大規(guī)模基坑群爆破施工技術(shù)與管理

許垅清，張中雷,2，王林桂，孫鈺杰，陳 源

(1.大昌建設(shè)集團(tuán)有限公司，浙江 舟山 316000；2.大昌建設(shè)集團(tuán)有限公司與浙江海洋大學(xué)聯(lián)合專(zhuān)家院士工作站，浙江 舟山 316021)

近年來(lái)，諸多學(xué)者不斷的研究突破，取得了一定的研究成果。趙根、陳偉等[1-2]提出了環(huán)向聚能藥包爆破技術(shù)，闡述了群孔中環(huán)向聚能藥包爆破成縫破巖的機(jī)理，并試驗(yàn)驗(yàn)證了環(huán)向聚能藥包對(duì)控制地基平整效果的影響；盧文波等[3]提出了垂直孔復(fù)合消能爆破技術(shù)，并在白鶴灘壩基及水墊塘基礎(chǔ)開(kāi)挖中得到大規(guī)模應(yīng)用，獲得了良好建基面成型效果。

基于以上研究，在舟山6 000萬(wàn)t/年煉化一體化石化基地基坑群爆破開(kāi)挖中使用垂直孔復(fù)合消能爆破技術(shù)，并通過(guò)生產(chǎn)性試驗(yàn)驗(yàn)證了該技術(shù)對(duì)大規(guī)?；娱_(kāi)挖建基面平整度良好控制效果。

1 工程概況

舟山6 000萬(wàn)t/年煉化一體化石化基地地處岱山縣魚(yú)山島，石化裝置基坑群位于基地二期煉化項(xiàng)目施工區(qū)，緊鄰已運(yùn)行一期石化裝置區(qū)，基坑爆破主要為二期煉化區(qū)煉油、化工和公用工程裝置區(qū)域的基礎(chǔ)開(kāi)挖。

基坑數(shù)量多、體量大、規(guī)格尺寸多樣。設(shè)計(jì)開(kāi)挖深度2.0～11 m，開(kāi)挖底標(biāo)高最低為-7.0 m，最高為+3.3 m，爆破開(kāi)挖方量約150萬(wàn)m3。部分基坑開(kāi)挖參數(shù)如表1所示。

表1 部分基坑開(kāi)挖參數(shù)

1.1 基坑群周邊總體環(huán)境

基坑群東側(cè)為石化基地二期成陸回填區(qū)；南側(cè)為原油罐區(qū)，與爆區(qū)最近距離210 m；西側(cè)環(huán)境最為復(fù)雜，有南北向中央大道和一期石化投產(chǎn)區(qū)，含眾多高精度、高敏感性?xún)x器和設(shè)備，與爆區(qū)最近距離110 m；北側(cè)鄰近新時(shí)代大道。

1.2 工程特點(diǎn)

1)基坑群爆破體量大、工期緊，且規(guī)格尺寸多樣，開(kāi)挖面積達(dá)20余萬(wàn)，建基面質(zhì)量控制要求高。

2)周邊環(huán)境復(fù)雜，鄰近多條交通主干道，人流、車(chē)流量大，且存在交叉作業(yè)，施工安全及組織協(xié)調(diào)難度大。

3)基坑爆破期間正值一期石化運(yùn)行投產(chǎn)，須采取有效的安全技術(shù)措施控制爆破振動(dòng)、個(gè)別飛散物等有害效應(yīng)對(duì)西側(cè)石化設(shè)施的影響。

4)受雨水和地下水等影響，坑內(nèi)及場(chǎng)區(qū)積水多且回水快，應(yīng)合理組織排水確保工期。

2 爆破技術(shù)方案

鑒于基坑爆破開(kāi)挖體量大、工期緊，傳統(tǒng)的淺孔爆破方式難以滿(mǎn)足進(jìn)度要求。采用深孔爆破及大孔徑(90～115 mm)淺孔爆破開(kāi)挖方案，結(jié)合復(fù)合消能爆破技術(shù)對(duì)建基面實(shí)施保護(hù)。

2.1 基坑群爆破開(kāi)挖順序

主要考慮積水排放和周邊環(huán)境兩大因素。第一，基坑群東側(cè)為二期成陸回填區(qū)，是場(chǎng)區(qū)積水的天然排放場(chǎng)所，通過(guò)設(shè)置東西向排水溝，將場(chǎng)內(nèi)積水順利排向回填區(qū)；第二，基坑群西側(cè)為一期石化投產(chǎn)區(qū)，是爆破施工重點(diǎn)保護(hù)區(qū)域，另外隨著東側(cè)回填區(qū)施工的推進(jìn)，施工人員及機(jī)械設(shè)備會(huì)逐步增多，爆破施工管理難度也隨之增大。

由此確定，基坑群爆破開(kāi)挖順序?yàn)閺臇|西兩側(cè)向中部推進(jìn)，能夠最大程度上保證爆破區(qū)域逐步遠(yuǎn)離一期石化投產(chǎn)區(qū)，同時(shí)有利于減少與東側(cè)回填區(qū)施工作業(yè)的相互影響。

2.2 典型基坑爆破設(shè)計(jì)

該區(qū)域巖性為流紋質(zhì)含角礫玻屑熔結(jié)凝灰?guī)r，較堅(jiān)硬，可爆性較好?；娱_(kāi)挖直徑25 m，每邊各增加工作面寬度1.5 m，設(shè)計(jì)開(kāi)挖深度為5.8 m。邊坡采用光面爆破，坡率1:0.75。

爆區(qū)東側(cè)、南側(cè)及北側(cè)為基坑開(kāi)挖場(chǎng)地，200 m范圍內(nèi)無(wú)重要建(構(gòu))筑物，西側(cè)與一期石化投產(chǎn)區(qū)最近距離為173 m。

2.2.1 爆破參數(shù)

為保證爆破效果，將凈斷面劃為A區(qū)和B區(qū)，分兩次爆破。A區(qū)為掏槽爆破，為B區(qū)爆破創(chuàng)造更優(yōu)自由面。

A區(qū)掏槽尺寸為19 m×5.4 m，共布置4排炮孔，其中2排掏槽孔傾斜角為77°，采用楔形掏槽形式，設(shè)計(jì)炸藥單耗0.65 kg/m3。A區(qū)爆破參數(shù)如表2所示。

表2 A區(qū)爆破參數(shù)

B區(qū)含主爆孔和光面孔，主爆孔為垂直孔，直徑105 mm，炸藥單耗0.43 kg/m3；光面孔為傾斜孔，傾斜角53°，正常段線(xiàn)裝藥密度0.40 kg/m。B區(qū)爆破參數(shù)如表3所示。

表3 B區(qū)爆破參數(shù)

2.2.2 裝藥結(jié)構(gòu)

除光面孔外均采用連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)，裝填2#巖石乳化炸藥，直徑90 mm，每孔2發(fā)普通導(dǎo)爆管雷管；光面孔采用毛竹片、導(dǎo)爆索串聯(lián)間隔不耦合裝藥，藥卷直徑32 mm，長(zhǎng)度20 cm(見(jiàn)圖1、圖2)。

圖1 A區(qū)裝藥結(jié)構(gòu)

圖2 B區(qū)裝藥結(jié)構(gòu)

2.2.3 起爆網(wǎng)路

根據(jù)爆區(qū)周邊保護(hù)對(duì)象安全允許振速控制要求進(jìn)行爆破網(wǎng)路設(shè)計(jì)[4]。A區(qū)和B區(qū)均采用孔內(nèi)延時(shí)爆破網(wǎng)路，雷管為非電毫秒延時(shí)導(dǎo)爆管雷管。A區(qū)掏槽孔雷管采用MS3段，正常孔采用MS5段。B區(qū)孔內(nèi)依排裝入MS3、MS5、MS7、MS8、MS9段雷管，孔外用四通連結(jié)，MS2錯(cuò)排。光面孔在主爆孔之后起爆，MS10、MS2非電毫秒雷管接力傳爆，分段起爆。起爆網(wǎng)路如圖3所示。

圖3 起爆網(wǎng)路

3 復(fù)合消能爆破技術(shù) [3,5]

在炮孔底部安裝高波阻抗球形墊塊和鋪設(shè)松砂墊層形成復(fù)合消能結(jié)構(gòu)，利用沖擊波在消能結(jié)構(gòu)表面和底面兩次反射降低爆破對(duì)建基面巖體的沖擊影響。當(dāng)消能結(jié)構(gòu)采用鑄鐵高波阻抗材料，在消能結(jié)構(gòu)與柔性墊層交界面發(fā)生的強(qiáng)烈二次反射，使通過(guò)消能結(jié)構(gòu)的沖擊波能量?jī)H有12%～15%傳入柔性墊層。同時(shí)松砂在動(dòng)應(yīng)力條件下易發(fā)生液化流動(dòng)，消耗較多能量，進(jìn)一步減小透射入建基面巖體的應(yīng)力波強(qiáng)度，減小爆破對(duì)建基面的損傷(見(jiàn)圖4)。

圖4 復(fù)合消能爆破技術(shù)原理

3.1 生產(chǎn)性試驗(yàn)參數(shù)

為驗(yàn)證建基面復(fù)合消能爆破技術(shù)在舟山綠色石化基地基坑群爆破開(kāi)挖中的應(yīng)用效果，針對(duì)基坑群爆破區(qū)域的工程地質(zhì)條件，在基坑群中隨機(jī)選取了3塊區(qū)域開(kāi)展垂直孔復(fù)合消能爆破技術(shù)生產(chǎn)性試驗(yàn)，為后續(xù)大面積應(yīng)用該技術(shù)進(jìn)行爆破開(kāi)挖提供科學(xué)依據(jù)。3塊試驗(yàn)區(qū)域分別布置9～11排炮孔，炮孔數(shù)為90～100個(gè)，試驗(yàn)爆破參數(shù)如表4所示。

表4 試驗(yàn)爆破參數(shù)

將試驗(yàn)區(qū)分常規(guī)區(qū)和采用垂直孔復(fù)合消能技術(shù)的消能區(qū)，裝藥結(jié)構(gòu)基本一致，不同之處在于消能區(qū)孔底放置消能球(直徑100 mm)及松砂柔性墊層，如圖5所示。3次試驗(yàn)均采用孔內(nèi)延時(shí)起爆網(wǎng)路，孔外無(wú)地表雷管，2排一響，從中間向兩端依次裝填MS3～MS10雷管。為進(jìn)一步探究爆破時(shí)消能區(qū)和常規(guī)區(qū)的巖體損傷程度，在2#試驗(yàn)中鉆取4個(gè)聲波測(cè)試孔，即P1、P2、P3和P4，聲波孔直徑105 mm，其中P1、P2位于消能區(qū)，P3、P4位于常規(guī)區(qū)，孔間距2 m，深度比正?？咨罴s3.5 m。

圖5 裝藥結(jié)構(gòu)

3.2 試驗(yàn)程序

1)測(cè)量鉆孔。測(cè)量是進(jìn)行復(fù)合消能爆破試驗(yàn)爆前準(zhǔn)備工作的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其精確度的高低直接影響試驗(yàn)效果。采用測(cè)量?jī)x器對(duì)炮孔孔口高程及孔深進(jìn)行有效測(cè)量，得出孔底高程，并如實(shí)記錄。鉆孔前，對(duì)鉆機(jī)操作人員進(jìn)行逐孔交底，確保鉆孔的準(zhǔn)確性，鉆孔完畢后，應(yīng)及時(shí)覆蓋予以保護(hù)，對(duì)聲波孔填充砂石進(jìn)行保護(hù)。

2)孔底填砂及放置消能球。依據(jù)復(fù)合消聚能爆破技術(shù)的作用機(jī)理，炮孔底部消聚能結(jié)構(gòu)處于同一高程面時(shí)，群孔爆破后其對(duì)底板平整的控制效果最為明顯[6]，因此盡可能使孔底消能球處于同一高程。根據(jù)孔底高程計(jì)算填砂量，填砂過(guò)程中，應(yīng)反復(fù)檢查孔底松砂裝填情況，并進(jìn)行有效找平。填砂完成后，應(yīng)依次逐孔放置消能球。

3)裝藥起爆。采用相同的連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)，炮孔內(nèi)均裝填單發(fā)普通塑料導(dǎo)爆管雷管，孔內(nèi)延時(shí)順序起爆。起爆前，應(yīng)按照規(guī)程要求進(jìn)行清場(chǎng)及爆破安全警戒。

4)建基面測(cè)量與數(shù)據(jù)處理。爆破完成后，及時(shí)進(jìn)行爆堆挖裝清理。通過(guò)布置間隔為50 cm的測(cè)線(xiàn)，形成50 cm×50 cm的網(wǎng)格，地形起伏較大處應(yīng)適當(dāng)加密，利用GPS-RTK在每個(gè)網(wǎng)格頂點(diǎn)的實(shí)際高程，并將測(cè)量數(shù)據(jù)整理成坐標(biāo)形式，導(dǎo)入至三維建模軟件Catia中，與設(shè)計(jì)高程對(duì)比得到建基面超欠挖情況，定量評(píng)價(jià)建基面平整度。

3.3 試驗(yàn)效果分析

1)宏觀(guān)效果。利用挖掘機(jī)將巖堆清除，采用抽水設(shè)施將積水抽凈，得到試驗(yàn)區(qū)整體成型效果，可以看出，孔底布置有復(fù)合消能結(jié)構(gòu)的消能區(qū)開(kāi)挖成型效果相較于正常裝藥結(jié)構(gòu)的常規(guī)區(qū)明顯要好，局部起伏區(qū)的面積更小，起伏差控制地更好。

2)三維模型及超欠挖分析。根據(jù)RTK底板測(cè)量數(shù)據(jù)建立三維模型，如圖6所示。從圖中可以看出，相比于常規(guī)區(qū)，消能區(qū)建基面起伏及凹凸不平處較少，最高點(diǎn)高程為0.34 m，最低點(diǎn)高程為-0.26 m，均出現(xiàn)在試驗(yàn)區(qū)邊緣，平均高程為0.04 m；而常規(guī)區(qū)中部起伏相對(duì)明顯，最高點(diǎn)高程達(dá)到0.41 m，最低點(diǎn)高程-0.33 m，起伏差為0.74 m，平均高程為-0.08 m。

圖6 2#試驗(yàn)區(qū)建基面三維模型

由此可見(jiàn)，相比于傳統(tǒng)常規(guī)的基坑爆破方法而言，采用消能爆破技術(shù)控制建基面的平整度具有更好的優(yōu)勢(shì)。

對(duì)1#～3#試驗(yàn)的超欠挖情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，按欠挖0～10 cm、欠挖10～20 cm、超挖0～10 cm、超挖10～20 cm和超挖20 cm以上劃分，消能區(qū)和常規(guī)區(qū)超欠挖所占面積百分比統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表5所示。

表5 試驗(yàn)區(qū)超欠挖范圍占比統(tǒng)計(jì)

超欠挖不超過(guò)10 cm，常規(guī)區(qū)占比平均值為33.86%，采用消能爆破技術(shù)后為39.92%，提升幅度15.2%；超欠挖20 cm范圍內(nèi)，常規(guī)區(qū)占比平均值68.49%，采用消能爆破技術(shù)后為72.72%，提升幅度約6.2%；超欠挖20 cm以上區(qū)域，消能區(qū)占比面積比常規(guī)區(qū)降低約13.4%。采用復(fù)合消能爆破技術(shù)后，各試驗(yàn)區(qū)建基面超欠挖程度均有所改善。

3)孔底巖體損傷監(jiān)測(cè)。爆后對(duì)4個(gè)聲波孔進(jìn)行聲波檢測(cè)，以深度大于1.5 m的平均波速作為未損傷巖體波速，參考相關(guān)規(guī)范以10%的波速變化率為判定標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)計(jì)出消能區(qū)和常規(guī)區(qū)的巖體損傷深度，如表6所示。

表6 試驗(yàn)區(qū)巖體損傷深度統(tǒng)計(jì)

消能區(qū)巖體的平均損傷深度為1.1 m，常規(guī)區(qū)巖體的平均損傷深度為1.4 m，消能區(qū)巖體的平均損傷深度較常規(guī)區(qū)減少了21.4%。因此可以看出，在相同的試驗(yàn)條件下，復(fù)合消能爆破技術(shù)可以有效地減小爆破對(duì)孔底巖體的損傷，更好地保護(hù)建基面。

復(fù)合消能爆破技術(shù)可實(shí)現(xiàn)爆破能量向上部和側(cè)向巖體聚集，有效減小孔底保留巖體的損傷，在后續(xù)核心區(qū)石化裝置基坑爆破中得到了有效驗(yàn)證，取得了良好的建基面控制效果，經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益顯著。

4 施工管理

4.1 鉆孔施工

基坑群初始開(kāi)挖面為原礦山開(kāi)采移交場(chǎng)地，場(chǎng)地存在一定的起伏，如何降低場(chǎng)地標(biāo)高差異對(duì)鉆孔深度的影響，是保證建基面平整的首要前提。施工中，基坑群的鉆孔深度控制主要采用水準(zhǔn)儀與GPS-RTK相結(jié)合的測(cè)量方法，對(duì)于核心裝置區(qū)基坑鉆孔深度控制全部采用水準(zhǔn)儀觀(guān)測(cè)法實(shí)施精確測(cè)量。水準(zhǔn)儀觀(guān)測(cè)法實(shí)施如圖7所示。

注：圖中h2為前視讀數(shù)；H3為已知高程點(diǎn)；h3為后視讀數(shù)；H1為坑底開(kāi)挖設(shè)計(jì)標(biāo)高；h1為初始開(kāi)挖面和坑底標(biāo)高差；H2為待鉆炮孔初始標(biāo)高；△h為鉆孔超深。

采用水準(zhǔn)儀高程計(jì)算公式：h2+H1+h1=H3+h3，計(jì)算出h2和(h1+h2+△h)值，并依此在鉆桿上設(shè)置紅色或其他醒目控制標(biāo)記。施鉆過(guò)程中，由專(zhuān)業(yè)測(cè)量技術(shù)人員全程監(jiān)控，并與鉆機(jī)操作人員保持密切溝通。當(dāng)控制標(biāo)記達(dá)到十字絲中心位置時(shí)，及時(shí)告知鉆機(jī)操作人員停止作業(yè)。鉆孔完畢后，由鉆機(jī)輔助工及爆破作業(yè)人員共同檢查驗(yàn)收，主要采用皮尺測(cè)量，確認(rèn)炮孔達(dá)到設(shè)計(jì)孔深后，進(jìn)行炮孔封口保護(hù)。

4.2 基坑排水

基坑群爆破開(kāi)挖施工進(jìn)度受積水影響較大，如何實(shí)現(xiàn)坑內(nèi)和場(chǎng)地積水的合理有序排放至關(guān)重要。根據(jù)爆破開(kāi)挖順序、水文地質(zhì)條件及基坑開(kāi)挖深度，確定采用排水溝、集水井相結(jié)合的排水方案。

1)排水溝。在基坑群南北兩側(cè)各開(kāi)挖1條排水溝延伸至二期成陸回填區(qū)。北側(cè)排水溝長(zhǎng)度約600 m，南側(cè)排水溝長(zhǎng)度約910 m。排水溝底寬2 m，深度1.1 m，坡度0.3%，排水溝擋墻距坡頂邊0.5 m，高度為0.5 m。

2)明溝、集水井?；尤菏┕^(qū)基巖裂隙水較發(fā)育，滲出的地下水較多，排水工作量大?？觾?nèi)排水采用明溝和集水井結(jié)合方式，明溝沿基坑周?chē)O(shè)置，底面比基底標(biāo)高低20～30 cm，寬度為30 cm，排水坡度為3‰，使?jié)B出的地下水沿著明溝向集水井匯集。集水井?dāng)?shù)量根據(jù)基坑規(guī)模和形狀確定，一般不少于2個(gè)，集水井底比明溝底低0.5 m，寬度為60～70 cm。

根據(jù)滲水量大小，配置13臺(tái)潛水泵，其中排水量120 m3/h配置4臺(tái)；排水量75 m3/h配置6臺(tái)；排水量30 m3/h配置3臺(tái)，可滿(mǎn)足基坑群排水需求。

4.3 交叉施工協(xié)調(diào)

基坑群爆破開(kāi)挖過(guò)程中，主要與二期石化廠(chǎng)區(qū)土建施工單位和一期石化投產(chǎn)區(qū)存在交叉作業(yè)。從安全角度出發(fā)，與爆區(qū)周邊施工單位逐一簽訂安全生產(chǎn)管理協(xié)議，明確各方安全職責(zé)和應(yīng)當(dāng)采取的安全措施，確保職責(zé)清楚，界限明確。與各單位建立長(zhǎng)效溝通機(jī)制，提前制定爆破和土建施工計(jì)劃，并上報(bào)至工作交流群或采取現(xiàn)場(chǎng)負(fù)責(zé)人臨時(shí)碰頭會(huì)形式統(tǒng)籌協(xié)調(diào)。

爆破前，至少提前3天發(fā)布施工公告，提前1天發(fā)布爆破公告，并根據(jù)爆區(qū)環(huán)境優(yōu)化爆破方案，選擇合理的爆破參數(shù)，及時(shí)校核最大單段藥量，做好爆區(qū)防護(hù)，嚴(yán)格控制爆破振動(dòng)、個(gè)別飛散物等有害效應(yīng)對(duì)一期石化投產(chǎn)設(shè)施的影響。同時(shí)，積極參加建設(shè)單位組織的生產(chǎn)協(xié)調(diào)會(huì)，提出交叉施工中存在的棘手問(wèn)題，與周邊施工單位始終維持良好關(guān)系。

4.4 爆破安全管理

1)爆破振動(dòng)控制。針對(duì)石化設(shè)施的爆破振動(dòng)安全允許振速?zèng)]有明確的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)[7-9]，為更加有效控制爆破振動(dòng)對(duì)一期投產(chǎn)區(qū)石化設(shè)施的影響，結(jié)合石化裝置動(dòng)力響應(yīng)結(jié)構(gòu)的主頻率和結(jié)構(gòu)特性等因素，通過(guò)基于石化設(shè)施振動(dòng)反應(yīng)譜分析、動(dòng)力有限元計(jì)算及爆破振動(dòng)跟蹤監(jiān)測(cè)，初步提出了針對(duì)石化設(shè)施爆破振動(dòng)的安全允許振速標(biāo)準(zhǔn)參考值，如表7所示。

表7 石化設(shè)施爆破振動(dòng)安全允許標(biāo)準(zhǔn)參考值

基于提出的標(biāo)準(zhǔn)參考值，在后續(xù)基坑爆破實(shí)施過(guò)程中，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)和摸排調(diào)查，爆破均未對(duì)一期投產(chǎn)區(qū)石化設(shè)施造成任何損壞。

2)爆破飛石。工程周邊環(huán)境復(fù)雜，緊鄰已運(yùn)行一期石化裝置區(qū)，對(duì)爆破飛石采取必要的防護(hù)措施，以免爆破飛石損壞石化裝置是至關(guān)重要的。綜合考慮爆破安全性、防護(hù)實(shí)用性，從主動(dòng)和被動(dòng)防護(hù)兩方面開(kāi)展防護(hù)工作，主動(dòng)防護(hù)包括合理布孔，優(yōu)化爆破參數(shù)，精細(xì)化施工等，從施工設(shè)計(jì)層面把控；被動(dòng)防護(hù)采用加厚帆布、竹笆等進(jìn)行覆蓋，重點(diǎn)部位采用土袋、砂袋等進(jìn)行防護(hù)[10-11]。

5 結(jié)語(yǔ)

1)對(duì)于復(fù)雜環(huán)境大面積基坑群爆破開(kāi)挖，綜合考慮工程特點(diǎn)、周邊環(huán)境及工期等要求，確定合理的施工順序是項(xiàng)目安全順利開(kāi)展的重要前提。

2)與常規(guī)基坑爆破方法相比，采用復(fù)合消能爆破技術(shù)，能夠有效降低建基面超欠挖及起伏差，獲得更為平整的建基面。

3)從爆破設(shè)計(jì)到施工再到管理，各個(gè)環(huán)節(jié)，貫穿運(yùn)用精細(xì)爆破理念，克服了環(huán)境復(fù)雜、施工組織難度大等難點(diǎn)，取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。