复杂地质下圆弧形边坡控制爆破的应用研究

刘福高，符小海

(浙江京安爆破工程有限公司，杭州 310000)

高陡边坡的爆破施工，是路堑开挖、边坡治理等工程中常用的手段。为了保证边坡的稳定和坡面线整齐美观，在临近边坡控制爆破的主要方法有光面爆破、预裂爆破和缓冲爆破等。临近边坡段采取控制爆破方式对边坡开挖与防护具有重要的意义[1-2]。影响边坡控制爆破质量的因素，除爆破参数外，地质条件和钻孔精度影响较大[3]。对于异形结构的边坡，如弧形、凸状的，则需要根据其特点，调整施工方法，精细化控制爆破设计[4-5]。本文通过对杭州市西湖区石龙山废弃矿区治理工程中圆弧形高边坡控制爆破实际施工研究，介绍了其施工难点与创新手段，以期对类似工程项目能起到一定的指导作用。

1 工程概况

1.1 工程简介

杭州市西湖区石龙山废弃矿区治理工程位于杭州市西湖区石龙山山脊南侧，该矿区经过常年无序开采现已废弃，部分边坡原状如图1所示。为了消除废弃矿山的地质灾害隐患，修复废弃矿山的生态环境，实现其经济、生态利益的最大化，现对石龙山废弃矿进行边坡综合治理。治理区地质条件和周边环境较为复杂，岩体岩性以石灰岩为主，其中存在大量溶洞、裂隙、泥质夹层等，边坡以南地区存在工厂及村庄等。同时由于边坡治理设计方案设计要求较高，边坡走向较为复杂，以上种种因素都给本工程边坡控制爆破增加了难度。

图1 边坡原状

1.2 边坡设计参数

治理边坡分10级进行削方减载，每级边坡坡率为1：0.75，马道高程分别为56、76、91、106、119、132、143、154、163 m，马道宽度2 m和6 m。削方完工后，本段边坡最终边坡角为46°。治理边坡设计平面和剖面分别如图2和图3所示。

图2 边坡设计平面

图3 边坡设计剖面

为了达到台阶高程允许偏差值不超过±300 mm；坡率允许偏差值不超过±0.5°；最终边坡半孔率不低于80%的设计要求，我公司采用预裂控制爆破施工技术，使边坡坡面平整、稳定、美观，以达到设计及安全要求。

2 圆弧段边坡预裂爆破参数设计

2.1 预裂孔参数设计

由边坡平面设计(见图2)可知，该边坡存在一段圆弧形坡段，台阶高度取15 m(以106 m平台爆至91 m平台为例)，坡面倾角为由圆弧顶部最小处40°过渡至直线段53°。该圆弧形坡段(见图4)预裂孔参数设计异于直线段边坡，预裂孔底部炮孔间距与顶部炮孔间距不等，这为圆弧段边坡预裂爆破的设计及钻孔增加了难度。

图4 圆弧形坡段

根据工程的实际情况及现场已有的钻孔设备，预裂爆破选取115 mm孔径的钻孔设备，同时借助高精度GPS测量设备进行精细控制。设计采取一次成型的方法进行爆破，另外马道外爆破孔孔深应比设计底板高程超深1 m，以确保爆后底板的平整性，马道处的炮孔不超深，爆后采用机械修整至设计高程。具体的预裂爆破参数计算如下：

1)爆破炮孔长度。炮孔长度根据台阶高度、超深及台阶倾角确定：

L=(H+h)/sinα

(1)

式中：L为炮孔长度；H为台阶高度；h为超深；α为台阶倾角。

圆弧段边坡的台阶高度为15 m，超深为0.5 m，倾角为40°～53°，可得圆弧段预裂爆破炮孔深度为24.11～19.41m；直线段边坡的台阶高度为15 m，超深为0.5 m，倾角为53°，可得直线段预裂孔炮孔深度为19.41 m。

2)炮孔间距。炮孔间距的确定，要能够形成裂缝，并使裂缝贯通，不让保留岩体出现过度破坏。根据爆破经验表明，预裂爆破保留岩体岩面质量很大程度上取决于炮孔间距的选取。可根据炮孔直径得到的经验公式计算：

a=(8-12)d

(2)

式中：a为炮孔间距，mm；d为炮孔直径，mm。

结合矿山实际地质及施工机械情况，实际炮孔直径为115 mm，可得炮孔间距为0.92～1.38 m。但由于圆弧形坡段异于直线段边坡，底部炮孔间距与顶部炮孔间距不同，因此在实际确定钻孔间距时，将计算得到的炮孔间距范围置于炮孔的正常装药段，也就是炮孔的中间段，孔口间距适当减小为0.5 m，孔底间距适当增大为1.2 m。

3)不耦合系数。预裂爆破采用不耦合装药，主要是为了降低作用于炮孔壁的初始压力，使炮孔周围的岩石不被压坏，依据预裂爆破断裂机理和建立的模型，对于径向不耦合装药，炸药爆炸作用于孔壁的压力为[6]

(3)

式中：pb为作用于孔壁的压力，MPa；Kd为不耦合系数；ρ0为炸药密度，kg/m3；DH为炸药的爆轰速度，m/s；n为爆炸冲击波撞击炮孔孔壁引起的压力增大系数，取n=8～11。

现场预裂爆破所采用的炸药为卷状2#岩石乳化炸药，其爆速为3 800 m/s，密度为1.2 g/cm3，边坡的岩体为发育良好的石灰岩，其抗压强度约为80 MPa，根据式(3)可以计算得到不耦合系数约为2.58，即在本工程的岩体中，不耦合系数不宜小于2.58。根据现场实际情况，实际钻孔直径为115 mm，预裂爆破采用的药卷为 32 mm，不耦合系数为3.59。

4)线装药密度及装药结构。线装药密度由式(4)[7]可得：

(4)

式中：Qx为线装药密度，kg/m；σc为岩石的极限抗压强度，MPa；a为炮孔间距，m；d为炮孔直径，mm；K、δ、β、γ为经验系数。

根据长江科学院等提出的半经验半理论计算公式，取K=0.83，δ=0.5，β=0.6，γ=0，其中σc的单位为105Pa，a的单位为cm，计算得出Qx=245～415 g/m，由于圆弧形坡段的底部炮孔间距与顶部炮孔间距不同，因此采用分段不耦合装药形式，底部线装药密度较大，顶部线装药密度较小。不同段位线装药密度参数如表1所示。

表1 线装药密度参数

预裂孔装药结构如图5所示。孔底加强段为1卷φ70 mm的药包，质量为2 000 g，第2加强段为φ32 mm的药包三卷一捆，质量1 200 g，其余段均为φ32 mm的药卷。药包用专用胶布绑在竹片上，各段分别控制线装药密度，用导爆索连接。

图5 预裂孔装药结构

2.2 主炮孔及炮孔布置

设计采取一次成型的方法进行爆破，因此实施预裂爆破的区域前端设置6排主炮孔，以及2排辅助炮孔(见图6)。

图6 炮孔布置图

主炮孔和辅助炮孔均为垂直孔，主炮孔采用现场混装乳化炸药进行装药，辅助孔用70 mm乳化炸药。具体的主炮孔参数如表2所示。

表2 炮孔参数

3 起爆网路设计

起爆网络采用高精度毫秒延时导爆管雷管，预裂爆破采用排间分组同时起爆方式，每10个光爆孔为一组，组与组之间用MS3段导爆管雷管连接，主炮孔和辅助炮孔采用逐孔起爆网路，孔间延时采用MS3段雷管，排间延时采用MS5段导爆管雷管，起爆网路如图7所示。预裂孔先起爆，提前主炮孔110 ms，保证预裂效果。

图7 爆破起爆网路

4 爆破效果分析

通过对圆弧形坡段实施预裂爆破，观察爆破后坡面情况，圆弧形坡段边坡预裂爆破效果如图8所示。实施预裂爆破后边坡上的半孔率达到90%以上，台阶高程偏差值不超过±300 mm，坡率偏差值不超过±0.5°，达到了边坡美观、整洁、稳定的设计要求，预裂爆破取得了很好的效果。

图8 爆破效果

5 结语

圆弧段边坡控制爆破在杭州市西湖区石龙山废弃矿区治理工程的实践中，取得了显著的成效。设计采取一次成型的方法进行爆破，主炮孔采用现场混装乳化炸药进行装药，预裂孔采用分段不耦合装药，不仅达到了预期效果，同时节省了成本。在地质条件多变，外形轮廓复杂，高台阶的边坡中实施预裂控制爆破，具有较大的难度，要根据现场实际情况调整设计参数。复杂地质条件下圆弧形边坡预裂爆破的成功实施，为今后的边坡爆破设计施工提供指导。