松动爆破在陡边坡厚层堆积体开挖中的应用

2022-02-02杨红霞廖健都曹玉敏

长江科学院院报 2022年12期

杨红霞，廖健都，曹玉敏

(1.云南省滇中引水工程建设管理局，昆明 650051； 2.中国水利水电第十四工程局有限公司，昆明 650000)

目前，加强水利水电工程建设、加强中西部地区、沿江沿海沿边战略骨干通道建设成为我国基础设施建设的推进重点，隧洞(道)建设进入急速发展期。高陡边坡开挖则是其中的一项重要内容。以滇中引水工程为例，其地域覆盖范围广，洞线多呈直线型，难以避免地会遭遇高陡地形。这些地区堆积体较厚、稳定性较差，自然边坡陡峭，工作面狭小，采用何种措施施工，才能既保证开挖边界的整齐度，又能保证开挖后边坡的稳定性，并尽可能地节约成本，成为了一个施工难题。

松动爆破技术[1-3]正好能够满足这一要求。丁成芸等[2]在矿山开采中，采用松动爆破和各种减震控制技术，降低了炸药单耗，达到了预期的爆破效果。孙照会[4]在高陡路堑爆破开挖中，采用预裂深孔松动爆破技术、微差起爆技术，降低了爆破振动，减轻了累积爆破损伤效应。松动爆破技术的装药量只有标准抛掷爆破的40%～50%，且可以有效控制边坡爆破飞石、粉尘等，保障施工安全，在采矿、边坡工程施工中得到了广泛应用[5-10]。

本文基于陡边坡、厚层堆积体条件，提出了陡边坡“内-外”延迟松动爆破技术，并在滇中引水工程中取得了良好的应用效果。

1 工程概况

1.1 工程地质特点分析

滇中引水工程蔡家村隧洞总长23.433 km，出口段边坡设在昆明市富民县境内，设计开口线高程1 944.000 m，底板高程1 906.174 m，最大高差约38 m，开挖边坡坡比为1∶0.3，坡顶距离开口线3～5 m(水平距离)范围内设有截水沟，1 920.000、1 927.000 m高程处设有2 m宽马道，在人行马道内侧设有下水道。图1为隧洞出口边坡纵剖面图。

图1 蔡家村隧洞出口边坡纵剖面图Fig.1 Longitudinal profile of slope at the exit of Caijiacun tunnel

出口边坡表层为第四系坡崩积层(Q4dl+col)，其组成物质为块石、孤石、碎石加粉土，厚度约8.0 m，结构较为松散，有架空现象。下伏基岩为震旦系灯影组(Zbdn)薄—互层状白云岩，以表层强溶蚀风化为主，岩体中存在较大的溶蚀深槽，斜坡岩体存在宽大张开的卸荷裂隙。边坡属于岩土混合边坡，坡体开挖暴露后风化加剧、遇水软化，边坡开口线外围分布有多个大小不一的不稳定危岩体，在爆破振动及强降雨等极端条件下容易产生崩塌破坏。

本项目爆破开挖面临的挑战是：①本项目开挖工程量大，线路长，且边坡设计陡峭，坡比为1∶0.3；②地质情况复杂，岩体受风化严重，裂隙发育；③边坡表层堆积层达到8 m，有大量的孤石、碎石等，为施工的安全性带来了极大的威胁。

1.2 爆区周围环境

该边坡上部贴坡混凝土距爆破工作面约22 m，需控制爆破振动安全允许距离；边坡下方为安富公路，高差约170 m，车辆与行人过往频繁；距爆破工作面约200 m处有座当地自建的特色农庄，游客众多。因此，周围复杂的环境条件对此处爆破开挖的安全性提出了极高的要求，尤其要避免落石风险，并严格控制爆破飞石和粉尘。

2 陡边坡松动爆破技术

2.1 陡边坡“内-外”延迟松动爆破技术

传统的孔内延迟爆破技术通过非电毫秒雷管达到分段爆破的目的。但由于炮孔较多，该技术需要受到雷管段位的限制。

孔内外联合延迟爆破技术通过控制时间差，在孔内利用同一段高段位雷管延迟起爆，孔外用低段位雷管分段传爆，确保孔外雷管全部爆破后，孔内雷管方可爆破，有效避免了先爆孔的飞石击中孔外雷管的引线而造成拒爆现象[11]。该技术理论上可以无限制地增加爆孔，满足分段少药量爆破的要求。爆破网路连接简洁、便于区分，且能实现所需要的两孔一响和分左右两个区域微差同步间隔起爆，最终实现单段药量不超标且减少爆破次数的目的。

据此，以低单响、低单耗为控制基础，以加长爆孔和分段堵塞炮孔为关键技术，以修正预裂孔线装药密度、设计孔内外联合爆破网路为核心，以表面防护等方法为保障后盾，构建了孔内炸药药量控制、装药结构升级、孔内外联合延迟爆破设计、预留岩埂等外部防护为一体的陡边坡“内-外”延迟松动爆破技术，如图2所示。

图2 陡边坡“内-外”延迟松动爆破技术Fig.2 Loosening delay blasting technology for steep slope combining inter-hole and inter-row blasting and protection

具体方案设计如下：

(1)采用深孔爆炸技术，造孔设备以HCR1200-ED履带潜孔钻头为主，以KQJ-100B轻型潜孔钻头为辅。

(2)采用低单响、低单耗的松动爆破以及相关表面防护措施，减少爆破有害效应[12]，特别是减少爆破振动，以及不产生飞石、落石、粉尘，实现安全爆破。

(3)采用预裂爆破，保证爆后边坡的稳定性。

(4)采用多排孔，实现深孔大方量爆破。

(5)采用孔内外联合延迟、微差爆破，并争取将不利影响因素降至最低。

(6)按照爆破渣堆要求，采用松动爆破，要求爆破作用指数n<0.75，此处n取0.5，属于一般松动爆破，并使爆破后的岩块基本松散，能够使用机械装卸。

2.2 松动爆破监测与安全防护

为观察爆破振动效应，评估爆破效果，针对爆破过程需要进行严格的监测。在保护体上多个位置设置爆破质点振动监测点，使用爆破测振仪监测爆破振动实况。在边坡上布设锚索应力计、多点位移计等，直观监测锚索受力情况及边坡变形情况，通过数据变化判断边坡是否稳定。

松动爆破不允许产生飞石、落石、粉尘等，理论上不需要进行表面防护。但为了保证施工安全，设计通过预留岩梗、砂袋垫底、机编网固定等施工措施，以及加强施工管控、规范作业程序、设立安全警戒等管理措施为爆破施工提供强有力的安全保障。

3 松动爆破工程实例

为保证滇中引水蔡家村出口边坡爆破工程的安全性及爆破后边坡的稳定性，决定在边坡下部或上部的锚索及支护工作完成后，采用低单响、低单耗、孔内外联合延迟爆破的松动爆破技术进行开挖，力求最大程度减小爆破有害效应。

3.1 松动爆破参数设计

3.1.1 主爆孔参数

(1)梯段高度。根据现场综合因素、周边环境、需保护体、爆破效率、建基面保护等情况考虑，梯段高度选择为7 m。

(2)布孔方式。布孔方式采用梅花式，垂直孔，梅花式可以充分利用爆破能量，减小块径，比方形布孔能减少炸药用量。

(3)炮孔直径。炮孔直径为Φ91 mm。

(4)装药结构。主爆孔采用Φ70 mm药卷连续装药，预裂孔则采用Φ32 mm小药卷结合竹片间隔装药，炸药选用Φ70 mm的2#岩石乳化炸药[13]。

(5)最小抵抗线W本边坡为白云岩，节理裂隙发育，岩石硬度以中硬度为主，岩石的普氏系数为5～6。W=(30～40)d=(30～40)×0.091=2.7～3.6 m，取2.8 m。

(6)孔间距a与孔排距b。a=系数×W，系数一般取1～1.25;b=(0.8～1.0)m,a=2.4～3.0 m，取2.5 m。

(7)炮孔长度L的表达式为

L=H+L。

(1)

式中:H为梯段高度;L为超深，一般取0.5～2 m，坚硬岩石取较大值，反之宜取较小值。由于开挖岩石为白云岩，且需减小爆破影响范围，因此L取0.5 m，L=7+0.5=7.5 m。

(8)堵塞长度L1。一般情况下，堵塞长度宜为最小抵抗线的0.80～1.25倍，L1=系数×W=2.2～3.5 m。但本工程地质条件复杂，上方堆积体较厚，且不能产生飞石，因此必须结合实际情况和以往爆破经验，突破常规，在孔间排距计算取值时取小值的前提下，增加堵塞长度。经反复核算、比对，本工程堵塞长度取值为4.5 m，并为了降低块径、提高爆破效率，采用分段堵塞的方式，第一段堵塞1 m，第二段堵塞3.5 m。

为了提高炮泥的摩擦力，炮泥一般按土∶砂∶水=5∶4∶1的比例进行拌和，做到刚好能捏成团为宜。

(9)单孔装药量Q的表达式为

Q=qaWH。

(2)

式中:q为单位炸药消耗量(kg/m3)。结合岩石情况，松动爆破q=0.25 kg/m3，则Q=0.25×3×3×7=15.75 kg，Φ70 mm药卷单节重20 kN，Q取值为16 kg。

3.1.2 周边预裂孔参数

炮孔直径为Φ91 mm，采用Φ32 mm小药卷竹片间隔装药。为了克服预裂孔底部岩石的夹制力，确保预裂缝贯通，孔底采用3节Φ32 mm药卷进行加强[14]。

(1)孔间距a。a=(8～12)d=72～108 cm，一般质量要求高、岩质软弱、裂隙发育者取较小值，反之取较大值。此处取80 cm[15]。

(2)不耦合系数Dr。即造孔半径与药卷半径的比值，一般为2～5，岩石强度较大时取较小值，本工程岩石属中等硬度，Dr=91/32=2.84，装药直径选32 mm，满足要求。

(3)炮孔长度L和堵塞长度L1。L的表达式为

(3)

式中α为倾角。

坡比1∶0.3，炮孔长度L=(7+0.5)×1.044=7.8 m。

堵塞长度L1=(10～20)d=0.91～1.82 m，取值1.25 m。

(4)线装药密度Δx。装药需保证起爆威力能贯通相邻炮孔，同时又不损伤孔室，该装药密度可通过工程类比法或经验公式计算，岩石极限抗压强度σ为10～150 MPa时，有

Δx=9.32σ0.53r0.38。

(4)

经检测，岩石极限抗压强度R约为50 MPa，预裂孔半径r为46 mm。

线装药密度Δx=9.32σ0.53r0.38=317 g/m。

预裂孔间距为0.8 m，修正系数采用0.8/1=0.8，线装药密度Δx取值317×0.8=254 g/m。

(5)单孔装药量Q的表达式为

Q=Δx×L=254/1 000×7.8=2 kg。

3.1.3 爆破振动安全验算

根据相关规范，爆破振动安全允许距离[16]按下式计算，即

(5)

式中：R为爆破振动安全允许距离，本工程为22 m；Q为炸药量，齐发爆破时为总装药量，延时爆破时为最大单段药量(kg)；V为保护对象所在地安全允许质点振速(cm/s)；K，α分别为与爆破点至保护对象间的地形、地质条件有关的系数和衰减指数，应通过现场试验确定，在无试验数据的条件下，可参考表2选取。

在正式进行爆破施工前，在出口边坡选取了10 m×10 m×5 m段进行爆破试验及爆破振动监测。结合边坡岩性，初取K=210，α=1.70进行爆破设计，通过3个测点的爆破振动监测数据反算，最终选取K=200，α=1.65。

单响最大装药量的计算式为

(6)

依据《爆破安全规程》，安全允许质点振动速度见表1，表中f为频率，结合本工程的地质条件，此处安全允许质点振速取8 cm/s。爆区不同岩性参数见表2[16]。

表1 爆破振动安全允许标准Table 1 Allowable safety standard for blasting vibration

表2 爆区不同岩性的K、α值[16]]Table 2 Values of K and α of different lithology in explosion area[16]]

通过计算得允许单响最大装药量Q=38 kg，因此，当实际单段雷管起爆药量<38 kg时，爆破振动在理论上是满足安全要求的。

3.2 起爆网路设计

出口边坡总高度为38 m，上部约10 m范围为堆积体覆盖层，覆盖层性状主要为大块石夹土，整体稳定性差；10 m以下范围自然边坡和设计开挖坡度都较陡，所揭露的岩石厚度过小，不具备爆破的排数条件。因此出于安全考虑，高程1 914.674 m以上边坡采用破碎锤机械开挖，具备条件后，高程1 907.174～1 914.674 m边坡采用松动爆破施工，底部预留1 m保护层。

本次爆破为本项目的第一次松动爆破，其成功实施对于该技术在厚层堆积体条件下的应用具有一定的参考价值。根据爆区组织规模，本次爆破每区共设6排炮孔，每排8～12个孔，起爆顺序为C1→C2→C3→C4→C5→C6，孔内外雷管均采用非电毫秒雷管，起爆雷管采用电雷管。受允许单响最大装药量影响，单排孔不能一次爆破，需利用孔内外联合延迟爆破技术[17]，即孔内高段位雷管(MS15)、孔外低段位雷管(MS3、MS5)，孔外单段雷管起爆药量选用2个孔装药量32 kg<38 kg，详细见图3、图4。