预裂爆破技术在非永久性边坡施工中的应用

预裂爆破技术在非永久性边坡施工中的应用发布时间：2010-10-27陈磊，龙源，杜鹏飞，王兵(解放军理工大学工程兵工程学院，南京210007)摘要：以爆破法构筑非永久性边坡为研究对象，介绍了预裂爆破技术在非永久性边坡施工中的应用。结合开挖爆破工程实例，根据爆区岩石特性、山体结构等设计了爆破参数、起爆网路，并分析了边坡的成型效果。为类似工程设计提供参考。关键词：开挖；预裂爆破；非永久性边坡；施工组织；安全控制1引言当前由于各种大型工程的建设需要，用爆破法构筑高边坡的施工逐渐增多，工程由于资金或其他外在因素的制约而常会分期进行，工期间隔3～5年，这就需要在两相邻工期的地段间构筑一个非永久性边坡。目前国内外用爆破法构筑非永久性边坡的研究比较少，本文主要结合上海小洋山中港区开挖爆破工程，探讨预裂爆破技术在非永久性边坡施工中的应用。开挖爆破施工中，需要在保留区与开挖区之间形成一个使用期限为3～5年的非永久性边坡。根据本工程的开挖标高和边坡实际长度，我们设计了边坡每级15m高，坡比1：0.75～0.70，台阶宽度2.8m，最高处共7级。爆破区域主要岩石类型为凝灰岩，自上而下为全风化～强风化～新鲜岩石，岩石的物理力学性质：饱和状态下块体密度为2.6g／cm3，抗压强度为57.6～94.3MPa。分布比较均匀，存在少量节理。2爆破设计方案根据爆区岩性、节理裂隙等工程地质条件，采用自上而下分级施工、轮廓爆破、逐级控制边线的方案。2.1边线控制开口线放样：在现场每隔2m按计算开口线上坐标点放点一个，形成开口线。坡脚线控制：根据坡度、高度计算钻孔角度和深度，确保坡脚线的位置。对于施工误差可以利用手风钻进行修整。台阶边线控制：将平台标高处平整、放线，设计孔位、钻孔、爆破，进行下一循环施工。2.2炮孔布设根据岩石的完整性，在离设计边线30～100cm的位置，平行于设计边坡线钻轮廓孔，其余地方布设破碎孔。距设计边线的距离可以根据现场情况进行调整，如图1所示。2.3轮廓孔爆破参数(1)孔径d：采用直径90～140mm液压钻机钻孔，孔径90～140mm。(2)钻孔深度L：孔深L=H／sina+L0，其中H为阶段高度；a为轮廓孔倾角，根据坡比计算；L0为轮廓孔超深，取L0=O.3m。(3)孔距a：孔距一般取(8～12)d，约115cm，根据上层边坡施工中的试验结果进行调整。(4)填塞长度：轮廓孔爆破填塞长度取lm。(5)装药结构：采用Ф32mm乳化炸药，孔内采用径向不耦合装药、药包沿孔深间隔分布，具体做法是：按要求的每孔装药量、药卷直径及间隔距离将药卷捆绑在沿孔深敷设的导爆索上，再将其捆绑在沿孔深敷设的竹片上(也可不使用竹片)，并在孔口与导爆索相接。装药结构如图2所示。(6)线装药密度q线：根据经验取2kg／m。(7)底部装药量：为了克服岩石的夹制作用，确保爆破效果，孔底部装药量应适当加大。炸药增量应均匀分布在孔底O.5～2.Om的长度上；底部装药量视孔深确定，当孔深小于5m时，比正常线装药密度增加1～2倍；孔深5～10m时，增加2～3倍；孔深大于10m时，增加3～5倍。2.4辅助孔参数在主爆孔与轮廓孔之间布置辅助孔，以降低岩石爆破时对边坡的破坏。辅助孔的倾角根据不同位置分别计算，装药量按正常量的60％计算，装药时应根据实际情况进行调整。2.5主炮孔的参数(1)孔深L主：依据地形和设计高度，孔深L主为15.00～18.75m。(2)最小抵抗线W：按照孔径的倍数(通常取25～30倍)来确定，这里取3～5m。(3)超深h：超深按公式h=(0.10～0.15)W计算，由于施工现场岩石坚硬取1～2m，施工中作适当调整。(4)孔距a：采用梅花形布孔，孔距计算一般取(1.2～1.5)W，即4.8～6.Om，根据施工中的不同岩性进行调整。(5)排距b：排距一般取(0.8～1.0)a，取3～4m。(6)填塞长度：填塞长度要保证大于孔排距或最小抵抗线，因此取4m。(7)单位炸药消耗量q：结合现场的地质条件及以往类似工程施工经验，炸药单耗取0.35kg／m3。(8)单孔装药量Q：第1排孔炸药量按公式Q=qaWH计算，各参数值按上述计算选取；第2排孔及以后各排孔装药量按公式Q=qabH计算。2.6起爆网路采用导爆管排间延时的非电起爆网路。为改善爆破效果与降低振动效应，结合实践经验，选取延时间隔不小于25ms。起爆顺序为：轮廓孔→主爆孔→辅助孔，整个复合网路采用电雷管起爆，如图3所示。3施工组织与技术措施3.1施工准备施工准备工作包括场地平整、测量放样，以及其它常规的爆破准备工作。在准备进行轮廓爆破时，首先进行平整场地，清除轮廓线两侧一定范围内的覆盖层或浮碴等。清理的范围可以根据所采用的机具来确定，要能满足钻机的安装和行走；清理应当使得工作面平整，且最好处在同一高度上或者达到某种程度的平面。由于轮廓面就是最终的边界开挖面，因此轮廓缝的位置必须准确，当采用垂直的轮廓孔时，放样工作没有什么困难，只要按照设计的孔位精确地测量即可。对于倾斜的孔，特别是轮廓面是呈某种曲折面的斜孔，放样工作就要复杂得多，这是因为斜孔的孔口与孔底并不在同一个坐标位置上，而是随该孔的倾斜度以及地面的起伏而变化。地面比较平整时，可以通过计算来确定孔口的位置，但是在实际工程中，地面的起伏状况往往是无规则的，想要精确地定出孔口的位置比较困难，必须反复进行计算。3.2钻孔钻孔时必须严格控制炮孔质量，偏斜度应控制在1°以内。钻孔首先要开孔，由于岩面的不平整或与钻进的方向不垂直，往往容易引起孔口偏离。可采用人工撬凿或者用钻机冲击的办法凿出孔口位置，经检测无误后才开始钻进。当钻进5～10cm时，应对钻孔的方向、倾角等进行一次检查，若有误差，及时纠正。以后，每钻进一定距离就要检查一次，直至终孔。方向角的控制通过现场放样时标识出每个孔的方位，与钻杆的投影线进行比较，二者一致方能开钻，也可以通过罗盘控制。对于倾角主要通过三角尺和铅锤来控制。岩体中的软弱夹层以及与钻孔方向相近的节理裂隙等，容易使钻孔的方向产生某种程度的改变。另外，当钻倾斜孔时，由于钻头、冲击器本身具有一定的质量，在自重的作用下，钻孔有下垂弯曲的趋势。考虑到这些因素，要求钻机操作人员操作要谨慎，加压要均匀，钻进一定深度拔出钻杆再钻，对于不合格的孔必须补孔。3.3药包加工用于轮廓爆破的药包，最好能在炮孔内均匀地连续分布。对于不同的线装药密度，应有不同的药卷直径。对于每一个钻孔应当分别准备各自的炸药串，不能混淆，每一炸药串加工好后，应立即编上该孔的孔号和位置号，然后包扎好待用。3.4装药和填塞为使炸药爆炸时能够获得良好的不耦合效应，药柱(或者药卷串)应置于炮孔的中心。对于深度较小而直径较大的孔，也可以不用竹片，直接将药卷串装填于炮孔中。炸药装填好以后，孔口的不装药段应使用干沙等松散材料填塞，在装填之前，先要用纸团等松软的物质盖在炸药柱上，在填塞过程中应注意使药卷串保持在孔中央的位置上，不要因填塞而将药卷串推向孔边。填塞应密实，以防止爆炸气体冲出，影响轮廓效果。4爆破安全控制本工程应考虑的主要危害效应是爆破飞石和爆破地震波。4.1爆破飞石炮孔爆破产生个别飞石的最大距离可由下式确定：Rmax=Kf·q·D式中：Rmax为炮孔爆破个别飞石的最大距离；Kf为与爆破方式、填塞状况、地质地形有关的系数，取1.5；q为炸药单耗；D为炮孔直径。本工程采用浅孔与中深孔爆破时，浅孔D1max=40mm，中深孔D2max=100mm，qmax=O.35kg／m3，计算得R1max=21m、R2max=52.5m。对比以上保护目标，中门堂二期爆破时三航局临设可能会受到影响。实际施工时，靠近三航局临设的山体采用控制爆破技术，完全可以保证临时房屋的安全。同时，根据《爆破安全规程》(GB6722—2003)要求，本次爆破的安全警戒半径确定为200m。4.2最大起爆药量控制根据《爆破安全规程》(GB6722—2003)中给出的质点振动速度公式，此次爆破为内部装药松动延时控制爆破，因此最大一段(次)起爆药量可按下式计算：Qmax=[vc／(KK′)]3/a·R3式中：Qmax为最大一段(次)起爆的炸药量，齐发爆破取一次爆破总药量，延时爆破取最大一段装药量；vc为被保护目标的安全振动速度；K′为延时控制爆破修正系数，通常取0．5～0.8；R为爆点中心至被保护目标的距离；K、a为与爆破地形、地质条件等有关的系数和地震波衰减指数，通常根据试验和经验确定。根据本次爆点周围的实际地质条件，参考以往工程经验，可选取K=160、K′=0.8、a=1.8，将不同目标的允许振动速度vc和距离R代入上式，计算一次齐爆药量。4.3安全防护措施对于空气冲击波和爆破噪音，为避免或减小其危害效应，采取以下措施：(1)保证填塞长度，提高填塞质量。(2)放炮时问尽量避开早晨、傍晚、云层较低的雨天或雾天。(3)对暴露在外的雷管等爆炸品，用松散的土壤进行掩埋。(4)选择内部装药、分散布药、延时起爆等合理的爆破方式。(5)认真校核最小抵抗线，确保最小抵抗线符合设计要求。5爆破效果与总结采用预裂爆破技术在非永久性边坡施过程中，通过精心设计与施工，以及采取一系列的技术保障措施与安全防护，取得了比较理想的爆破效果,大块率在工程要求范围内，通过考察边坡的稳定性也符合使用期限要求，同时调整爆破参数后降低了成本。总结几点体会如下：(1)辅助孔的位置和角度的合理选择对边线的控制和大块率的降低效果明显。(2)从爆破效果来看，采用延时起爆技术，可以有效地控制爆破振动、飞石、空气冲击波等有害效应。(3)由于岩石中土夹层和少量孤石的存在，对爆破块度影响较大，因此对此类岩石进行中深孔爆破时应加强对大块率问题的考虑。在钻孔的过程中，应对均匀布孔和岩体的节理面兼顾考虑。对于偶尔出现的孤石没有达到块度要求的，采用敷外部药包的方法进行二次破碎。工程实际中需要用爆破法构筑的高边坡通常都是以永久性边坡为主，然而由于施工资金的周转和场地建设需要的限制，工程中非永久性边坡的构筑也日渐增多，本工程采用以预裂爆破为主，通过调整相应爆破参数而达到施工要求，可以为类似工程提供参考。预裂爆破之所以质量不好,造成保留岩面不平整、超欠挖过多及保留基岩受到破坏,其主要原因往往是由于没有很好控制预裂钻孔方向所致。孔口位置、孔的方向角、孔的倾角及孔深组成