探索石方爆破技術在復雜地質土方開挖工程中的應用

葉強 楊博

中國建筑第二工程局有限公司華南分公司 廣東 深圳 518045

引言

以深圳某項目土方開挖階段為例，探索石方爆破技術在復雜地質土方開挖工程中的應用。該項目場地原始地貌單元為殘丘及丘間谷地，經人工挖填荒地。根據勘察結果，在揭露深度范圍內，巖土層結構變化較大，場地為復雜場地，工期緊、工程量大，且其地質條件極為復雜，項目7棟、8棟樓基底標高以上至填土層之間的微風化花崗巖需開挖破除，難度較大，且場地西側為廠房，安全要求很高。該項目工期緊、工程量大，且其地質條件極為復雜，這就要求在使用石方爆破技術時，盡最大可能縮減大塊率，降低二次爆破的概率與次數，這在提升爆破難度的同時，亦會影響到爆破效果。因此在該項技術的應用中，采取了孔網參數、裝藥結構、起爆網路形式、優化微 差時間、擠壓爆破、微差等多種技術，在保障爆破工期與降低大塊率的同時，達到了預期的效果。

1 工程概況

該項目位于丘陵地區，地質條件極為復雜，基坑呈近似四方形，周長約977m，基坑面積49947m2，開挖深度約11.5m。7棟、8棟樓擬建場地表層為素填土，總體厚度在1.0m左右，下部均為燕山期侵入粗粒花崗巖（中風化、微風化），場地內無斷裂帶經過。其中中風化花崗巖巖芯呈塊狀為主，局部短柱狀，巖質較為新鮮堅硬。屬較軟巖～較硬巖，巖體較破碎～較完整，厚度0.20～12.00m，平均厚度2.30m，埋深6.70～44.70m；微風化花崗巖巖芯呈柱狀，部分呈塊狀及短柱狀，巖質新鮮堅硬，錘擊聲清脆。屬較硬巖～堅硬巖，巖體較完整～完整，厚度1.95～17.30m，平均厚度6.64m，埋深5.80～46.70m。

2 爆破方案

根據施工現場的具體地址特征以及設計圖紙顯示的高程、橫斷面、平面關系，綜合考慮工期要求，從基坑外支護樁處向基坑內側進行多處作業，按照該處地質的不同狀況，按照深孔階梯寬孔距→微差松動爆破的形式分段逐次推進，具體的分段方式以及分段長度則依據爆渣裝運以及爆破程度來決定，而梯段高程可綜合考慮邊坡高程，并結合路段的不同開挖深度來決定。因該段地質狀況較為復雜，因此石方爆破技術的選定與應有則按照準預裂爆破、毫秒微差控制爆破、中深孔梯段、潛孔鉆鉆孔結合的爆破方案進行，在主爆破區，應用的是垂直鉆孔梯段微差爆破，選定對應的網孔參數，盡量降低大塊率，保障碎石級配的具體要求；一些邊坡可采用準預裂爆破，以此來保證其本身的穩定性；在邊坡修整、大塊二次破碎、剩余炮梗平整時可應用手風鉆實現[1]。

3 爆破設計

3.1 選定分層爆破具體的臺階高度

在石方爆破機械化施工中，梯段高度與施工便道的選擇以及施工有著直接的聯系，并且對地形的利用與改造、機械作業方式等亦有著不同程度的影響，從而對石方的整體施工效率、管理、組織、經濟效益等產生影響。在確定較高的梯段時，應參考石方成本、臺班鉆爆效率、延米鉆孔爆破方量等進行，以此來滿足生產進度、開挖量、開挖深度的要求，并給自卸機、挖掘機、鉆機等機械設備的高效率應用創造了先決條件，并在一定程度上滿足了安全施工的要求。經相關實驗研究表面，該臺階高度H為8m至10m時最為適宜。

在該項土方開挖工程中，切方開挖深度可確定為20m至50m，然后分層、逐次實施臺階爆破法開挖，控制每次開挖深度在10m以內[2]。

3.2 設計炮孔參數

3.2.1 孔徑。孔徑用D來表示，鉆孔設備則選擇三臺孔徑為90mm的ZGYX-660潛孔鉆機以及一臺孔徑為40mm的手縫鉆機。中深孔則選擇潛孔鉆施工，大塊二次破碎以及邊坡修整時再使用手風鉆。

3.2.2 最小抵抗線以及炮孔間距。前排采用：W=(7.85×M×△×L×l／k×H)×D÷2。其中M指的是炮孔臨近系數；△指的是炸藥密度，單位是kg/m3；L指的是孔深，單位是m；H指的是樓梯高度，單位是m；D指的是炮孔直徑，單位為m。

后排應用的是寬孔距微差爆破，根據各處孔深來明確孔距在2.5～7m范圍內，通常會選擇6m的距離。而炮孔密集系數m，可通過a/b來獲取，取值在2至8范圍內，而b值與w值相等，通常取m值為3。寬孔距微差擠壓爆破技術經過多年的發展，相對于一般的爆破形式來說，效果以及經濟效益明顯占據優勢，并且在爆破質量、施工安全、爆破成本、施工進度等諸多方面皆有著不同程度的優越性[3]。

3.2.3 排距。由于該出爆破區域地質較為復雜，且多以堅石為構成要素，再加之業主等對爆破料料徑、質量等方面的特殊需求，因此選擇2m左右的排距以及3左右的炮孔密集系數。

3.2.4 炮孔超鉆以及填塞長度。上文有過相關論述，為提升炮孔本身的利用率，選擇在裝藥中部位置來設置寬孔距微差爆破以及裝藥的起爆點。而周邊環境對于爆震以及飛石的要求并沒有很高，因此已經在一定程度上降低了對填塞長度與超鉆的要求，因此填塞長度可在1.5m與2m間選擇，而超鉆可在0.8m與1.2m間選擇[4]。

3.3 確定裝藥量

深孔松動控制爆破能否成功，主要依賴于裝藥量、填塞技術以及起爆技術。若是炮孔裝藥量恰當，既能控制好飛石的飛濺軌跡與飛濺量，又能使巖石的破碎程度達到要求，而若是裝藥量過大則控制不好飛石導致誤傷，若是裝藥量偏小則難以清方。而最小抵抗線w的取值范圍為1m與14m，裝藥量則與爆破巖石體積有著正比例關系，概括為：Q=H·q·a·W，q是比例系數，指的是比裝藥量，還可視為單位耗藥量。但是因地質環境的復雜性，很難明確在某一區域的炸藥單耗。因此在施工中會采用實驗，即“試炮”的形式來明確。此外還會參考相鄰作業面具體的單耗狀況，根據以往經驗以及實驗結果可得出，炸藥單耗取值范圍：0.25kg/m3與0.4kg/m3之間。單孔裝藥量則通過H·q·a·W求出[5]。

3.4 裝藥與爆破網絡設計

因整體路段有著內水系發育的特點，因此一部分低層炮孔會涵蓋2～7m的水，這種情形可選擇乳化炸藥，這種炸藥爆速較高、對爆轟敏感、管道效應小、爆炸性能好，威力是2號巖石銨梯炸藥的1.4倍，且在應用時有著較好的穩定性與安全性。為便于后續的裝藥，可選擇70mm直徑的特制塑料包裝藥卷。為提升炮孔利用率，以及較小填塞長度與超挖深度、加強對巖石的破碎，使其減少大塊含量，可增加孔距、減少排距，孔內分層微差與空間微差幾何的形式進行網絡布孔，如下圖1即為該種形式。這種設計方式可擴充自由面，形成的爆 破應力波能夠相互疊加，加強巖石的破碎程度，并縮減爆破導致的地震作用。為穩定推進微差擠壓爆破，其構成網絡可選擇通過非電毫秒延期雷管來構建孔內孔外延期系統。在進行孔內分層時，會選擇1段至10段非電毫秒延期雷管，其上層與下層間的間隔應控制在1段之內，一次來達到較好的使用效果。孔外亦是應用該種延期雷管，但為保證其延期時間短于孔內延期公差，可選擇1段至5段。而為保障爆破網絡的安全性與可靠性，孔內網絡與孔外網絡均采用復式結構[6]。

圖1 孔間微差與孔內分層微差裝藥及起爆結構示意圖

4 爆破安全技術

綜合考慮保護建筑物允許振動速度值，實現最大分段藥量的控制。根據《爆破安全規程》相關規定，最大同時起爆藥量可按以下方式求得Qmax=R3·[V/K]3/α。其中Qmax指的是分段起爆最大藥量，單位為kg；R指的是爆破中心與建筑物之間的距離；V指的是被保護物的地面質點振動速度，單位為cm/s，α、K指的是與地質、地形等因素有關的減指數與系數，在本項開挖工程中，α取值1.7，K取值210。在本次爆破工程中，工程地面質點控制振動速度為：居民允許3cn/s的振速。不同爆破距離允許的最大分段藥量如下表1所示：

表1 不同爆破距離允許的最大分段藥量表

因民房、工棚距離爆破區域有著較遠的距離，一般在100m外，特別是民房，全在150m范圍外，因此對安全措施沒有較高的要求，但是仍制定了較為全面的防護措施防患于未然。

5 結束語

綜述，文章針對工程中一些復雜地質，對石方爆破技術的應用進行了研究，采用上述的爆破網絡與爆破參數，經過多次的實踐工作，其中一次最大的爆破方量達到11000m3，日爆破量達到5000～6000m3，而實際爆破單耗達到0.33kg/m3，最大飛石距離達到20m。粒徑在30cm以上的大塊率控制在2%之內，與一般形式的爆破相比有著較好的經濟效益。