大型弧形高邊坡預裂爆破設計與施工技術

王永虎，李雷斌，金沐，肖濤

1.中國石油集團工程設計有限責任公司華北分公司，河北任丘062550

2.中鐵港航局集團有限公司，廣東廣州510660

大型弧形高邊坡預裂爆破設計與施工技術

王永虎1，李雷斌2，金沐2，肖濤2

1.中國石油集團工程設計有限責任公司華北分公司，河北任丘062550

2.中鐵港航局集團有限公司，廣東廣州510660

以舟山國家石油儲備基地擴建項目為載體，介紹了高邊坡預裂爆破的設計與施工方法。場區(qū)建設涉及山體高邊坡開挖。該山體為中風化～微風化凝灰?guī)r，為保證弧形高邊坡開挖成型，且最大程度減小爆破對預留高邊坡的破壞，確保后期庫區(qū)運營安全，設計采用深孔大孔徑進行預裂爆破施工，對爆破參數(shù)、預裂孔的鉆孔技術、不耦合裝藥方法、爆破振動控制等進行了優(yōu)化。從實際效果來看，深孔大孔徑預裂爆破不僅保證了弧形高邊坡的成型，確保管道隧道在安全允許振動范圍內(nèi)，而且經(jīng)濟實用、大大節(jié)約了工期，對類似工程有一定的參考價值。

弧形邊坡；深孔；大孔徑；預裂爆破

預裂爆破是在保護預留邊坡的控制爆破中最為常用的一種方式，它在減少爆破對預留邊坡巖體的破壞，保持邊坡的穩(wěn)定性方面起著至關重要的作用[1]。本文以舟山國家石油儲備基地擴建項目的弧形高邊坡為工程載體，介紹了深孔大孔徑預裂爆破的參數(shù)設計與施工方法。

1　工程概況

舟山國家石油儲備基地擴建項目位于浙江省舟山市定海區(qū)臨城街道岙山島，設計存儲量300萬m3，布置10萬m3儲油罐30個。油庫基地東南側(cè)為中風化～微風化凝灰?guī)r組成的低丘陵地貌，場區(qū)建設涉及山體高邊坡開挖。高邊坡設計為弧形邊坡，最大開挖高度127 m，坡腳高度8 m，坡腳長752 m，自下而上共分9級放坡，每級臺階寬度3 m、高度12～15 m、坡度45°～53°，設計參數(shù)如表1所示，設計坡面面積75 320 m2。坡腳為通行路、罐區(qū)，邊坡安全設計等級為一級。

新建管道隧道貫穿山體，入口在第1級邊坡約中部位置，見圖1。邊坡爆破時應控制爆破振動對管道隧道的影響。

表1　邊坡開挖設計參數(shù)

圖1　邊坡設計平面

2　爆破方案選擇

小孔徑預裂爆破雖然能有效控制飛石，減少邊坡超挖或欠挖，但仍存在施工時間太長、不經(jīng)濟的問題，且對于較深的預裂孔不能保證鉆孔角度[2]。考慮本工程工期緊，為保證弧形高邊坡開挖成型，且最大程度減小爆破對預留高邊坡的破壞，確保后期庫區(qū)運營安全，結合現(xiàn)場實際情況，采用深孔大孔徑進行預裂爆破設計與施工。

3　爆破器材及施工機具選擇

爆破器材及施工機具根據(jù)現(xiàn)場實際情況進行選擇[3]。

（1）主炮孔和緩沖孔均選用2#巖石乳化炸藥（φ90 mm），塑料導爆管非電毫秒雷管；預裂孔使用2#巖石乳化炸藥（φ32 mm），普通導爆索起爆。

（2）主炮孔、緩沖孔及預裂孔等采用φ115 mm鉆頭的履帶式潛孔鉆機鉆孔。

4　爆破參數(shù)設計

本工程弧形高邊坡共9個臺階，每級邊坡設計參數(shù)不同，為方便定量化計算爆破參數(shù)，本文以管道隧道入口處第1級邊坡為例進行分析。該處邊坡設計參數(shù)為：坡比1∶0.75，臺階高度15 m，坡頂圓弧半徑105.65 m，坡腳圓弧半徑116.90 m，見圖2。

圖2　管道隧道入口處第1級邊坡設計參數(shù)

4.1主炮孔

主炮孔采用中深孔控制爆破，其爆破參數(shù)如表2所示。

4.2預裂孔

預裂爆破初步設計參數(shù)根據(jù)表3進行選取。

管道隧道入口處第1級邊坡傾角為53.1°，臺階高度15 m，鉆孔直徑115 mm，預裂爆破參數(shù)計算采用公式（1）～（8）：

式中：S為坡頂孔距，m；D為預裂孔直徑，m。本次設計取S=1.5 m。

表2　中深孔爆破參數(shù)

表3　預裂爆破初步設計參數(shù)

式中：S′為坡腳孔距，m；R′為坡腳圓弧半徑，m；R為坡頂圓弧半徑，m。本次設計取S′=116.9/ 105.65×1.5=1.66（m）。

式中：B為最小抵抗線（當預裂孔與緩沖孔的孔徑相同時，預裂孔到緩沖孔的最小抵抗線），m，本次設計取B=1.5×1.5=2.25（m），取值2.3 m。

式中：lex為線裝藥密度，kg/m，本次設計取lex=152/ 12 100=1.09（kg/m）。

式中：h為傾斜孔超深，m，本次設計取h=0.3× 2.3=0.69 m，取值0.7 m。

式中：L為預裂孔深度，m；H為臺階高度，m；α為邊坡傾角，（°）。本次設計取L=15/sin53.1°+ 0.7=19.45（m），取值19.5 m。

由于不允許有飛石，所以堵塞長度按公式（7）計算：

式中：l0為堵塞長度，m，本次設計取l0=2.3 m。

式中：Q為預裂孔單孔裝藥量，kg，本次設計取Q=（19.5-2.3+1）×1.09=19.84（kg）。

4.3緩沖孔

緩沖孔是用來降低主炮孔對預留邊坡的爆破危害，同時為了降低大塊率，達到更好的爆破效果，而在最后一排主炮孔與預裂孔之間布置的炮孔。根據(jù)主炮孔與預裂孔之間的距離，本次設計布置了2排垂直緩沖孔。

當主炮孔與緩沖孔的孔徑相同時，緩沖孔的排距b和孔距a分別為主炮孔排距和孔距的70%～80%，具體參數(shù)如下：排距b=0.8×3.8=3.0（m），孔距a=0.8×5.2=4.2（m），其余參數(shù)按照中深孔爆破參數(shù)相關計算公式計算。

4.4布孔方式

主炮孔、緩沖孔采用梅花形布孔，預裂孔沿坡頂圓弧布置，見圖3。

圖3　鉆孔布置平面

4.5裝藥結構

（1）主炮孔。連續(xù)裝藥結構，底部耦合裝藥，柱狀部分不耦合裝藥（不耦合系數(shù)1.28）。

（2）緩沖孔。連續(xù)裝藥結構，第1排緩沖孔（靠近最后一排主炮孔）采用柱狀不耦合裝藥結構（不耦合系數(shù)1.28）；第2排緩沖孔（靠近預裂孔）采用底部耦合裝藥結構。

（3）預裂孔。采用不耦合空氣間隔裝藥結構。

所有炮孔均堵塞，主炮孔、緩沖孔及預裂孔的裝藥結構，見圖4。

圖4　主炮孔、緩沖孔及預裂孔裝藥結構示意

4.6起爆網(wǎng)路

（1）主炮孔、緩沖孔。本工程爆破主炮孔及緩沖孔采用的起爆網(wǎng)路是塑料導爆管非電毫秒雷管起爆系統(tǒng)，孔外延期的接力式起爆網(wǎng)路，單孔單響可有效降低爆破振動有害效應對新建管道隧道的影響（或根據(jù)最大單響藥量控制多孔同時起爆），圖5為逐孔接力式起爆網(wǎng)路。

圖5　逐孔接力式起爆網(wǎng)路

（2）預裂孔。預裂孔內(nèi)采用導爆索串聯(lián)，所有預裂孔均同時起爆或根據(jù)最大單響藥量控制分組起爆（每組約5～10個預裂孔），分組起爆時間間隔約25 ms。導爆索主線與主炮孔的最初傳爆雷管連接，見圖5[5]。

4.7爆破振動控制

本工程新建管道隧道與山體邊坡爆破同時施工，由于隧道入口在第1級邊坡正下方，隧道貫通需等待第1級邊坡開挖完成之后，才能由隧道出口向入口方向進行爆破貫通，同時考慮山體邊坡對管道隧道的爆破振動影響，隧道預留36 m（12個進尺）。

根據(jù)本工程前期多次爆破測得的振動數(shù)據(jù)及相關爆破參數(shù)，線性回歸得到以下3個振動速度公式：

式中：vx、vy、vz分別為保護對象所在地質(zhì)點在水平徑向、豎直向、水平切向振動安全允許速度，cm/s；Qx、Qy、Qz分別為水平徑向、豎直向、水平切向的炸藥量，延時爆破為最大一段藥量，kg；R為爆源至保護對象的距離，m。

對于交通隧道，GB6722-2014《爆破安全規(guī)程》規(guī)定：安全允許速度12～15cm/s，取最小值12.0cm/s，根據(jù)公式（9）、（10）、（11）分別計算同時起爆炸藥量，則Qx=305.82 kg，Qy=222.92 kg，Qz= 141.04 kg。

根據(jù)計算結果，取141.04 kg作為同時起爆炸藥量，來控制山體邊坡爆破振動對管道隧道的影響。

因此，主炮孔和緩沖孔采用逐孔接力式起爆網(wǎng)路，單孔最大裝藥量為93.32 kg＜141.04 kg；預裂孔每孔裝藥量為19.84 kg，按每組不多于7個預裂孔分組起爆，可確保山體邊坡爆破時管道隧道在安全允許振動范圍內(nèi)。

5　預裂爆破施工及效果分析

預裂爆破效果的好壞很大程度上取決于預裂孔的方向、角度和深度。施工前，用中海達GPS V30的圓弧放樣功能準確測出設計邊坡線和預裂孔的位置，然后距離預裂孔2 m左右再進行圓弧放樣，以便于預裂孔的定位，此時應注意兩次放樣時坡頂孔距與坡腳孔距的區(qū)別，避免定向錯誤。預裂孔的角度應與設計邊坡坡度一致，鉆孔過程中用坡度尺進行校正。預裂孔鉆孔作業(yè)如圖6所示。

實際效果如圖7所示，采用深孔大孔徑預裂爆破，爆破效果達到了預期目的，沒有出現(xiàn)欠挖及超挖現(xiàn)象，不僅保證了弧形高邊坡的成型，增加了預留邊坡的穩(wěn)定性，降低了山體邊坡爆破振動對管道隧道的影響，而且能使裝載、運輸和機械破碎等后續(xù)工序發(fā)揮高效率，節(jié)約了工期，也降低了工程的總成本。

圖6　預裂孔鉆孔

圖7　預裂爆破局部效果

6　結論

（1）本工程采用深孔大孔徑預裂爆破方案，嚴格控制了超挖欠挖，不僅保證了弧形高邊坡的成型，還增加了預留邊坡的穩(wěn)定性。

（2）主炮孔和緩沖孔采用逐孔接力式起爆網(wǎng)路，預裂爆破按每組不多于7個預裂孔分組起爆（分組起爆時間間隔25 ms），嚴格控制同時起爆炸藥量，確保山體邊坡爆破時管道隧道處于安全允許振動范圍內(nèi)。

（3）深孔大孔徑預裂爆破輔助緩沖孔，有效解決了大塊率問題，同時降低了單位炸藥消耗量，提高了經(jīng)濟效益，還能使裝載、運輸和機械破碎等后續(xù)工序發(fā)揮高效率，節(jié)約了工期。

[1]汪旭光.爆破設計與施工[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2013：247-262.

[2]丁率.高邊坡深孔預裂爆破施工技術[J].福建建材，2010（5）：88-89.

[3]WYLLIE C D，MAH W C.Rock Slope Engineering：4 th Edition [M].New York：Spon Press，2004：253-261.

[4]楊年華.爆破振動理論與測控技術[M].北京：中國鐵道出版社，2014：148-149.

[5]READ J，STACEY P.Guidelines for Open Pit Slope Design[M]. Australia：CSIRO Publishing，2009：276-310.

[6]吳亮，金沐，李雷斌，等.露天礦邊坡爆破對既有隧道的影響分析[J].金屬礦山，2015（5）：8-9.

Design and Construction Technology of Presplit Blasting for L arge Arc-shaped High Slope

WANG Yonghu1，LILeibin2，JIN Mu2，XIAO Tao2
1.CPE North China Company，Renqiu 062550，China
2.China Railway Port ChannelEngineering Co.，Ltd.，Guangzhou 510660，China

This paper introduces the design and construction method of presplit blasting for high slope in Zhoushan national oil reserve base expansion project，where rock exavation in high slope area is needed for site construction.The rock is weathering to breeze tuff.In order to form arc-shaped slope，minimize blasting damage to the reserved high slope and ensure the safety of the later oil depots operation，the method of large-diameter deep borehole presplit blasting is adopted in the design and construction，which optimizes the blasting parameters，presplit blasting drilling technique，decouple charge method and blasting vibration control.From the point of practical effect，the method of large-diameter deep borehole presplit blasting not only ensures to form the arc-shaped high slope and enable the pipeline tunnel vibration in safe range，but also is economical and greatly saves the construction duration.It has the certain reference value to the similar projects.

arc-shaped slope；deep hole；large diameter of borehole；presplit blasting

10.3969/j.issn.1001-2206.2016.05.010

王永虎（1982-），男，河北邢臺人，工程師，2008年畢業(yè)于武漢理工大學結構工程專業(yè)，碩士，現(xiàn)從事石油工程項目管理方面的工作。Email：181871785@qq.com

2016-03-31