爆破技術(shù)在南水北調(diào)中線總干渠工程開挖中的應(yīng)用

王金英，楊玉銀

(中國(guó)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(diào)中線一期工程黃河蘇門山石質(zhì)渠段位于河南省輝縣市百泉鎮(zhèn)境內(nèi)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(zhǎng)度1 100m，最大開挖深度達(dá)42m，石方爆破開挖量大，達(dá)100余萬m3，邊坡預(yù)裂爆破總面積為26萬m2。

蘇門山總干渠段環(huán)繞歷史名鎮(zhèn)——百泉鎮(zhèn)，穿越大藝風(fēng)光園景區(qū)、百泉風(fēng)景區(qū)和百泉林場(chǎng)，毗鄰部隊(duì)營(yíng)區(qū)駐地和百泉村居民區(qū)，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(qū)周邊環(huán)境復(fù)雜，對(duì)石方爆破作業(yè)影響很大，對(duì)精確控制爆破技術(shù)要求較高。蘇門山總干渠環(huán)境情況見圖1。

圖1 蘇門山總干渠段周圍環(huán)境示意圖

蘇門山總干渠石質(zhì)段渠坡巖性主要為奧陶系灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r，灰?guī)r中裂隙比較發(fā)育，裂隙走向以60°～80°最發(fā)育，發(fā)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?guī)r多為強(qiáng)風(fēng)化，巖體較破碎，下部灰?guī)r為弱～微風(fēng)化，巖體相對(duì)完整，灰?guī)r中溶蝕現(xiàn)象較發(fā)育，多形成溶洞。

渠道一級(jí)～四級(jí)邊坡系數(shù)均為1∶0.4，五級(jí)邊坡為1∶0.7，渠道開挖邊坡左側(cè)呈順層開挖，對(duì)邊坡穩(wěn)定不利，給采用高臨空面分級(jí)坡面預(yù)裂爆破一次成型增加了很大的難度。

2 爆破設(shè)計(jì)

2.1 爆破設(shè)計(jì)方案

在蘇門山石方開挖控制爆破設(shè)計(jì)中，遵循“縱向分段、豎向分層、邊坡預(yù)裂、臺(tái)階爆破”的施工原則，嚴(yán)格控制爆破開挖效果，確保了渠道巖質(zhì)渠坡的安全及建基面開挖質(zhì)量。施工中嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)控制施工質(zhì)量，采用深孔微差臺(tái)階爆破、預(yù)裂爆破、緩沖孔爆破等控制爆破方法，確保了邊坡和保護(hù)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(xué)對(duì)爆破設(shè)計(jì)試驗(yàn)段爆破施工進(jìn)行了全程爆破震動(dòng)安全監(jiān)測(cè)。通過對(duì)爆破震動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析優(yōu)化，為主爆區(qū)大面積爆破開挖提供可靠的技術(shù)參數(shù)。

2.2 參數(shù)設(shè)計(jì)

2.2.1 主爆區(qū)臺(tái)階爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

炮孔孔徑:依據(jù)臺(tái)階高度和鉆機(jī)性能確定鉆孔直徑d=110mm。

臺(tái)階高度H:根據(jù)渠道工程分級(jí)邊坡設(shè)計(jì)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(wǎng)面積S:根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，取孔距a=3 m、排距 b=2.5m，因此，孔網(wǎng)面積 S=7.5m2。

炮孔填塞長(zhǎng)度l:因爆區(qū)周邊情況復(fù)雜且單次爆破裝藥量較大，所以，對(duì)爆破產(chǎn)生飛石的控制要求較高。根據(jù)國(guó)內(nèi)一般炮孔填塞長(zhǎng)度經(jīng)驗(yàn)公式:l=(20～30)d。結(jié)合本工程實(shí)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(tái)階爆破效果的主要參數(shù)之一，過大的底盤抵抗線會(huì)造成根底、大塊率高、后沖作用大;過小則易產(chǎn)生飛石危害。根據(jù)鉆孔直徑確定:W=kd。式中:k為系數(shù)，取32～40。本工程取 W=3～3.5m。

炸藥單耗q:根據(jù)本工程巖石性質(zhì)及節(jié)理裂隙發(fā)育情況，同時(shí)考慮到安全需要，以松動(dòng)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(jì)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(tái)階高度，8m。最終得出Q=21kg。

2.2.2 邊坡預(yù)裂爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

鉆孔直徑d:根據(jù)現(xiàn)有施工設(shè)備，鉆孔直徑取d=90mm，采用φ32乳化炸藥進(jìn)行裝藥，在主爆孔與預(yù)裂孔之間設(shè)緩沖孔，以減小主爆孔對(duì)預(yù)裂面的損壞。

孔深L1與孔距a1:由于每層預(yù)裂深度與臺(tái)階高度相同，同時(shí)考慮到坡面坡度，取預(yù)裂孔孔深L1=8.6m。孔距依據(jù)公式a1=(7～12)d計(jì)算，并結(jié)合以往同類巖石爆破經(jīng)驗(yàn)取a=0.9m。

藥卷直徑按不耦合系數(shù)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(shù)為3.44。

線裝藥密度計(jì)算:在我國(guó)，以長(zhǎng)江科學(xué)院等單位提出的半經(jīng)驗(yàn)、半理論預(yù)裂爆破裝藥量計(jì)算公式得到廣泛運(yùn)用，其公式為:Qx=K［σc］α［a］β［d］γ。式中:Qx為預(yù)裂爆破的線裝藥密度，kg/m;σc為巖石的極限抗壓強(qiáng)度，MPa;K、α、β 和 γ為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

本工程巖石的極限抗壓強(qiáng)度根據(jù)GB50021—2001國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)以及試驗(yàn)檢測(cè)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(wǎng)路設(shè)計(jì)

(1)起爆網(wǎng)路采用塑料導(dǎo)爆管毫秒微差起爆網(wǎng)路。塑料導(dǎo)爆管接力起爆系統(tǒng)既可提高單次爆破規(guī)模，同時(shí)又能降低單段藥量，進(jìn)而達(dá)到控制爆破震動(dòng)有害影響的目的。

(2)由于主爆區(qū)單次起爆量大、臨空面高，為避免飛石對(duì)被保護(hù)物造成損壞，網(wǎng)路聯(lián)接形狀設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)(圖3)。

圖3 起爆網(wǎng)路布置圖

通過精細(xì)設(shè)計(jì)爆破網(wǎng)路，控制了爆破震動(dòng)的影響，確保了巖體開挖輪廓面的成型質(zhì)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(zhì)量控制

蘇門山石質(zhì)段邊坡預(yù)裂爆破控制是確保開挖質(zhì)量和形象進(jìn)度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，施工過程中分別從技術(shù)參數(shù)、施工控制、質(zhì)量檢驗(yàn)幾個(gè)方面采取了全面細(xì)致地控制措施。

(1)在準(zhǔn)備進(jìn)行鉆孔作業(yè)的區(qū)域，先對(duì)工作面進(jìn)行平整、清理和找平。在預(yù)裂孔邊線2m范圍內(nèi)，將大面平整度控制在20cm以內(nèi)，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(nèi)。

(2)在找平清理合格之后，由測(cè)量人員按照爆破設(shè)計(jì)的要求進(jìn)行測(cè)量放樣，準(zhǔn)確放出每個(gè)周邊預(yù)裂孔的孔位和高程，并用紅油漆在基巖上做好標(biāo)記，對(duì)每個(gè)預(yù)裂孔均進(jìn)行統(tǒng)一編號(hào)。中間梯段主爆孔由測(cè)量隊(duì)放出有代表性的控制點(diǎn)和高程，然后由技術(shù)人員根據(jù)爆破設(shè)計(jì)所規(guī)定的孔的間、排距，用皮尺或卷尺測(cè)放，孔位同樣用紅油漆作好明顯的標(biāo)記。

(3)嚴(yán)格控制爆破孔質(zhì)量，預(yù)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(xiàn)場(chǎng)施工采用“定點(diǎn)、定向、定角度”三個(gè)方面進(jìn)行控制。

(4)依據(jù)爆破沒計(jì)，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求控制裝藥量和裝藥結(jié)構(gòu)。所有的預(yù)裂藥卷必須用導(dǎo)爆索串聯(lián)后綁扎在竹片上。經(jīng)質(zhì)檢員驗(yàn)收合格后才能放入預(yù)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(qiáng)堵塞質(zhì)量等手段，并對(duì)炮孔采取專用防護(hù)炮被進(jìn)行安全防護(hù)。

從現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境可以看出，部隊(duì)營(yíng)區(qū)駐地距離爆區(qū)較近，周圍幾處民房也在警戒區(qū)域范圍內(nèi)，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境很復(fù)雜。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，結(jié)合《水工建筑物巖石基礎(chǔ)開挖施工技術(shù)規(guī)范》(SL47－94)以及一般水工邊坡開挖控制要求，臺(tái)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(jìn)行控制，從而使爆破飛石得以控制。

4.2 爆破震動(dòng)安全監(jiān)測(cè)

為了有效地控制爆破對(duì)渠道邊坡以及周邊建筑物的影響，通過對(duì)爆破過程震動(dòng)的跟蹤監(jiān)測(cè)并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，達(dá)到了改進(jìn)爆破質(zhì)量和控制爆破安全的目的。

在渠道蘇門山段三級(jí)馬道以下部分的巖石開挖爆破測(cè)震中，在鄰近馬道上布置了震動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)爆破對(duì)附近邊坡混凝土的震動(dòng)影響，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見表1。根據(jù)文獻(xiàn)［4］，將本工程爆破振動(dòng)允許安全振動(dòng)速度確定為［v］=2.3 ～2.5cm/s。通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果可以看出，本地區(qū)爆破對(duì)鄰近建筑物的震動(dòng)速度均在爆破振動(dòng)安全允許范圍內(nèi)。

表1 渠道爆破震動(dòng)速度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表

5 爆破效果

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

從現(xiàn)場(chǎng)爆后情況看，出現(xiàn)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(nèi);預(yù)裂爆破形成的裂縫面貫通順直，開挖輪廓面半孔率達(dá)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(cuò)動(dòng)及層面抬動(dòng)現(xiàn)象，預(yù)裂爆破效果見圖4。

6 結(jié)語

(1)作為南水北調(diào)重點(diǎn)工程，蘇門山總干渠石質(zhì)段渠道爆破的復(fù)雜性和質(zhì)量的重要性對(duì)工程施工中的爆破設(shè)計(jì)、施工方案提出了嚴(yán)格要求。在工程整體爆破施工前，先后多次在不同石質(zhì)段開挖點(diǎn)進(jìn)行了小規(guī)模爆破試驗(yàn)，通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后制定出了科學(xué)可靠的方案。

圖4 預(yù)裂爆破開挖效果圖

(2)在施工中，針對(duì)爆區(qū)的環(huán)境條件，對(duì)爆破飛石和爆破震動(dòng)等爆破危害進(jìn)行了重點(diǎn)控制，先后多次對(duì)臨空面的選擇、炮孔的堵塞、起爆網(wǎng)路的布置、測(cè)震點(diǎn)的布置等進(jìn)行了改進(jìn)，為之后的爆破參數(shù)優(yōu)化提供了依據(jù)，確保了渠道邊坡和保護(hù)層的精確開挖質(zhì)量。

(3)在施工程序及施工方法、資源配置等方面，均密切結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，及時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況調(diào)整了施工方法、優(yōu)化了資源配置并做出了科學(xué)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(xì)爆破概論［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2009.

［2］水工建筑物巖石基礎(chǔ)開挖工程施工技術(shù)規(guī)范，DL/T5389－2007［S］.

［3］唐飛勇，胡 銳，趙明生，等.雙因素判據(jù)在爆破地震監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用［J］.爆破，2008，25(2):89 －91.

［4］爆破安全規(guī)程，GB6722—2003［S］.