爆破技術在南水北調中線總干渠工程開挖中的應用

王金英，楊玉銀

(中國水利水電第五工程局有限公司，四川成都 610066)

1 工程概況

南水北調中線一期工程黃河蘇門山石質渠段位于河南省輝縣市百泉鎮境內的太行山脈東麓沖洪積扇上，總干渠貫穿蘇門山，自蘇門山最高處向下開挖，屬全巖石邊坡開挖渠段。開挖總長度1 100m，最大開挖深度達42m，石方爆破開挖量大，達100余萬m3，邊坡預裂爆破總面積為26萬m2。

蘇門山總干渠段環繞歷史名鎮——百泉鎮，穿越大藝風光園景區、百泉風景區和百泉林場，毗鄰部隊營區駐地和百泉村居民區，部分民房距總干渠僅25m，緊鄰渠道右岸施工便道有一平行于干渠方向的通信電纜。爆破區周邊環境復雜，對石方爆破作業影響很大，對精確控制爆破技術要求較高。蘇門山總干渠環境情況見圖1。

圖1 蘇門山總干渠段周圍環境示意圖

蘇門山總干渠石質段渠坡巖性主要為奧陶系灰巖、白云質灰巖，灰巖中裂隙比較發育，裂隙走向以60°～80°最發育，發育密度一般為6～13條/m，裂隙面粗糙，多為方解石追蹤充填。上部1～3 m左右灰巖多為強風化，巖體較破碎，下部灰巖為弱～微風化，巖體相對完整，灰巖中溶蝕現象較發育，多形成溶洞。

渠道一級～四級邊坡系數均為1∶0.4，五級邊坡為1∶0.7，渠道開挖邊坡左側呈順層開挖，對邊坡穩定不利，給采用高臨空面分級坡面預裂爆破一次成型增加了很大的難度。

2 爆破設計

2.1 爆破設計方案

在蘇門山石方開挖控制爆破設計中，遵循“縱向分段、豎向分層、邊坡預裂、臺階爆破”的施工原則，嚴格控制爆破開挖效果，確保了渠道巖質渠坡的安全及建基面開挖質量。施工中嚴格按照設計要求和質量標準控制施工質量，采用深孔微差臺階爆破、預裂爆破、緩沖孔爆破等控制爆破方法，確保了邊坡和保護層的精確開挖。渠道開挖分層情況見圖2。

為了確保開挖安全，委托武漢理工大學對爆破設計試驗段爆破施工進行了全程爆破震動安全監測。通過對爆破震動監測數據進行分析優化，為主爆區大面積爆破開挖提供可靠的技術參數。

2.2 參數設計

2.2.1 主爆區臺階爆破參數設計

炮孔孔徑:依據臺階高度和鉆機性能確定鉆孔直徑d=110mm。

臺階高度H:根據渠道工程分級邊坡設計要求，取8m。

圖2 蘇門山渠道開挖示意圖

鉆孔超深h:取h=1m。

鉆孔深度L:取L=9m。

主爆孔孔網面積S:根據經驗，取孔距a=3 m、排距 b=2.5m，因此，孔網面積 S=7.5m2。

炮孔填塞長度l:因爆區周邊情況復雜且單次爆破裝藥量較大，所以，對爆破產生飛石的控制要求較高。根據國內一般炮孔填塞長度經驗公式:l=(20～30)d。結合本工程實際裝藥情況取2～3 m，填塞采用比例為4∶6的砂、粘土混合物。

底盤抵抗線W:底盤抵抗線是影響臺階爆破效果的主要參數之一，過大的底盤抵抗線會造成根底、大塊率高、后沖作用大;過小則易產生飛石危害。根據鉆孔直徑確定:W=kd。式中:k為系數，取32～40。本工程取 W=3～3.5m。

炸藥單耗q:根據本工程巖石性質及節理裂隙發育情況，同時考慮到安全需要，以松動爆破為主，炸藥單耗取 q=0.35kg/m3。

單孔藥量Q:單孔裝藥量可按體積公式計算。Q=qabH。式中:Q為單孔裝藥量，kg;q為單位耗藥量，0.35 kg/m3;a為孔距，3m;b為排距，2.5 m;H為臺階高度，8m。最終得出Q=21kg。

2.2.2 邊坡預裂爆破參數設計

鉆孔直徑d:根據現有施工設備，鉆孔直徑取d=90mm，采用φ32乳化炸藥進行裝藥，在主爆孔與預裂孔之間設緩沖孔，以減小主爆孔對預裂面的損壞。

孔深L1與孔距a1:由于每層預裂深度與臺階高度相同，同時考慮到坡面坡度，取預裂孔孔深L1=8.6m。孔距依據公式a1=(7～12)d計算，并結合以往同類巖石爆破經驗取a=0.9m。

藥卷直徑按不耦合系數d/d1＞2取值(d1為藥卷直徑)，本工程取直徑為32mm的乳化炸藥，不耦合系數為3.44。

線裝藥密度計算:在我國，以長江科學院等單位提出的半經驗、半理論預裂爆破裝藥量計算公式得到廣泛運用，其公式為:Qx=K［σc］α［a］β［d］γ。式中:Qx為預裂爆破的線裝藥密度，kg/m;σc為巖石的極限抗壓強度，MPa;K、α、β 和 γ為經驗系數。

本工程巖石的極限抗壓強度根據GB50021—2001國家標準以及試驗檢測得出σc=60MPa、炮孔間距a=0.9m、炮孔直徑d=0.09m，最終得出 Qx=0.460kg/m。

2.3 起爆網路設計

(1)起爆網路采用塑料導爆管毫秒微差起爆網路。塑料導爆管接力起爆系統既可提高單次爆破規模，同時又能降低單段藥量，進而達到控制爆破震動有害影響的目的。

(2)由于主爆區單次起爆量大、臨空面高，為避免飛石對被保護物造成損壞，網路聯接形狀設計為梯形，起爆順序逐段逐層起爆，巖石塌落臨空面為三面倒塌設計(圖3)。

圖3 起爆網路布置圖

通過精細設計爆破網路，控制了爆破震動的影響，確保了巖體開挖輪廓面的成型質量，保證了新澆筑混凝土和新灌注砂漿錨桿的安全。

3 爆破質量控制

蘇門山石質段邊坡預裂爆破控制是確保開挖質量和形象進度的關鍵環節，施工過程中分別從技術參數、施工控制、質量檢驗幾個方面采取了全面細致地控制措施。

(1)在準備進行鉆孔作業的區域，先對工作面進行平整、清理和找平。在預裂孔邊線2m范圍內，將大面平整度控制在20cm以內，表面浮渣清除干凈;將其他梯段孔部位平整度控制在50 cm以內。

(2)在找平清理合格之后，由測量人員按照爆破設計的要求進行測量放樣，準確放出每個周邊預裂孔的孔位和高程，并用紅油漆在基巖上做好標記，對每個預裂孔均進行統一編號。中間梯段主爆孔由測量隊放出有代表性的控制點和高程，然后由技術人員根據爆破設計所規定的孔的間、排距，用皮尺或卷尺測放，孔位同樣用紅油漆作好明顯的標記。

(3)嚴格控制爆破孔質量，預裂孔孔位偏差小于5cm，傾斜角度偏差小于0.5°;主爆孔孔位偏差小于20cm，最大傾斜角度小于1°。現場施工采用“定點、定向、定角度”三個方面進行控制。

(4)依據爆破沒計，嚴格按照設計要求控制裝藥量和裝藥結構。所有的預裂藥卷必須用導爆索串聯后綁扎在竹片上。經質檢員驗收合格后才能放入預裂孔中。

4 爆破安全控制

4.1 飛石控制

為控制爆破飛石，施工中采用了降低藥量、改變抵抗線、加強堵塞質量等手段，并對炮孔采取專用防護炮被進行安全防護。

從現場施工環境可以看出，部隊營區駐地距離爆區較近，周圍幾處民房也在警戒區域范圍內，現場環境很復雜。根據現場情況，結合《水工建筑物巖石基礎開挖施工技術規范》(SL47－94)以及一般水工邊坡開挖控制要求，臺階爆破的最大一段起爆藥量不超過300kg。為了保證周圍建筑物的安全性，在施工過程中，爆破最大單段藥量按200kg進行控制，從而使爆破飛石得以控制。

4.2 爆破震動安全監測

為了有效地控制爆破對渠道邊坡以及周邊建筑物的影響，通過對爆破過程震動的跟蹤監測并進行數據分析，達到了改進爆破質量和控制爆破安全的目的。

在渠道蘇門山段三級馬道以下部分的巖石開挖爆破測震中，在鄰近馬道上布置了震動監測點，監測爆破對附近邊坡混凝土的震動影響，監測數據見表1。根據文獻［4］，將本工程爆破振動允許安全振動速度確定為［v］=2.3 ～2.5cm/s。通過現場監測結果可以看出，本地區爆破對鄰近建筑物的震動速度均在爆破振動安全允許范圍內。

表1 渠道爆破震動速度監測數據表

5 爆破效果

通過采取一系列措施，南水北調輝縣蘇門山石質總干渠段工程爆破取得了成功，在爆破過程中，未對周圍民房及其他建筑物造成不良影響。

從現場爆后情況看，出現的大塊率較低，未留根底石梗，爆堆集中，飛石距離控制在允許范圍內;預裂爆破形成的裂縫面貫通順直，開挖輪廓面半孔率達到90%以上，兩相鄰殘留爆破孔間的不平整度小于15cm，無裂隙張開、錯動及層面抬動現象，預裂爆破效果見圖4。

6 結語

(1)作為南水北調重點工程，蘇門山總干渠石質段渠道爆破的復雜性和質量的重要性對工程施工中的爆破設計、施工方案提出了嚴格要求。在工程整體爆破施工前，先后多次在不同石質段開挖點進行了小規模爆破試驗，通過對試驗數據進行分析后制定出了科學可靠的方案。

圖4 預裂爆破開挖效果圖

(2)在施工中，針對爆區的環境條件，對爆破飛石和爆破震動等爆破危害進行了重點控制，先后多次對臨空面的選擇、炮孔的堵塞、起爆網路的布置、測震點的布置等進行了改進，為之后的爆破參數優化提供了依據，確保了渠道邊坡和保護層的精確開挖質量。

(3)在施工程序及施工方法、資源配置等方面，均密切結合現場實際情況，及時根據現場實際情況調整了施工方法、優化了資源配置并做出了科學合理的籌劃及組織，解決了施工難題、減少了施工干擾、滿足了施工要求。

［1］張正宇.水利水電精細爆破概論［M］.北京:中國水利水電出版社，2009.

［2］水工建筑物巖石基礎開挖工程施工技術規范，DL/T5389－2007［S］.

［3］唐飛勇，胡 銳，趙明生，等.雙因素判據在爆破地震監測中的應用［J］.爆破，2008，25(2):89 －91.

［4］爆破安全規程，GB6722—2003［S］.