復雜環境下管道工程接收井爆破開挖方案設計

遲 平,王 枚

(安徽江南化工股份有限公司寧國分公司,安徽 寧國 242300)

0 引言

接收井是污水管工程的重要組成部分,在管道系統正常運營中有著不可替代的作用[1]

,為節省施工成本,接收井常采用爆破法進行開挖,但是,爆破產生的危害(飛石、噪聲和振動等) 會干擾、影響人們的正常工作和生活[2-4]。 其中,爆破產生的振動不僅會引起樁井護壁結構發生動態響應,造成護壁結構損傷,削弱或破壞其支護能力,影響樁井結構的穩定性,危及井下作業人員的安全[5],還會對周邊隧洞、地下基礎、地下管線等地下結構物及圍護墻、樓梯、輸電塔等地上結構體產生不利影響[6-8]。為減弱爆破開挖對周圍環境造成的有害效應,保證施工安全,需要根據現場實際情況制訂合理可行的爆破施工方法。

1 工程概況

擬建虎跑路(蓮花峰路—赤山埠水廠)DN1200給水管道工程位于杭州市西湖景區虎跑路沿線,全長約1.3 km。 接收井位于赤山埠預處理廠內,呈圓形,直徑為5.0 m。 沉井底板標高約6.1 m,相連管徑為1.2 m,機械開挖5.0 m 后采用爆破開挖,鉆爆深度為1.5 m。

1.1 工程地質

接收井已開挖5.0 m,現場地質為:中風化石英砂巖(D3Z),灰黃色,石英膠結,塊狀構造,單軸飽和抗壓強度為40.7 ～51.4 MPa,平均值為47.0 MPa, 標準值為44.2 MPa,屬較硬巖,巖體較破碎,巖體基本質量等級為Ⅳ級。

1.2 爆區環境

接收井位于赤山埠水廠凈水池與管理方之間,距離凈水池(西南方向)12.3 m,距離最近居民區(東北方向) 35.27 m、距離花港變電所72.24 m。

爆區周邊環境復雜,如圖1 所示。 爆破點200 m半徑內有赤山埠水廠1 座,民房29 戶,花港變電所1 座,赤山埠臨時停車場1 處,北鄰三臺山路,東臨虎跑路,車流量及人流量較大。 爆區防護要求較高。

圖1 爆區周邊環境

1.3 爆破計劃

根據爆區地形、地質情況配置鑿巖機具,確定采用淺孔爆破法施工,結合機械開挖排碴。 根據現場勘察和開采設計方案,擬采用二次爆破作業。 設計標準層階高度為1.5 m,第一層級開挖深度為90 cm,考慮一次開挖殘余和二次超深,第二層級開挖采用90 cm 層級鉆爆,自上而下逐級施工。

2 爆破方案設計

2.1 布孔方式

接收井做環形布孔,對稱掏槽。 布孔方式采用中心圓對稱形布孔;以垂直炮孔為主,個別位置根據實際情況采用傾斜孔。

為減少單響藥量和爆破振動、改善爆破質量,采取多鉆孔、少裝藥的布孔原則。 根據布孔形式,每兩個裝藥孔之間,加布1 個空孔,使之均布爆體和均衡擠壓,避免個別飛石穿孔。

掏槽采用錐型兩步掏槽,間隔空孔;輔助孔主要采用垂直孔,間隔空孔;周邊孔外傾9 cm 左右,根據鉆具的外傾角調整至合適角度,間隔空孔;合理設計延期時間。 布孔方式及延期時間如圖2 所示。

圖2 布孔方式及延期時間(單位:mm)

2.2 爆破參數

根據經驗公式計算具體的爆破參數。

1)單耗:巖石中風化時K=1.6 ～2.0 kg/m3,取K=1.69 kg/m3。

2)孔徑:采用YT28 型氣腿式鉆機鑿巖,成孔直徑d=42 mm。

3)孔深:接收井爆破層階高度為75 cm,其中,超深一般取0.1～0.2 m。 根據進尺量,輔助孔和周邊孔炮孔孔深L1=90 cm,超深為15 cm;內圈掏槽孔孔深L2=75 cm,外圈掏槽孔孔深L3=110 cm。

4)炮眼間距:a=(12 ～15)d,根據炮孔類型適當選取相應的間距,掏槽孔間距為30 ～45 cm,輔助孔為100 cm,周邊孔為44 cm。

5)填塞高度,采用炮泥堵塞,堵塞長度不小于30 cm,掏槽眼不小于40 cm。

6)單孔裝藥量:通常按裝藥量體積公式先求出每循環進尺所需要用的藥量Q=KπD2L/4,再按工作面炮眼數N分配調整。 一般情況下,掏槽孔裝藥量Qt多裝20%～25%,即Qt=(1.2 ～1.25)Q/N;周邊孔裝藥量Qb少裝5% ～10%,即Qb= (0. 9 ～0.95)Q/N。

接收井主要爆破參數見表1。 其余爆破參數見表2。

表1 接收井主要爆破參數

表2 其余爆破參數

2.3 裝藥與堵塞

不同爆孔采用不同的裝藥方式及堵塞方法。為減小振動,分散爆破能,采用全斷面加布間隔空孔的方式。 爆破裝藥結構按中心對稱、均布型布置炮孔,淺孔爆破裝藥結構如圖3 所示,堵塞材料用黃沙、黏土。

圖3 裝藥填塞結構(單位:mm)

2.4 起爆網路設計

采用排間微差起爆技術,起爆順序依次為中心掏槽孔1#、3#,輔助孔5#、7#、9#,周邊孔11#、13#、15#,如圖4 所示。

圖4 起爆網絡

3 爆破有害效應控制措施

3.1 最大單響藥量

單響起爆最大裝藥量采用式(1)進行計算:

式中:Q為單響起爆最大裝藥量,kg;V為允許的介質質點的振動速度,cm/s;R為爆源至被保護物的距離,m;K為經驗系數,中硬巖取150;a為衰減系數。

根據本工程的地質巖性、待保護物的結構特征,K=150,a=1.5。 不同建筑物與爆破振動相關的參數見表3。

表3 不同建筑物與爆破振動相關的參數

最大單孔裝藥量均不超過計算所得單次起爆最大裝藥量。 根據現場環境,工程最大單響藥量為4.00 kg,并通過增加分段數、選擇合理微差間隔時間等方式控制振動有害效應。

3.2 爆破個別飛散物安全距離

根據瑞典德湯尼克研究基金會對露天層階爆破的飛石問題的研究結論,提出下面的經驗公式來估算層階深孔爆破的飛石距離:

式中,d為深孔直徑,cm。

經計算,Rf=63～67 m。 鑒于工程的特殊性,飛石控制應為零。 采用錐罩掛網式結構(鋼木結構,重約2 t),防護罩制作、吊裝按相關規范執行。 飛石防護結構如圖5 所示。

圖5 飛石防護結構(單位:mm)

3.3 爆破空氣沖擊波

爆破空氣沖擊波計算公式:

式中:Rk為空氣沖擊波安全距離,m;Kn為系數,取1.0;Q為裝藥量,kg,取30 kg。

代入式(3)得:Rk=5.48 m。 因此,爆破空氣沖擊波的影響范圍較小,無須進行特殊防護。

3.4 爆破施工工藝

3.4.1 鉆孔

1)測量放樣

鉆孔前根據設計方案及待開挖巖體的實際情況,由測量人員根據孔網參數進行實地放樣。

2)鉆機平臺

鉆機平臺必須滿足鉆機移動、架設及挖掘機清理對平臺寬度的要求,原則上越寬越好,為減少平臺修建的工作量,平臺應盡量做到平整。

3)鉆孔作業

鉆孔必須按設計的位置、方向和角度進行作業,必須到達設計孔深,保持底面在同一平面上。鉆孔完成后,將孔內的巖粉吹掃干凈。 鉆孔尺寸精度誤差須符合設計要求,即孔位誤差小于5%,角度誤差小于3°,孔深誤差小于30 cm。

為保證鉆孔成孔率,遇到特殊地層需要調整鉆孔操作參數(鉆速、壓力速度、風量等),必要時可進行泥漿護壁作業,鉆孔完畢后進行護孔,不合格炮孔要進行補鉆,水孔須吹水。

3.4.2 裝藥、堵塞

1)裝藥前應根據本次爆破所鉆米數進行裝藥量調整,孔內積水(滲水)無法排凈時,應丈量水的埋深,并采用具有防水功能的膠質炸藥。

2)裝藥作業須依照爆破設計提供的裝藥密度裝藥。

3)炮孔堵塞長度須依照爆破設計施工。

3.4.3 起爆系統及聯網

1)深孔爆破作業采用非電微差爆破網路,起爆器起爆。

2)進行網路聯網作業,須按照爆破設計提供的網路圖進行聯網。

3)聯網完畢,要嚴格認真檢查,以防漏聯、錯聯。

3.4.4 吊裝防護罩

完成全部裝藥程序后,利用挖掘機(5 t 以上吊荷)吊裝錐型防護罩。

4 現場試驗

4.1 爆破施工前準備工作

根據爆破方案設計進行現場試驗,接收井的待爆破平面事先清理整平,如圖6 所示,采用旋挖鉆機進行鉆孔作業。

圖6 接收井清理整平作業

4.2 爆破振動測試

在附近水池、變電站和居民區等區域設置測振點。 將爆破振動測試結果導出,如圖7、表4 所示。

表4 爆破振動測試結果

圖7 測點處爆破振動曲線

由表4、圖7 可知,各建筑物的爆破振動處于安全閾值內。

4.3 爆破效果

現場爆破效果良好,無啞炮,平均炮孔利用率達到90%,爆破后爆渣松散,塊度一般小于20 cm,底面基本達到設計層階高度,接收井內壁較為穩固,周邊水池、民房等均未受到破壞,爆破后接收井設計深度和直徑達到設計要求,可為類似工程爆破施工提供參考經驗。