前坪水库坝肩高边坡石方开挖控制技术

刘建伟，杜欣明，黄梦州

（河南省水利第一工程局，450016，郑州）

一、工程概况

前坪水库主坝采用黏土心墙砂砾（卵）石坝跨河布置，坝顶长818 m，坝顶高程423.5 m，坝顶设高1.2 m 混凝土防浪墙，坝顶宽度10.0 m，最大坝高90.3 m。

坝址区下伏基岩以安山玢岩为主，具镶嵌结构～碎裂结构特征，质坚性脆，弱风化，岩体结构面短小，延展差， 且结构面多已硅化或钙质胶结，岩块嵌合紧密，坝基岩体工程地质分类为 AⅢ2～AⅣ2 类。

左、右坝肩岩体单薄，左坝肩下伏基岩主要为安山玢岩， 呈弱风化，为镶嵌碎裂结构。 右岸岸坡陡立，基岩裸露，为弱风化安山玢岩，强度高，但裂缝发育，多微张。

二、爆破试验

根据岩体部位、岩石特性、设计要求等，挖深不超过5 m 的石方段采用手风钻钻孔爆破，超过5 m 的石方段采用深孔梯段爆破。 梯段高度结合开挖台阶设置情况， 一般在5～10 m。边坡采用预裂爆破，以尽量降低对岩体的破坏。 石方开挖预留保护层，采用浅孔小孔径保护层爆破。

爆破试验采用以下爆破方式：深孔梯段爆破、边坡预裂爆破，浅孔爆破、边坡预裂爆破，保护层爆破，沟槽爆破。

1.深孔梯段爆破

（1）布孔方式

钻孔形式采用垂直钻孔，布孔采用梅花形多排布孔形式。

（2）参数选择

梯段爆破的爆破参数主要包括台阶高度、底盘抵抗线、孔径、孔间排距、超深、孔深、炸药单耗、堵塞长度及爆破后堆石料粒径等，根据现有的KG920B型露天潜孔钻车，孔径为90 mm。

孔深L 计算公式为：

式中，H 为梯段高度，h 为超深。超深 h可按经验公式计算：

式中，W1为底盘抵抗线, 可按经验公式确定：

底盘抵抗线强风化为3.5 m，弱风化为3.0 m。

孔距a 和排距b 按下列关系式确定：

式中，m 为密集系数，一般取 0.8～1.4，在宽孔距爆破中取2～4 或者更大。

每孔装药量所能担负的破岩体积或单位孔深的面积S 有关。

一般取a=1.25b， 因此可以根据上述参数计算排距b。

堵塞度长L1按下列经验公式选取：

单排或多排孔爆破时， 第一排孔的每孔装药量Q（kg）按下式进行计算：

多排爆破时， 从第二排孔起，以后各排孔的每孔装药量按下式计算：

式中，k 为克服前排孔岩石阻力的增加系数，一般取 1.1～1.2。

根据施工现场实际情况， 深孔梯段试验参数组合： 孔深 5～10 m， 超深300 mm，孔距 2～3 m，排距 2.5～3.5 m，堵塞长度3.0 m， 强风化岩石单耗量0.30 kg/m3，弱风化岩石单耗量 0.4 kg/m3。

2.浅孔爆破

根据《土方与爆破工程施工及验收规范》（GB 50201—2012） 浅孔爆破台阶高度不宜超过5 m，孔径宜在50 mm 以内， 底盘抵抗线宜为 30～40 倍的孔径， 炮孔间距宜为底盘抵抗线的1.0～1.25 倍；浅孔爆破的堵塞长度宜为炮孔最小抵抗线的0.8～1.0 倍，较大的岩石宜为最小抵抗线的1.0～1.25 倍。

根据现场实际情况浅孔爆破试验的参数组合：孔径42 mm，孔深1～5 m，底盘抵抗线 1.5 m，孔距 1～2 m，排距1.5～2.5 m，堵塞长度 0.5～2.2 m，强风化岩石单耗量0.30 kg/m3，弱风化岩石单耗量0.40 kg/m3。

3.边坡预裂爆破

预裂爆破为轮廓爆破。 预裂爆破是在主爆孔爆破之前在开挖面上先爆破一排预裂爆破孔，在相邻炮孔之间形成裂缝，从而在开挖面上形成断裂面，以减弱主爆区爆破时爆破地震波向岩体的传播，控制爆破对保留岩体的破坏影响，且沿预裂面形成一个超挖很少或没有超挖的平整壁面，预裂爆破效果达到80%，且炮孔附近岩石不出现严重的爆破裂隙。

预裂孔先爆，超前50 ms 以上，其爆破参数主要有孔径、孔距、装药结构、线装药密度、堵塞长度等；底部装药量适当增加， 上部适当减少装药，且孔口做好堵塞；预裂面与最近的一排主爆孔之间的距离为主爆孔间距的一半，并减少装药量。

根据现场实际情况边坡预裂爆破试验的参数组合：孔径90mm，孔深5～10 m，孔距1 m，线装药量为260～300 g/m。

深孔爆破布孔示意图及剖面图如图1、图2 所示。

图1 梯段爆破钻孔布置示意图 （单位：mm）

图2 梯段爆破钻孔剖面图 （单位：mm）

4.保护层爆破

为保证建基面岩石的完整性，对上部直径为89 mm 爆破孔的建基面预留1.5 m 保护层。 保护层周边采用浅孔爆破施工， 其余部分底部留20 cm 撬挖层，采用人工辅以风镐清理至建基面设计高程。

根据现场实际情况保护层爆破试验的参数组合： 钻孔直径为42 mm（用手风钻打孔），钻孔深度 1～2 m，钻孔间距 1.2～1.8 m， 钻孔排距 1.2～1.5 m，药卷直径32 mm，单位耗药量0.5 kg/m3，装药结构为间隔装药，堵塞长度为0.6 m，底部柔性垫层0.2 m。

5.沟槽爆破

在平地上开挖沟槽时，宜在开挖一端或中部布置掏槽孔并首先起爆形成临空面，再按顺序起爆。 开挖深度不超过沟槽上口宽度的1/2， 若超过宜分层爆破。 根据岩石结构、沟槽形状、开挖深度确定孔深，孔深宜为开挖深度的1.1～1.3 倍,孔距宜为孔深的 0.6～0.8 倍。

根据现场实际情况沟槽爆破试验的参数组合：钻孔直径42 mm，孔深3～5 m，孔距 2～3 m，排距 2～2.5 m，弱风化岩石单耗0.40 kg/m3，起爆方式为先中间后两边.

6.单段最大药量

根据爆破作业区周边环境情况，确定空气冲击波超压值计算及其影响。

露天钻孔爆破超压值计算：

式中，P 为空气冲击破超压值（Pa）；Q为爆破炸药量 （kg）；R 为药包至危害对象的距离（m）；K、α 为经验系数和指数。 一般梯段爆破 K=1.48 或 1.55；炮孔法爆破大块，K=0.67，α=1.33。为保证建筑物基本无破坏，取P=0.02×105Pa。

测量与附近建筑物的距离， 通过以上计算方法控制每次爆破的炸药量。

7.爆破安全验算

爆破地震的安全设计与校核单响药量要根据每次爆破区域距保护建筑物的距离进行计算。 对于爆破作用指数小于3 的爆破作业， 随着药包埋深的增加， 空气冲击波的效应迅速减弱， 此时对人和其他保护对象的防护， 首先考虑飞石和地震安全距离。

（1）爆破震动对控制爆破震动的危害

按 照 《 爆 破 安 全 规 程 》 （GB 6722—2014）中的爆破安全距离公式计算。

式中，R 为爆破安全距离 （m）；K、a 值依据爆破不同岩性取值， 本工程K 取150、a 取 1.5；V 为地震安全速度（cm/s）；Q 为爆破毫秒微差最大一段装药量（kg）。

（2）爆破个别飞石最小安全距离

式中，L 为个别飞石最大的飞石距离；k 为安全系数， 取 15～16；d 为炮孔直径，90 mm。 经计算得：

由爆破安全规程查得：浅孔爆破不小于300 m， 深孔爆破不小于200 m。 根据现场的实际情况及临空面的布置情况，能满足规范要求，取单耗0.3～0.45 kg/m3。

8.装药及起爆网络

预裂爆破装药采用不耦合装药，将药卷均匀连续或按一定间隔距离绑扎在导爆索上， 形成一个炸药串，然后将炸药串轻轻送入炮孔内。

堵塞按照爆破设计长度要求进行，堵塞材料采用钻孔岩屑和黏土。

装药完成后，由爆破技术人员进行爆破网路敷设。 爆破采用非电导爆管和导爆索组合起爆网路，预裂爆破采用非电导爆索起爆网路，预裂孔先行起爆。

三、试验总结

1.炸药、起爆材料及钻孔设备

深孔爆破试验采用了2 号岩石乳化炸药作为引爆药卷、 岩石粉状炸药作为主爆药。 浅孔爆破试验采用了2 号岩石乳化炸药作为主爆药。 预裂爆破2 号岩石乳化炸药作为主爆药。

深孔梯段采用毫秒导爆管和非电毫秒延期雷管， 网路安全性好，起爆规模不受限制，操作方便，但对周边山体及边坡稳定有不利影响。

公司各级管理人员变动频繁，给“校企一体”教学模式的实施带来一定困难，新到岗的经理、主管在一段时间后才能熟悉这种培养方式，所以实施过程中会出现一定时期的断层。这种培养模式使校、企、学三方受益，公司人事变动对实施过程影响是暂时的，经过校企双方努力，使“校企一体”教学模式得以顺利实施。

浅孔梯段采用毫秒导爆管和非电毫秒延期雷管， 网路安全性好，起爆规模受一定的限制，但爆破对周边山体及边坡稳定影响小，出渣工作量小，施工安全有保证。

预裂爆破采用孔内导爆索导爆，孔外与网路串联， 网路安全性好，半孔率高，坡面平整，满足设计要求。

钻孔设备选用KG920B 潜孔钻，钻孔直径为90 mm， 能够确保钻孔的准确度和工作效率。

2.梯段高度、堵塞长度、单耗

深孔爆破试验：实际梯段高度为10 m，梯段的高度受钻孔精度、孔排距、炸药及起爆材料影响较大。

炮孔堵塞采用钻粉封堵。 根据现场爆破试验情况， 采取3.0 m 的封堵长度对控制块石粒径比较合适。 单耗为： 强风化岩石单耗量0.30 kg/m3，弱风化岩石单耗量0.4 kg/m3。

浅孔爆破试验：梯段高度为1.5～4.7 m，梯段的高度根据需要开挖岩石的厚度而定，但最大孔深不超过5 m。

炮孔堵塞采用钻粉封堵。 根据现场爆破试验情况， 封堵长度取1.5 m。单耗 0.35 kg/m3。

四、施工效果

坝肩石方开挖采用浅孔爆破、预裂爆破等综合爆破方案, 确保建基面的完整、稳定。 少量松动块石采用手风钻打孔小炮爆破后人工清除。 爆破顺序自上而下，分层布孔，梯段高度控制在5 m 以内。

采用多排孔微差爆破起爆方案。爆破材料选用乳化、粉状炸药，非电毫秒雷管。

钻孔设备: KG910B 型露天浅孔钻机，孔径为90 mm。

布孔方式:采用梅花形布孔。

钻孔形式：预裂孔、辅助孔为斜孔，倾斜角随建基面坡度，主爆孔为垂直孔。

预裂孔孔斜：斜坡底部预裂孔斜率、心墙上下游侧两侧边坡预裂孔斜率根据设计边坡进行控制。

通过爆破试验确定施工参数，结合现场爆破施工优化施工方案，对坝肩高边坡开挖质量的控制起到了关键性作用， 有效控制了开挖坡比，避免了大面积欠挖的二次施工，节约了人工成本，保证了施工工期。