大型弧形高边坡预裂爆破设计与施工技术

王永虎，李雷斌，金沐，肖涛

1.中国石油集团工程设计有限责任公司华北分公司，河北任丘062550

2.中铁港航局集团有限公司，广东广州510660

大型弧形高边坡预裂爆破设计与施工技术

王永虎1，李雷斌2，金沐2，肖涛2

1.中国石油集团工程设计有限责任公司华北分公司，河北任丘062550

2.中铁港航局集团有限公司，广东广州510660

以舟山国家石油储备基地扩建项目为载体，介绍了高边坡预裂爆破的设计与施工方法。场区建设涉及山体高边坡开挖。该山体为中风化～微风化凝灰岩，为保证弧形高边坡开挖成型，且最大程度减小爆破对预留高边坡的破坏，确保后期库区运营安全，设计采用深孔大孔径进行预裂爆破施工，对爆破参数、预裂孔的钻孔技术、不耦合装药方法、爆破振动控制等进行了优化。从实际效果来看，深孔大孔径预裂爆破不仅保证了弧形高边坡的成型，确保管道隧道在安全允许振动范围内，而且经济实用、大大节约了工期，对类似工程有一定的参考价值。

弧形边坡；深孔；大孔径；预裂爆破

预裂爆破是在保护预留边坡的控制爆破中最为常用的一种方式，它在减少爆破对预留边坡岩体的破坏，保持边坡的稳定性方面起着至关重要的作用[1]。本文以舟山国家石油储备基地扩建项目的弧形高边坡为工程载体，介绍了深孔大孔径预裂爆破的参数设计与施工方法。

1　工程概况

舟山国家石油储备基地扩建项目位于浙江省舟山市定海区临城街道岙山岛，设计存储量300万m3，布置10万m3储油罐30个。油库基地东南侧为中风化～微风化凝灰岩组成的低丘陵地貌，场区建设涉及山体高边坡开挖。高边坡设计为弧形边坡，最大开挖高度127 m，坡脚高度8 m，坡脚长752 m，自下而上共分9级放坡，每级台阶宽度3 m、高度12～15 m、坡度45°～53°，设计参数如表1所示，设计坡面面积75 320 m2。坡脚为通行路、罐区，边坡安全设计等级为一级。

新建管道隧道贯穿山体，入口在第1级边坡约中部位置，见图1。边坡爆破时应控制爆破振动对管道隧道的影响。

表1　边坡开挖设计参数

图1　边坡设计平面

2　爆破方案选择

小孔径预裂爆破虽然能有效控制飞石，减少边坡超挖或欠挖，但仍存在施工时间太长、不经济的问题，且对于较深的预裂孔不能保证钻孔角度[2]。考虑本工程工期紧，为保证弧形高边坡开挖成型，且最大程度减小爆破对预留高边坡的破坏，确保后期库区运营安全，结合现场实际情况，采用深孔大孔径进行预裂爆破设计与施工。

3　爆破器材及施工机具选择

爆破器材及施工机具根据现场实际情况进行选择[3]。

（1）主炮孔和缓冲孔均选用2#岩石乳化炸药（φ90 mm），塑料导爆管非电毫秒雷管；预裂孔使用2#岩石乳化炸药（φ32 mm），普通导爆索起爆。

（2）主炮孔、缓冲孔及预裂孔等采用φ115 mm钻头的履带式潜孔钻机钻孔。

4　爆破参数设计

本工程弧形高边坡共9个台阶，每级边坡设计参数不同，为方便定量化计算爆破参数，本文以管道隧道入口处第1级边坡为例进行分析。该处边坡设计参数为：坡比1∶0.75，台阶高度15 m，坡顶圆弧半径105.65 m，坡脚圆弧半径116.90 m，见图2。

图2　管道隧道入口处第1级边坡设计参数

4.1主炮孔

主炮孔采用中深孔控制爆破，其爆破参数如表2所示。

4.2预裂孔

预裂爆破初步设计参数根据表3进行选取。

管道隧道入口处第1级边坡倾角为53.1°，台阶高度15 m，钻孔直径115 mm，预裂爆破参数计算采用公式（1）～（8）：

式中：S为坡顶孔距，m；D为预裂孔直径，m。本次设计取S=1.5 m。

表2　中深孔爆破参数

表3　预裂爆破初步设计参数

式中：S′为坡脚孔距，m；R′为坡脚圆弧半径，m；R为坡顶圆弧半径，m。本次设计取S′=116.9/ 105.65×1.5=1.66（m）。

式中：B为最小抵抗线（当预裂孔与缓冲孔的孔径相同时，预裂孔到缓冲孔的最小抵抗线），m，本次设计取B=1.5×1.5=2.25（m），取值2.3 m。

式中：lex为线装药密度，kg/m，本次设计取lex=152/ 12 100=1.09（kg/m）。

式中：h为倾斜孔超深，m，本次设计取h=0.3× 2.3=0.69 m，取值0.7 m。

式中：L为预裂孔深度，m；H为台阶高度，m；α为边坡倾角，（°）。本次设计取L=15/sin53.1°+ 0.7=19.45（m），取值19.5 m。

由于不允许有飞石，所以堵塞长度按公式（7）计算：

式中：l0为堵塞长度，m，本次设计取l0=2.3 m。

式中：Q为预裂孔单孔装药量，kg，本次设计取Q=（19.5-2.3+1）×1.09=19.84（kg）。

4.3缓冲孔

缓冲孔是用来降低主炮孔对预留边坡的爆破危害，同时为了降低大块率，达到更好的爆破效果，而在最后一排主炮孔与预裂孔之间布置的炮孔。根据主炮孔与预裂孔之间的距离，本次设计布置了2排垂直缓冲孔。

当主炮孔与缓冲孔的孔径相同时，缓冲孔的排距b和孔距a分别为主炮孔排距和孔距的70%～80%，具体参数如下：排距b=0.8×3.8=3.0（m），孔距a=0.8×5.2=4.2（m），其余参数按照中深孔爆破参数相关计算公式计算。

4.4布孔方式

主炮孔、缓冲孔采用梅花形布孔，预裂孔沿坡顶圆弧布置，见图3。

图3　钻孔布置平面

4.5装药结构

（1）主炮孔。连续装药结构，底部耦合装药，柱状部分不耦合装药（不耦合系数1.28）。

（2）缓冲孔。连续装药结构，第1排缓冲孔（靠近最后一排主炮孔）采用柱状不耦合装药结构（不耦合系数1.28）；第2排缓冲孔（靠近预裂孔）采用底部耦合装药结构。

（3）预裂孔。采用不耦合空气间隔装药结构。

所有炮孔均堵塞，主炮孔、缓冲孔及预裂孔的装药结构，见图4。

图4　主炮孔、缓冲孔及预裂孔装药结构示意

4.6起爆网路

（1）主炮孔、缓冲孔。本工程爆破主炮孔及缓冲孔采用的起爆网路是塑料导爆管非电毫秒雷管起爆系统，孔外延期的接力式起爆网路，单孔单响可有效降低爆破振动有害效应对新建管道隧道的影响（或根据最大单响药量控制多孔同时起爆），图5为逐孔接力式起爆网路。

图5　逐孔接力式起爆网路

（2）预裂孔。预裂孔内采用导爆索串联，所有预裂孔均同时起爆或根据最大单响药量控制分组起爆（每组约5～10个预裂孔），分组起爆时间间隔约25 ms。导爆索主线与主炮孔的最初传爆雷管连接，见图5[5]。

4.7爆破振动控制

本工程新建管道隧道与山体边坡爆破同时施工，由于隧道入口在第1级边坡正下方，隧道贯通需等待第1级边坡开挖完成之后，才能由隧道出口向入口方向进行爆破贯通，同时考虑山体边坡对管道隧道的爆破振动影响，隧道预留36 m（12个进尺）。

根据本工程前期多次爆破测得的振动数据及相关爆破参数，线性回归得到以下3个振动速度公式：

式中：vx、vy、vz分别为保护对象所在地质点在水平径向、竖直向、水平切向振动安全允许速度，cm/s；Qx、Qy、Qz分别为水平径向、竖直向、水平切向的炸药量，延时爆破为最大一段药量，kg；R为爆源至保护对象的距离，m。

对于交通隧道，GB6722-2014《爆破安全规程》规定：安全允许速度12～15cm/s，取最小值12.0cm/s，根据公式（9）、（10）、（11）分别计算同时起爆炸药量，则Qx=305.82 kg，Qy=222.92 kg，Qz= 141.04 kg。

根据计算结果，取141.04 kg作为同时起爆炸药量，来控制山体边坡爆破振动对管道隧道的影响。

因此，主炮孔和缓冲孔采用逐孔接力式起爆网路，单孔最大装药量为93.32 kg＜141.04 kg；预裂孔每孔装药量为19.84 kg，按每组不多于7个预裂孔分组起爆，可确保山体边坡爆破时管道隧道在安全允许振动范围内。

5　预裂爆破施工及效果分析

预裂爆破效果的好坏很大程度上取决于预裂孔的方向、角度和深度。施工前，用中海达GPS V30的圆弧放样功能准确测出设计边坡线和预裂孔的位置，然后距离预裂孔2 m左右再进行圆弧放样，以便于预裂孔的定位，此时应注意两次放样时坡顶孔距与坡脚孔距的区别，避免定向错误。预裂孔的角度应与设计边坡坡度一致，钻孔过程中用坡度尺进行校正。预裂孔钻孔作业如图6所示。

实际效果如图7所示，采用深孔大孔径预裂爆破，爆破效果达到了预期目的，没有出现欠挖及超挖现象，不仅保证了弧形高边坡的成型，增加了预留边坡的稳定性，降低了山体边坡爆破振动对管道隧道的影响，而且能使装载、运输和机械破碎等后续工序发挥高效率，节约了工期，也降低了工程的总成本。

图6　预裂孔钻孔

图7　预裂爆破局部效果

6　结论

（1）本工程采用深孔大孔径预裂爆破方案，严格控制了超挖欠挖，不仅保证了弧形高边坡的成型，还增加了预留边坡的稳定性。

（2）主炮孔和缓冲孔采用逐孔接力式起爆网路，预裂爆破按每组不多于7个预裂孔分组起爆（分组起爆时间间隔25 ms），严格控制同时起爆炸药量，确保山体边坡爆破时管道隧道处于安全允许振动范围内。

（3）深孔大孔径预裂爆破辅助缓冲孔，有效解决了大块率问题，同时降低了单位炸药消耗量，提高了经济效益，还能使装载、运输和机械破碎等后续工序发挥高效率，节约了工期。

[1]汪旭光.爆破设计与施工[M].北京：冶金工业出版社，2013：247-262.

[2]丁率.高边坡深孔预裂爆破施工技术[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]杨年华.爆破振动理论与测控技术[M].北京：中国铁道出版社，2014：148-149.

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

[6]吴亮，金沐，李雷斌，等.露天矿边坡爆破对既有隧道的影响分析[J].金属矿山，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，河北邢台人，工程师，2008年毕业于武汉理工大学结构工程专业，硕士，现从事石油工程项目管理方面的工作。Email：181871785@qq.com

2016-03-31