大规模岩土爆破工程施工技术

丁银贵，孙钰杰

(1.宏大爆破有限公司，广州 510623；2.大昌建设集团有限公司，浙江 舟山 316000)

1 工程概况

舟山绿色石化基地位于浙江省舟山市岱山县大小鱼山岛围垦区，是国家石油化工“十三五”规划重点项目，是中国(浙江舟山)自由贸易试验区建设的引擎，是舟山江海联运服务中心发展的核心，总体规划分近、中、远三期，规划面积约41 km2[1](见图1)。舟山绿色石化基地8 000万方岩土爆破工程是石化基地的先锋工程，开采石料主要为陆域形成、海堤填筑及水下抛石等工程提供建设需求，总工期39个月，分2期施工，一期工程由10个相对独立的开采区组成，2015年9月15日开工，2017年5月10日竣工，完成工程量3 300万方；二期工程由7个相对独立的开采区组成，2017年5月1日开工，2018年12月30日竣工，完成工程量4 700万方。

图1 舟山绿色石化基地总体规划Fig.1 Zhoushan green petrochemical base master plan

1.1 工程地质与水文情况

围垦区为发育单一的火山碎屑岩，岩性为流纹质含角砾玻屑熔结凝灰岩，呈青灰色，塑变结构，假流动构造。岩屑成分主要为含角砾玻屑熔结凝灰岩、玻屑凝灰岩、英安玢岩、安山岩、粉砂岩、蚀变岩等，含量约在20%～25%之间，粒度一般在5 ～50 mm，个别超过100 mm，多呈棱角状。岩石天然抗压强度最低155.0 MPa，最高239 MPa，平均值为195.3 MPa。

区内淡水资源缺乏，地势总体中间高，四周低。地下水主要有松散岩类孔隙潜水和基岩裂隙潜水。区内松散岩类厚0.30～2.70 m，岩性为含碎石粉质黏土，透水性、富水性差，水量贫乏。节理虽较发育，但节理面平直、闭合，水的连通性差。岩石最大风化厚度约2.70 m，地下水向下渗透的路径不长，迳流率较小。

1.2 施工特点

1)工程区属亚热带季风海洋性气候，夏季易发台风暴雨，加上大雾天气多且海上风浪大，给工程进度、施工安全和物资保障带来一定影响。

2)开采石料“一供多需”，且石料级配、强度及含泥量等要求较高，因此石料调配工作量大，石料质量控制难度大。

3)随着采区西侧石化厂区的快速建设，对爆破振动、个别飞散物及扬尘等有害效应控制要求日趋严格，大规模爆破施工难度大。

2 爆破施工方案

综合考虑工程特点、施工环境及工期等因素，确定采用公路开拓运输系统，自上而下分台阶开采，液压挖掘机挖装—自卸汽车运输—推土机推排的施工工艺。台阶推进采用钻孔爆破法施工，露天深孔台阶采用毫秒延时爆破技术，距石化装置区100 m范围内则采用复杂环境深孔爆破及浅孔爆破相结合的爆破方法。

本工程台阶高13～15 m，最小工作平台宽40 m，道路平均纵坡为6.0%。以等边三角形布孔为主，矩形布孔为辅，钻孔作业采用高风压潜孔钻机和液压钻机，钻孔直径115 mm；爆破施工以逐孔起爆为主，临近边坡、建基面等区域采用特殊爆破技术。

3 施工关键技术

在临近边坡、建基面、石化装置等区域，综合采用斜线起爆、径向耦合-不耦合装药轴向孔底空气间隔定向卸压爆破、预留孔底保护层缓冲爆破等关键技术进行施工。

3.1 等边三角形布孔斜线起爆技术

关于宽孔距小抵抗线爆破机理[2]，国内外有着各种理论和假说，但尚无统一定论。该技术最早由兰格福斯.U[3]提出，他认为增大炮孔密集系数m，能够增加岩石内的剪应力和拉应力，使暴露岩面只能以一个弯曲面向前移动，这样岩体将在每个炮孔的前方出现更明显的弯曲，从而改善破碎效果。因此，本工程通过采用等边三角形布孔斜线起爆技术，减小抵抗线(排距)，增大实际孔距来增大炮孔密集系数m。

3.1.1 爆破参数

等边三角形布孔斜线起爆技术爆破参数如表1所示。

表1 爆破参数

3.1.2 起爆方式

常规方式起爆时，炮孔密集系数m1=a1:b1=1.375，每个炮孔负担面积为S1=22.0 m2；斜线起爆时，炮孔密集系数m2=a2:b2=3.83，S2=S1=22.0 m2保持不变，炮孔密集系数提升2.785倍。

本次起爆方式如图2所示。

注：①～⑩表示起爆顺序。图2 等边三角形布孔斜线起爆Fig.2 Oblique initiation of the equilateral triangle blasthole layout

3.1.3 爆破效果

采用等边三角形布孔斜线起爆技术，前排孔爆破后可以为后排炮孔创造出双平面的实际自由面，更加有利于岩石之间的挤压破碎，能够取得更好的爆破效果。爆堆经3D激光扫描分析，斜线起爆比常规起爆方式大块率下降了20%～30 %，二次破碎成本明显降低。

3.2 径向耦合-不耦合装药轴向孔底空气间隔定向卸压爆破技术

该技术是在炮孔径向和轴向同时预留空气介质的一种装药爆破技术，它的实质是利用径向不同的装药结构调整装药系数，以达到控制爆炸波分布规律的目的[4]，其爆破参数如表2所示。

表2 爆破参数

3.2.1 装药结构

径向耦合-不耦合装药是径向底部耦合装药、径向中上部不耦合装药的一种装药结构；轴向孔底空气间隔是指在药柱下端与孔底之间预留空气柱的一种间隔装药结构。根据本工程岩性特点及石料需求单位的粒径要求，轴向孔底空气间隔取2.0 m，采用直径为φ110 mm 的PVC管自制孔底空气间隔器。孔底空气间隔器上方采用径向不耦合装药，底部4.0 m采用φ110 mm乳化炸药丢装，中间3.0 m采用φ90 mm乳化炸药吊装，上部3.0 m采用φ70 mm乳化炸药吊装，吊装完成后药柱顶部用塑料袋封堵，封堵完成后进行炮孔填塞。装药结构如图3所示。实践证明，这种爆破技术明显减少了根底的产生，加强了岩石破碎的效果，降低了爆破后冲作用和爆破振动，保留岩体和建基面损伤小。

图3 空气间隔定向卸压爆破技术装药结构Fig.3 Directional pressure relief blasting technology charge structure

3.2.2 爆破效果

采用径向耦合-不耦合装药轴向孔底空气间隔定向卸压爆破技术，爆破时底部空气间隔延长了爆破作用时间，从而使岩体更好破碎，大块率下降了10%～15 %。同时，底部空气间隔也有一定的卸压作用，改变了局部冲击波的分布情况及爆轰气体强度，对爆炸冲击波有一定的导向作用，使炮孔底部爆破更完全，根底残余量更少。

定向卸压隔振爆破在降低爆破振动方面也有明显的减振效果，根据测振统计结果，爆区外50 m处测点振速降低15%～25 %。

3.3 预留孔底保护层缓冲爆破技术

根据靠帮边坡设置要求，最上层边坡坡面角较小(34°)，钻孔效率低，且成孔质量较难控制，不宜采用光面(预裂)爆破[5]。而且表层边坡岩石风化严重，节理裂隙发育，结构松散，呈碎块状，物理力学性质差，为有效保护边坡岩体，减少施工对边坡岩体的破坏，最上层边坡采用预留孔底保护层缓冲爆破，辅以机械破碎[6]。

3.3.1 爆破参数

1)钻孔直径D。采用潜孔钻机或液压钻机作业，孔径D=115 mm。

2)台阶高度H。靠帮边坡台阶高度H=15 m。

3)预留保护层厚度h。炮孔分5排布置，钻孔角度均为90°，孔底至边坡坡面预留1.0～1.5 m厚的保护层，钻孔深度每一排均不相同。第1～5排预留保护层厚度分别为1.5、1.5、1.2、1.0、1.0 m。

4)孔距a。同排炮孔间距相同，不同排炮孔间距不同，第1～5排孔距分别为5.0、4.5、4.0、3.5、3.0 m。

5)排距b。每2排炮孔排距均不相同，第1排、第2排间孔排距b1=4.5 m，第2排、第3排间孔排距b2=4.0 m，第3排、第4排间孔排距b3=3.5 m，第4排、第5排间孔排距b4=3.0 m。

6)填塞长度L。同排炮孔填塞长度相同，不同排炮孔填塞长度不同，第1～5排炮孔填塞长度分别为4.5、4.0、3.5、3.0、2.5 m。

3.3.2 装药结构

采用药卷直径φ=110 mm的成品乳化炸药连续、耦合装药，两个起爆药包同时起爆，药包位置安装在炮孔内装药长度的1/4处和3/4处。

预留孔底保护层缓冲爆破参数及装药结构如图4所示。

图4 预留孔底保护层缓冲爆破参数及装药结构Fig.4 Parameters and charge structure of cushion blasting with reserved hole bottom protection

3.3.3 起爆网路

靠帮边坡预留孔底保护层缓冲爆破起爆网路采用逐孔起爆技术[7]，孔内使用2发MS10段380 ms非电导爆管雷管，排间采用MS5段110 ms非电导爆管雷管错段，孔间采用MS3段50 ms非电导爆管雷管错段，同排错段采用MS2段25 ms非电导爆管雷管。预留孔底保护层缓冲爆破起爆网路设计如图5所示。

图5 预留孔底保护层缓冲爆破起爆网路Fig.5 Detonation network of cushion blasting with reserved hole bottom protection

3.3.4 爆破效果

爆破后边坡台阶高度、坡率、马道宽度等参数均满足设计要求，排水系统规格及参数与施工图纸一致，边坡眉线平直、坡面平整，没有拉裂或爆破损伤，整体稳定性好。

4 结语

针对大规模、高强度岩土爆破工程，采用等边三角形布孔斜线起爆网路、径向耦合-不耦合装药轴向孔底空气间隔定向卸压爆破等关键技术，使岩体破碎效果更好，大块率下降10%～30 %；同时，降低了爆破后冲作用和爆破振动，爆破振速降低15%～25%；缓冲爆破技术能有效控制爆破能量，降低边坡岩体和建基面的爆破损伤。本工程所采取的爆破技术可为类似大型岩土爆破工程的施工提供借鉴。