方體或球形藥室，裝藥實(shí)施爆破的一種爆破方法。該方法藥室比較集中，單個(gè)洞室的一次裝藥量比較大，對(duì)保留巖體的影響也較大。且開(kāi)挖形成的邊坡坡面質(zhì)量比較差，邊坡的穩(wěn)定性也很差。

2.2 條形藥室洞室爆破

與集中藥室相比，本方法的炸藥分布在條形藥室中，炸藥相對(duì)分散，單孔或單個(gè)洞室的一次裝藥量有所下降。

2.3 藥壺爆破

藥壺爆破法在六七十年代的邊坡開(kāi)挖廣為采用，相對(duì)于洞室爆破來(lái)說(shuō)藥壺爆破法是一個(gè)巨大的進(jìn)步。該方法先鉆深孔，再進(jìn)行孔底擴(kuò)孔，在炮孔底部形成一個(gè)比較大空腔，在空腔內(nèi)裝藥實(shí)施爆破。這種方法本質(zhì)上與洞室爆破是一樣的，都屬于集中藥包爆破，只不過(guò)藥包變得比較小而已。

2.4 深孔臺(tái)階爆破法

到上個(gè)世紀(jì)八十年代末期，隨著鉆孔機(jī)具的進(jìn)步，深孔鉆進(jìn)的速度大大提高，深孔臺(tái)階爆破開(kāi)始成為邊坡開(kāi)挖的主要手段。通過(guò)選擇不同的臺(tái)階高度，自上而下分層開(kāi)挖，每層均是多排多孔爆破，效率和質(zhì)量大為提高。

3 影響預(yù)裂爆破的主要因素

3.1 爆破參數(shù)的影響

在預(yù)裂爆破中，最重要的參數(shù)是孔徑和孔距，孔距一般取孔徑的8—12倍。這在比較堅(jiān)硬、結(jié)構(gòu)完整的巖體中是可行的，但對(duì)于節(jié)理裂隙比較發(fā)育的巖體，預(yù)裂效果不夠理想。除了孔徑和孔距外，還與線裝藥密度、裝藥量和裝藥結(jié)構(gòu)有關(guān)。這是因?yàn)樾纬赏暾A(yù)裂面的關(guān)鍵在于預(yù)裂縫的貫通并具有足夠的寬度，炸藥和裝藥結(jié)構(gòu)決定了孔內(nèi)爆壓的大小和分布，從而決定了預(yù)裂縫能否貫通以及預(yù)裂面的平整度好壞。預(yù)裂爆破時(shí)孔內(nèi)爆壓大于巖石動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度時(shí)出現(xiàn)裂隙，其中主裂隙的迅速貫通有利于預(yù)裂面的形成，這就要求有合適的藥量和裝藥結(jié)構(gòu)，藥量太小，不利于主裂隙的形成；藥量太大，除主裂隙以外的次生裂隙增多，都不能保證預(yù)裂縫的質(zhì)量。炸藥品種也會(huì)對(duì)預(yù)裂質(zhì)量產(chǎn)生影響，預(yù)裂爆破時(shí)，理想的情況是爆炸沖擊波作用于孔壁的徑向壓力低于巖石的極限抗壓強(qiáng)度，而切向拉伸應(yīng)力大于巖石的抗拉強(qiáng)度。在一般情況下，炸藥爆炸時(shí)藥包表面的沖擊波壓力峰值，可達(dá)數(shù)萬(wàn)兆帕，這個(gè)數(shù)值已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了巖石的抗壓強(qiáng)度，因此為了減輕作用于巖壁上的壓力，不宜采用高猛度高爆速炸藥，同時(shí)不耦合系數(shù)要大。

3.2 施工質(zhì)量的影響

預(yù)裂爆破的成功與否，不僅取決于合適的爆破參數(shù)和地質(zhì)結(jié)構(gòu)，而且施工也極為重要。尤其是鉆孔質(zhì)量，鉆孔偏差太大，對(duì)預(yù)裂質(zhì)量的影響是致命的。例如在預(yù)裂爆破中，如果在平行于邊坡面方向有誤差會(huì)使炮孔負(fù)擔(dān)面積不均勻，如果在垂直于邊坡方向有誤差則不利于預(yù)裂縫的形成，這些不僅會(huì)影響邊坡預(yù)裂面的成形，還會(huì)造成嚴(yán)重的超挖和欠挖現(xiàn)象。為了使爆區(qū)形狀規(guī)整而且符合要求，就必須保證鉆孔精度。

4 開(kāi)挖爆破技術(shù)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響

爆破都會(huì)對(duì)邊坡穩(wěn)定造成不利影響，其影響主要體現(xiàn)在爆破振動(dòng)，爆破振動(dòng)可能造成邊坡長(zhǎng)期失穩(wěn)，要研究開(kāi)挖爆破對(duì)邊坡的影響程度，評(píng)估邊坡的穩(wěn)定性，尋找爆破震害控制措施。

4.1 影響高邊坡爆破振動(dòng)速度的主要因素

4.1.1 爆破參數(shù)

在給定爆心距的條件下，影響高邊坡爆破振動(dòng)速度的控制性因素為最大單響藥量。當(dāng)爆破單響藥量不變條件下，當(dāng)炮孔直徑不變而藥卷直徑增加時(shí)，各個(gè)方向上質(zhì)點(diǎn)的峰值振速普遍增加：在距離爆源10m以內(nèi)范圍此現(xiàn)象尤其明顯。可見(jiàn)，裝藥不耦合系數(shù)對(duì)爆破振動(dòng)峰值振速有顯著影響，不耦合系數(shù)越小，質(zhì)點(diǎn)峰值振速越大。

4.1.2 邊坡的坡度

針對(duì)1276—1262高程梯段爆破，分別建立邊坡坡度分別為1：0.0、1：0.25和1：0.6的三種坡度的模擬結(jié)果表明：邊坡開(kāi)挖輪廓面上，開(kāi)挖邊坡越陡，開(kāi)挖部位上部各馬道同一部位的峰值振動(dòng)速度越大，峰值應(yīng)力越大。

4.2 爆破振動(dòng)的控制措施

4.2.1 爆源的控制

爆源決定了爆破振動(dòng)產(chǎn)生的大小，對(duì)爆源的控制主要是要提高爆破能量用于破碎巖石的比例，減小產(chǎn)生爆破振動(dòng)的能量比例，主要的措施是加強(qiáng)對(duì)臨空面的處理，臨空面必須處理整齊，避免壓渣和擠壓爆破。在起爆時(shí)差設(shè)計(jì)上，要盡量減孔內(nèi)雷管的段別，增大排間時(shí)差，提高起爆段位之間的精度。根據(jù)爆區(qū)的其體情況優(yōu)化爆破參數(shù)。在這里，我們認(rèn)為，采用高精度的起爆系統(tǒng)對(duì)于降低振動(dòng)是有顯著作用的，尤其是排間9ms的起爆段別，既可以避開(kāi)段差小于8ms視為重段的理論，也可以使段差產(chǎn)生的頻率為爆破主振頻率的1/2，從理論上講有波峰和波谷疊加以降低振動(dòng)的功效。

4.2.2 傳播途徑的控制

在振動(dòng)的傳播過(guò)程中，如果遇到裂縫或者斷層等地質(zhì)弱面，對(duì)振動(dòng)有明顯的衰減作用。因此形成人工弱面對(duì)于減震有很好的作用。因此需要加強(qiáng)預(yù)裂爆破的作用，充分利用預(yù)裂面的減震作用。從研究的情況來(lái)看，預(yù)裂爆破超前相鄰的主爆孔100ms即可滿足要求，但本章的計(jì)算結(jié)果也表明，預(yù)裂縫的寬度對(duì)振動(dòng)的衰減有很大影響，因此應(yīng)盡量給予預(yù)裂爆破足夠的形成預(yù)裂縫的時(shí)間，使預(yù)裂縫達(dá)到足夠的寬度。因此預(yù)裂孔的起爆時(shí)間應(yīng)大于100ms，在保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)安全的情況下，盡可能大些。設(shè)置減震孔也是切斷傳播途徑的有效方式。

總之，在高陡邊坡的開(kāi)挖爆破的過(guò)程中，我們一定要選擇最適當(dāng)?shù)亻_(kāi)挖爆破技術(shù)，盡量避免高邊坡開(kāi)挖技術(shù)對(duì)邊坡穩(wěn)定性造成不利影響。

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