緊靠電廠高危邊坡的深孔控制爆破技術(shù)研究

楊 琳，付天杰，郭華杰

(1.深圳市安托山投資發(fā)展有限公司，深圳 518040；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，北京 100081)

爆破是城市發(fā)展中快速擴(kuò)建的重要手段，在緊鄰工廠建筑物旁進(jìn)行高邊坡場(chǎng)平作業(yè)時(shí)運(yùn)用傳統(tǒng)的機(jī)械破碎或淺孔爆破無(wú)法滿足城市發(fā)展的進(jìn)程和工期要求[1-3]，進(jìn)行高邊坡爆破作業(yè)時(shí)，需要運(yùn)用多種技術(shù)控制好高邊坡飛石、振動(dòng)和噪聲影響等多種爆破有害影響[4-6]。針對(duì)高邊坡危巖爆破國(guó)內(nèi)以采用預(yù)裂、松動(dòng)控制爆破為主[7-9]，興起于20世紀(jì)50年代，目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)城市高邊坡運(yùn)用電子雷管進(jìn)行預(yù)裂爆破的同時(shí)控制爆破振動(dòng)安全[10]，并進(jìn)行了損傷規(guī)律和振動(dòng)規(guī)律研究[11,12]，但此方法嚴(yán)重影響爆破進(jìn)度且成本高，本文針對(duì)安托山電廠旁高危邊坡爆破，從進(jìn)度與安全和成本相結(jié)合的角度出發(fā)提出了新的高危邊坡深孔爆破控制技術(shù)。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)條件

深圳美視電廠北側(cè)高危邊坡整治工程位于深圳市安托山整治工程B21-2A地塊和美視電廠之間，計(jì)劃場(chǎng)地初平后作為城市居住用地。山體以風(fēng)化、中風(fēng)化和微風(fēng)化花崗巖為主，巖體節(jié)理發(fā)育，中至細(xì)粒結(jié)構(gòu)，大部分為灰色，局部肉紅色，巖石堅(jiān)固性系數(shù)f=6～14。一般三、四類土和強(qiáng)風(fēng)化至中風(fēng)化的次堅(jiān)石層厚在8 m以內(nèi)，局部達(dá)20 m左右，其余即為比較堅(jiān)硬的弱～微風(fēng)化花崗巖。經(jīng)長(zhǎng)期風(fēng)化和附近巖石開挖爆破震動(dòng)的影響，山體南側(cè)高邊坡坡面上巖石裂隙張開，部分松散巖塊懸浮在坡面，存在山體不穩(wěn)定，滾石，潰坡等地質(zhì)災(zāi)害隱患。

1.2 周圍環(huán)境

電廠開挖區(qū)域東西長(zhǎng)190 m，南北底寬102.6～118.8 m，總面積21 161.5 m2。最高點(diǎn)標(biāo)高133.97 m，要求開挖至42.0 m，最大挖深約92 m，總開挖方量884 685.6 m3。美視電廠廠區(qū)位于山體南側(cè)和東側(cè)，其中東側(cè)坡度較緩，坡面植被發(fā)育，坡腳距美視電廠重油罐區(qū)圍墻14 m。南側(cè)為相對(duì)高度30～92 m，坡度約51°～65°的巖石高邊坡，長(zhǎng)120 m，坡腳為美視電廠，其配有二排共8個(gè)LNG儲(chǔ)氣罐及配套管線，每個(gè)氣罐直徑4 m、高30 m、容量150 m3，總儲(chǔ)量1200 m3。坡腳距罐群圍墻15～45 m，距消防通道約12～42 m，再往南為24萬(wàn)kW燃?xì)獍l(fā)電機(jī)廠房。山體與罐區(qū)的相對(duì)位置見圖1。南側(cè)東段(約70 m長(zhǎng))已開挖成高20余m的邊坡，坡腳是正在建設(shè)的電廠9E燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組，一些管線和建筑直接靠近需開挖的山體。

圖 1 天然氣罐區(qū)與開挖山體的相對(duì)位置平面圖Fig. 1 The plane of the relative position between the natural gas tank area and the excavated mountain

2 工程難點(diǎn)

(1)工程量大、工期緊、環(huán)境極其復(fù)雜，整治工程總開挖土石方工程量達(dá)3000萬(wàn)m3以上，爆破石方量在2400萬(wàn)m3以上，十年的爆破施工進(jìn)度要求日均開采量達(dá)到7000～10 000 m3，而電廠的發(fā)電機(jī)組、中心控制室和天然氣儲(chǔ)氣罐、管線對(duì)爆破振動(dòng)都有嚴(yán)格的要求整個(gè)電廠在爆區(qū)的警戒范圍(200 m)以內(nèi)，距離爆破區(qū)20 m的發(fā)電機(jī)組峰值振速不能超過(guò)1 cm/s。為降低爆破震動(dòng)必須嚴(yán)格控制爆破作業(yè)的最大單響藥量和爆破規(guī)模，而爆破安全與施工進(jìn)度的矛盾非常突出、尖銳，對(duì)爆破施工提出了極高的技術(shù)要求。

(2)地勢(shì)高、四周全部有保護(hù)物，爆破飛石、滾石的防治難度很大。高邊坡區(qū)坡面巖體破碎，機(jī)械開挖和爆破時(shí)極易出現(xiàn)滾石，特別是美視電廠處于山體下方，距離僅5～15 m。該段山體陡峻，下部為近乎直立的巖壁(高度為15～90 m)，上部為陡坡，表面有大量的松動(dòng)孤石，防護(hù)難度極大。美視電廠廠區(qū)內(nèi)有變電站、液化氣體罐，距離在15～30 m，一旦爆破飛石或滾石擊中罐體，有可能引起爆炸并發(fā)生連鎖反應(yīng)，后果不堪設(shè)想。

3 爆破方案

(1)在如此復(fù)雜的環(huán)境下進(jìn)行大方量石方的爆破開挖，一律采用深孔臺(tái)階爆破方法，將整個(gè)爆區(qū)分成常規(guī)爆區(qū)、控制爆區(qū)和邊坡開挖區(qū)三部分。后排孔與坡頂線的距離超過(guò)20 m的爆區(qū)劃作常規(guī)爆區(qū)，按一般臺(tái)階深孔爆破技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)施工；邊坡開挖區(qū)在臨近邊坡陡壁部分爆破時(shí)預(yù)留一定厚度的巖墻，采用巖墻深孔控制爆破技術(shù)施工，在進(jìn)行內(nèi)側(cè)深孔爆破時(shí)巖墻起防爆堆逸出或防坡面滾石的作用，從而將復(fù)雜環(huán)境下的大規(guī)模石方深孔控制爆破的安全問(wèn)題縮小到只對(duì)巖墻爆破進(jìn)行重點(diǎn)控制，從而更容易控制飛石和滾石；其余部位稱為控制爆區(qū)，采用深孔控制爆破技術(shù)施工。控制爆區(qū)、巖墻爆區(qū)隨常規(guī)爆區(qū)同步下降，有利于爆堆的開挖。巖墻爆區(qū)應(yīng)滯后深孔爆破區(qū)一到二個(gè)循環(huán)，滯后量不宜過(guò)大。三個(gè)爆區(qū)均采用梅花形布孔。

(2)起爆藥和水孔中的防水炸藥使用乳化炸藥，中深孔主爆炸藥使用散裝銨油炸藥，特大塊二次爆破使用管狀乳化炸藥。

4 爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

4.1 常規(guī)爆區(qū)

采用兩種鉆孔直徑，孔網(wǎng)參數(shù)見表1。

4.2 控制爆區(qū)

孔網(wǎng)參數(shù)見表2。

4.3 巖墻爆區(qū)

爆破參數(shù)見表3，爆區(qū)圖見圖2。

表 1 常規(guī)爆區(qū)爆破參數(shù)表Table 1 Conventional blasting zone blasting parameter table

表 2 控制爆區(qū)爆破參數(shù)表Table 2 Controlled blasting zone blasting parameter table

表 3 巖墻爆區(qū)爆破參數(shù)表Table 3 Blasting parameter table of rock wall blasting zone

(1)巖墻厚度的確定

巖墻厚度盡量薄，考慮到巖墻頂部鉆機(jī)作業(yè)的安全，巖墻頂部宜留6～8 m的寬度。為減小孔底爆破時(shí)的巖石阻力，要求巖墻靠山體內(nèi)側(cè)臨空面底部挖深挖凈，使前排巖石完全拋出，孔底巖石受夾制力減少，有利于飛石和振動(dòng)控制。

(2)巖墻爆破的裝藥要求

前排孔和第二排孔按松動(dòng)爆破設(shè)計(jì)，孔內(nèi)可裝銨油炸藥，同時(shí)適當(dāng)增加填塞長(zhǎng)度；靠邊坡孔裝φ60 mm乳化炸藥，填塞長(zhǎng)度據(jù)現(xiàn)場(chǎng)爆破位置坡度、爆心距電廠的距離、坡面巖石破碎程度來(lái)確定，當(dāng)電廠與爆心之間有一定距離、且有綜合防護(hù)體系時(shí)，可以適當(dāng)減少填塞長(zhǎng)度，增加裝藥高度。同時(shí)要保證邊孔孔內(nèi)炸藥頂?shù)撞颗c水平向?qū)?yīng)坡面的距離分別不小于1.5倍抵抗線和2倍抵抗線(排距)。爆區(qū)剖面圖如圖2。

圖 2 爆區(qū)剖面圖(單位：m)Fig. 2 Section of the explosion zone(unit:m)

(3)巖墻爆破起爆網(wǎng)路

巖墻爆區(qū)采用排間毫秒延時(shí)起爆網(wǎng)路，前兩排孔爆破時(shí)巖體順利拋出，以減少作用在坡面上的后沖力。網(wǎng)路設(shè)計(jì)中考慮排間延時(shí)達(dá)到100 ms，孔間延時(shí)25 ms以上即可。

(4)巖墻爆破后的開挖

由于巖墻較薄，內(nèi)側(cè)臨空面采用松動(dòng)爆破，爆破后重點(diǎn)控制巖墻靠邊坡一側(cè)土石方的開挖。正常爆破后坡面應(yīng)有較多裂縫，便于用挖掘機(jī)械向內(nèi)開挖。巖墻爆前和爆后圖見圖3。

5 起爆網(wǎng)路

本次高邊坡爆破內(nèi)側(cè)山體采用分區(qū)接力起爆網(wǎng)路聯(lián)結(jié)模式，分首爆區(qū)和接力區(qū)，連接方式及雷管段別見圖4。巖墻采用多排毫秒延時(shí)起爆網(wǎng)路，兩種起爆網(wǎng)路采用孔內(nèi)導(dǎo)爆管毫秒起爆網(wǎng)路和孔外電雷管串聯(lián)網(wǎng)路簇聯(lián)激發(fā)導(dǎo)爆管網(wǎng)路的混合起爆網(wǎng)路形式。當(dāng)巖墻高度降低，可增加排數(shù)，為增大排間起爆時(shí)差，控制爆破振動(dòng)，前三排孔內(nèi)裝2、4、6段導(dǎo)爆管雷管，第四排到第十排孔內(nèi)裝7～13段導(dǎo)爆管雷管，從第十一排起每隔三排孔內(nèi)裝11、12、13段導(dǎo)爆管雷管，孔外用9段導(dǎo)爆管雷管接力，最后由1段電雷管激發(fā)。多排毫秒延時(shí)起爆網(wǎng)路圖如圖5。

圖 3 巖墻臨空面及裝藥Fig. 3 Rock wall surface and charge

圖 4 分區(qū)接力混合起爆網(wǎng)路示意圖(圖中：數(shù)字表示雷管段別)Fig. 4 Schematic diagram of the “zone relay” mixed initiation network (in the figure:the number indicates the detonator section)

圖 5 多排毫秒延時(shí)起爆網(wǎng)路示意圖(圖中：數(shù)字代表雷管段別)Fig. 5 Schematic diagram of multi-row millisecond delay initiation network (in the figure:the number indicates the detonator section)

6 爆破振動(dòng)

2006年4月20日至2006年7月17日間，采用ZCC-20型速度拾振器、低噪聲屏蔽電纜、IDTS-3850型便攜式測(cè)振儀和計(jì)算機(jī)組成的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在美視電廠的貯汽罐場(chǎng)區(qū)，南、北主廠房，辦公樓下和樓上分別設(shè)5個(gè)振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，美視電力北側(cè)地塊最大挖深達(dá)92 m，分臺(tái)階開挖，現(xiàn)場(chǎng)分別對(duì)100 m、93 m、82 m、70 m、60 m和50 m六個(gè)高程的深孔爆破進(jìn)行測(cè)試，進(jìn)行了爆破振動(dòng)速度隨高程變化規(guī)律的研究。期間共進(jìn)行了50余次爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)，取得爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)500余點(diǎn)，得到六個(gè)平臺(tái)的爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

將各臺(tái)階爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)按下式(1)進(jìn)行回歸分析，可以得到各臺(tái)階的爆破振動(dòng)傳播規(guī)律經(jīng)驗(yàn)公式中的K和α值(表4)。

(1)

表 4 各臺(tái)階爆破振動(dòng)傳播規(guī)律K、α值Table 4 The propagation law of blasting vibration of each step K,α value

并可得到如下規(guī)律：隨著爆破臺(tái)階高度降低，系數(shù)K逐漸增大；衰減指數(shù)α隨爆破臺(tái)階高度降低也有增加的趨勢(shì)。

不同高程時(shí)將式(1)按線形關(guān)系進(jìn)行修正

(2)

式中，K1、α1為隨高程差變化振動(dòng)速度衰減規(guī)律的修正系數(shù)。

以最底層50 m臺(tái)階(系指臺(tái)階頂面高程，臺(tái)階地面高程與測(cè)點(diǎn)高程基本在同一水平上)統(tǒng)計(jì)回歸得到的K為1，可以計(jì)算得到個(gè)臺(tái)階的K1值，并經(jīng)統(tǒng)計(jì)計(jì)算得到K1與Δh間的關(guān)系，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表5。

表 5 K、K1值及Δh的統(tǒng)計(jì)表Table 5 Statistical table of K,K1 value and Δh

進(jìn)行回歸分析后，可得：K1值與Δh間按線性關(guān)系變化時(shí)，滿足下列關(guān)系式

K1=(-0.0156Δh+0.857)K

相關(guān)性系數(shù)r=0.9483

同樣經(jīng)統(tǒng)計(jì)計(jì)算可以得到α1與Δh間的關(guān)系，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表6。

表 6 α、α1值及Δh的統(tǒng)計(jì)表Table 6 Statistical table of α,α1 value and Δh

進(jìn)行回歸分析后，可得：α1值與Δh間按線性關(guān)系變化時(shí)，滿足下列關(guān)系式

α1=-0.0045Δh+0.9909

相關(guān)性系數(shù)r=0.9177

從而得到爆破振動(dòng)隨高程變化的線形修正公式

式中：Δh為爆心與測(cè)點(diǎn)間的高程差，Δh>0。

若按指數(shù)關(guān)系變化，可得爆破振動(dòng)隨高程變化的線性修正公式

式中：Δh為爆心與測(cè)點(diǎn)間的高程差，Δh>0。

7 巖墻爆破時(shí)的防護(hù)

7.1 坡面滾石的控制

在常規(guī)爆區(qū)與巖墻爆區(qū)之間設(shè)立控制爆區(qū)，其裝藥量、布孔排數(shù)均小于常規(guī)爆區(qū)，可以減少對(duì)坡面的振動(dòng)影響，防止?jié)L石產(chǎn)生，同時(shí)嚴(yán)格控制巖墻爆區(qū)靠坡面一排孔的側(cè)向抵抗線和裝藥量。為防滾石，在高危邊坡坡腳外一定距離處設(shè)置以集渣坑、排架和擋墻組成的綜合防護(hù)體系。排架用三排鋼管腳手架搭設(shè)，寬3.0 m，高12～18 m，并在內(nèi)側(cè)懸掛一到二層竹排，外側(cè)覆安全網(wǎng)；緊靠排架底部設(shè)置頂寬3.0 m、底寬4.0 m、高3.0 m的砂袋擋墻，同時(shí)開挖集渣坑，見圖6。排架主要防邊坡滾石和個(gè)別飛石，擋墻主要對(duì)邊坡滾落石塊起柔性阻擋作用，不至于破壞排架；集渣坑則主要容納滾石。同時(shí)在排架處加設(shè)垛柱，增加其穩(wěn)定性。

圖 6 防護(hù)排架Fig. 6 Protective shelf

7.2 爆破飛石的控制

在巖墻深孔爆破中，控制飛石的技術(shù)措施主要有：

(1)控制前排孔最小抵抗線的方向，注意地質(zhì)薄弱面。

(2)加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)管，保證堵塞質(zhì)量。填塞料使用粒徑4～9 mm的砂和礫石，要避免填塞長(zhǎng)度小于抵抗線，填塞長(zhǎng)度太小將會(huì)產(chǎn)生臺(tái)階頂部的漏斗作用，從而引起飛石過(guò)遠(yuǎn)。

(3)清理臺(tái)階面上的松動(dòng)石塊，特別是炮孔附近的石塊，它們?cè)诒怏w由孔口沖出時(shí)較易飛射出去。

(4)正確布置起爆網(wǎng)路，確定合理的毫秒延時(shí)間隔。理想的延遲時(shí)間應(yīng)該在為被爆巖體向前移動(dòng)準(zhǔn)備足夠的時(shí)間、以空出接納后爆巖體的充足空間的同時(shí)，先爆巖體可以對(duì)后爆巖體有一定的保護(hù)作用。延遲時(shí)間過(guò)短，后爆巖體無(wú)水平膨脹的空間，勢(shì)必會(huì)向上運(yùn)動(dòng)，出現(xiàn)上向飛石；延遲時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，因先爆巖體移動(dòng)距離過(guò)大，造成它對(duì)后爆巖體保護(hù)作用消失，就可能產(chǎn)生飛石、空氣沖擊波和大塊。經(jīng)多次爆破試驗(yàn)證明圖4和圖5的起爆網(wǎng)路及延期時(shí)間最佳。

8 結(jié)論

針對(duì)市內(nèi)復(fù)雜環(huán)境下大規(guī)模深孔控制爆破得到如下結(jié)論：

(1)考慮工期與振動(dòng)安全，針對(duì)復(fù)雜環(huán)境的高邊坡爆破提出了常規(guī)爆區(qū)、控制爆區(qū)和巖墻爆區(qū)的分區(qū)域爆破，并通過(guò)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)提出了每個(gè)爆區(qū)的深孔控制爆破參數(shù)，尤其是巖墻爆區(qū)孔底與邊坡面水平距離不小于2倍抵抗線，裝藥頂部與坡面水平距離不小于1.5倍抵抗線。

(2)針對(duì)高邊坡深孔控制爆破提出了內(nèi)側(cè)巖體用分區(qū)接力起爆網(wǎng)路，巖墻用多排毫秒延時(shí)起爆網(wǎng)路，較常規(guī)的排間順序起爆網(wǎng)路簡(jiǎn)單，準(zhǔn)爆性高，經(jīng)濟(jì)成本低，并在現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證了其可靠性，同時(shí)保證了爆破振動(dòng)和飛石的安全。

(3)針對(duì)高邊坡進(jìn)行了爆破振動(dòng)速度隨高程變化規(guī)律的研究，提出了線形修正公式，為類似工程施工提供了借鑒。

(4)對(duì)高危邊坡底設(shè)置了防護(hù)排架、集渣坑和擋墻組成的防護(hù)體系，進(jìn)行了爆破滾石和飛石的控制，并用實(shí)踐證明了其可靠性，為類似工程提供了借鑒。