復雜環境下洞庫爆破開挖安全技術

王騰蛟，姜 波，李海川，賀書義，王夢君，林可心

(1.空軍工程大學航空工程學院，西安 710038；2.西部戰區空軍甘寧片區工程建設指揮部，蘭州 730020；3.空軍第一空防工程處，北京 100080；4.西部戰區空軍工程質量監督站，成都 610000；5.空軍第二工兵技術勤務大隊質量監督站，廣州 510052)

人工、機械、爆破開挖是3種主要的地下工程施工手段[1-3]，人工開挖費時費力，只適合局部施工；機械開挖快速高效，應用廣泛；對于質地堅硬的巖體，爆破開挖是最佳選擇[4]。爆破開挖雖能解決巖體堅硬難以施工的難題，但在施工過程中產生的爆破振動、爆破飛石、空氣沖擊波等有害效應[5-6]易對周圍的人員和建(構)筑物造成損傷。因此，研究地下工程爆破開挖安全技術具有重要意義。

目前，國內外學者已經在爆破開挖安全方面展開了廣泛研究[7-10]，通過技術改進實現了對爆破有害效應的控制。葉朝良等[11]以徐鹽鐵路徐淮場路塹土石方爆破開挖工程為研究背景，以控制爆破振動、爆破飛石、爆破沖擊波、爆破有害氣體和噪聲為施工目標，總結出一套行之有效的安全防護體系；唐海等[12]以張家界禾家村站東側的路塹山體爆破開挖工程為背景，分析了周圍民房、路基、邊坡的爆破控制標準，制定出保證鐵路正常運營和周邊村莊安全的爆破開挖安全技術；Zhou Kui等[13]在公路隧道施工中，通過合理設置爆破開挖施工順序，采用淺孔毫秒爆破技術，以減少爆破振動效果和沖擊作用。雖然這些學者在爆破開挖安全技術方面取得了許多成果，但是其研究背景中爆區周圍的環境簡單，受保護的對象較為單一，而且多為路塹工程[14-16]，對地下洞庫工程爆破開挖安全技術的研究較少。

基于此，本文介紹了以蘭州市附近山溝內某洞庫爆破開挖為背景，綜合考慮爆區周圍建(構)筑物及存放危險品的安全，從改進爆破技術和制定防護措施兩個角度對地下洞庫爆破開挖安全技術進行研究的過程，為周圍有地上、地下建(構)筑物且存有危險品的復雜環境下地工程的爆破施工提供參考。

1 工程概況

某洞庫爆破開挖地點位于蘭州市附近山溝內某庫區。洞庫斷面采用圓拱直墻型和公路洞庫式橢圓形，圓拱直墻型洞庫分不同斷面，開挖寬5～6.6 m，高6～6.5 m；公路洞庫式橢圓型洞庫開挖寬13.318 m，高12.1 m。其中，KD-1-1#洞庫環境最復雜，進口處與1#洞庫(彈藥教具)、2#洞庫(圖庫)、3#洞庫(空置)、4#洞庫、5#洞庫(引信)的水平距離分別為23、103、33、48、90 m；KD-1-1#洞庫口與1#地面庫房(無引信彈藥)、2#地面庫房(在建)、3#地面庫房(無引信彈藥)的距離分別為95、150、70 m，其他洞庫環境較好。施工掌子面距離洞口50 m；爆破點距離1～5#洞庫口分別為61、100、49、56、102 m，在建洞庫和原有洞庫在同一高程，爆區位置及周邊環境如圖1所示。

圖1 爆區位置及周邊環境
Fig.1 Explosion location and surrounding environment

爆破區域周邊環境復雜，必須采取多種安全措施和防護手段，避免爆破產生的振動、飛石、空氣沖擊波等有害效應對四周需保護的建(構)筑物、工程設施等造成損壞，避免爆破施工對在用危險品洞庫等建(構)筑物產生不利影響，確保周圍道路、建筑、設施及附近人員的安全。

2 工程難點

洞庫洞身為紅砂巖和紅板巖，巖性致密堅硬，硬度為4～6，層理不顯，不透水，地表無水。根據公路洞庫圍巖分級的相關規定[17]可知，洞庫圍巖為Ⅲ級。

爆破地點KD-1-1#洞庫環境復雜，洞庫爆破施工的難點如下：

1)在規定的時限內既要完成爆破施工工作，又必須嚴密做好爆破安全防護，時間緊、任務重、難度大；

2)四周需要保護的目標較多，距離近，要求高，安全顧慮大。

制定爆破方案和施工組織設計時需要充分考慮該工程的難點，確保洞庫的爆破開挖達到如下要求：

1)在規定的工期內，完成洞庫爆破開挖的施工任務，確保工程整體建設的正常推進；

2)爆破要充分發揮洞庫圍巖的自穩能力，避免對其造成嚴重破壞。一方面，要防止施工過程中洞庫垮塌；另一方面，要保護初期支護結構；

3)確保爆破效果，控制爆破總量。爆破開挖后的洞庫巖壁要達到光面爆破的效果，以便于后續錨噴支護施工的開展；確定爆破方案要以爆破效果和工程安全為基礎，以最優的施工技術、經濟指標為目標；

4)嚴格控制爆破振動、飛石和沖擊波等有害效應，特別是爆破振動，實時量測，動態監控，要求施工措施與工況相適應，從而確保圍巖穩定以及周圍其他建筑、設施和人員的安全。

3 爆破方案

洞庫爆破施工受爆源、介質和洞庫自身的影響，可能會引起鄰近在用洞庫圍巖的失穩或損傷。控制巖壁破壞，保證圍巖穩定，是爆破施工的核心目標，在施工中堅持“少擾動、快加固、勤量測、早封閉”的原則，控制爆破振動對鄰近在用洞庫圍巖的損傷。

洞庫屬于Ⅲ級圍巖，采用短進尺、弱爆破的預裂爆破技術；全斷面開挖，巖石地段采取鉆爆施工，同時多段位起爆，控制爆破規模和循環進尺。根據安全要求設計了循環進尺1.0 m、炮孔深1.4 m和循環進尺1.5 m、炮孔深1.9 m的兩種爆破開挖方案，以此控制質點振動速度；將適量的炸藥均勻布置在炮孔中，設計非電延時起爆網路，以達到降低爆破振動強度的目的；為控制爆破飛石，底孔采用松動爆破技術，最大限度地降低對臨時支護結構和在用洞庫的影響，保證在用洞庫的安全；結合對洞庫內和地面的振動監測結果，適時調整爆破參數，以滿足施工要求。

采用以上爆破開挖方案時應確保臨時支護的跟進，對于可能采用超前錨桿或注漿小導管的施工段落應確保施工質量，保證進行鉆爆施工時圍巖穩定；實際地質條件與地勘報告有出入時，及時調整爆破方案。

3.1 炮孔設計

1)炮孔數目。炮孔個數設計以環境最復雜且兩側有在用危險品洞庫的KD-1-1#洞庫為設計依據，馬蹄形斷面尺寸為5 m×6.1 m，洞庫開挖斷面面積為29 m2。炮孔數目計算[18]如下：

(1)

式中：N為炮孔數目，個；f為巖石堅固性系數，取f=6；S為巷道掘進斷面面積，m2。

經計算，N=56。

2)炮孔參數。在炮孔總體設計的基礎上，將炮孔細分為掏槽孔、輔助孔和周邊孔(底板孔)。根據不同炮孔的不同要求，對3種炮孔的爆破參數進行單獨設計(見表1～表3)。

表1 掏槽孔爆破參數

表2 輔助孔爆破參數

表3 周邊孔爆破參數

對非標準斷面進行爆破施工時，部分爆破參數需參照標準的設計斷面進行調整，其中各孔的裝藥結構和填塞長度等參數保持不變。掏槽孔的孔距和排距與標準設計斷面相同；輔助孔的孔距調整范圍為0.8～1.2 m，排距調整范圍為0.6～0.9 m；周邊預裂孔的孔距調整范圍為0.5～0.7 m。在施工過程中結合施工效果和反饋的相關信息，及時調整爆破參數，確保施工安全。

3)炮孔布置。洞庫掘進爆破的掏槽孔采用矩形布置，孔深分為1.4 m和1.9 m，排距0.5 m，孔口距2.0 m，與掌子面構成的夾角為60°；輔助孔的孔深分為1.2 m和1.7 m，排距0.7 m，孔距1.0 m，采用半圓弧形和矩形設置方式；周邊預裂爆破孔的鉆孔角度與掌子面成5°夾角，孔距0.5 m，沿洞庫的邊界線均勻布置。施工過程中，輔助孔炮孔位置的調整范圍為5～10 cm，其余炮孔調整幅度一般不得大于5 cm，開挖斷面的炮孔布置如圖2所示。

注：雷管段別為毫秒段別
圖2 炮孔布置
Fig.2 Layout of blasthole

3.2 炮孔裝藥量

依據規定[18]，單孔裝藥量計算如下：

(2)

式中：Q0為單孔裝藥量，kg；α為裝藥系數，按照爆破類型的不同，一般取0.45～0.8；L為掌子面上布置的炮孔長度，m；G為各藥卷的質量，kg；h為各藥卷的長度，m。

爆破開挖的炮孔直徑均設計為50 mm；考慮洞庫的水文地質特性和光面爆破的施工要求，并結合工程經驗，在采用2#巖石乳化炸藥時，設計掘進爆破的炸藥單耗為0.7 kg/m3；炮孔填塞長度取0.6～1.0 m。工程爆破中常用φ32 mm的乳化炸藥卷，藥卷質量一般為0.2 kg/卷，每個藥卷的長度按0.2 m計算，則不同循環進尺的裝藥量分別如表4～表5所示。

表4 1.0 m進尺裝藥量分配

表5 1.5 m進尺裝藥量分配

因此，單循環爆破進尺為1 m和1.5 m時的總裝藥量分別為21.1、29.4 kg。

3.3 裝藥結構與起爆網路

1)裝藥結構。炮孔裝藥均采用不耦合裝藥方式，使用φ32 mm，長200 mm的藥卷，以減少爆破施工對圍巖造成的損傷，削弱爆破的振動響應。為改善爆破效果，在炮孔底部放置起爆藥卷，通過反向起爆炸藥的方式引爆所有炮孔內炸藥；周邊孔采用導爆索起爆，確保所有周邊孔同時起爆，以獲得更好的爆破效果。炮孔的裝藥結構如圖3所示，使用木竹質材料制作炮棍，將粘土和細沙按照1∶3的比例拌合，制成均勻的混合物，用于填塞炮孔。

圖3 周邊預裂爆破孔裝藥結構
Fig.3 Charge structure of peripheral pre-cracking blasthole

2)起爆網路。按照預裂孔、中間掏槽孔、外圍輔助孔的先后順序進行逐排延時起爆，同排炮孔同時起爆，預裂孔和掏槽孔的起爆延時時間大于100 ms。對于主爆區的起爆網路設計，依據同次起爆、孔內分段延時的原則，布設非電導爆管。每個炮孔放置1發非電延時導爆管雷管，所有雷管采用四通連接，孔外放置MS1段傳爆雷管，傳爆雷管與導爆管束反向聯接，通過導爆管雷管引爆傳爆雷管。

按照網路設計的起爆順序進行爆破開挖，以滿足各炮孔之間延時時間的要求。1.0 m進尺爆破方案與1.5 m進尺爆破方案起爆順序基本相同，預裂孔采用導爆索起爆，各孔的起爆導爆索采用導爆管雷管起爆。以現場爆破試驗結果和實際情況為依據，及時調整炮孔深度、單孔裝藥量、炸藥單耗、孔網參數等相關爆破參數，且盡可能使所有炮孔的底部在同一平面內。

4 爆破有害效應分析與控制措施

由于此項工程的爆破地點位于危險品庫區，且周圍環境相對復雜，進行爆破施工需考慮的有害效應主要有爆破振動、飛石和空氣沖擊波。以國內外類似的爆破工程為參照，結合以往實際工程的施工經驗，分析相關因素，采取相應措施，適當控制爆破規模，以有效降低爆破危害效應，避免其對周圍人員、建筑和設施造成不良影響。

4.1 爆破振動

在爆區部分設施暫時移走的條件下，爆破地震波易引起在用危險品洞庫等建(構)筑物的振動，對其結構的安全穩定造成不良影響。

本次爆破采用淺孔控制爆破技術，爆破的振動頻率f>50 Hz，根據相關規范[18]，確定洞庫和在用地面庫房的允許安全振動速度(質點垂直振速)閾值均取1.5 cm/s，最大安全藥量按照KD-1-1#洞庫水平距3#洞庫49 m計算，可按照薩道夫斯基公式計算爆破地震波理論振速。由于此次爆破采取內部裝藥多點分布的毫秒延時控制爆破方式，可采用修正后的公式[18]計算：

(3)

式中：v為保護對象的安全振動速度，cm/s；K為受地質條件和爆破地形等因素影響的系數；K′為延時爆破修正系數；Q為最大一段爆破開挖的裝藥量，kg；R為爆點中心與目標之間的距離，m；α為地震波的衰減指數。

本工程通過預裂孔爆破或開挖減振溝的方式，有效減弱了爆破產生的地震波對建(構)筑物的影響。為徹底消除對四周(構)筑物的振動影響，對預裂孔起爆同樣需要控制單段裝藥量，分2段起爆，單段藥量最大約為6 kg。鑒于洞庫四周均為軟巖，為確保安全，故根據規范[18]取K=250，K′=1,α=1.8，則最大一段起爆藥量為

=23.5 kg

因此，爆破按照循環進尺為1.0 m、最大單段爆破量為7.6 kg，以及循環進尺為1.5 m、最大單段爆破量為11.4 kg的兩種方案均滿足裝藥量要求，其振動計算結果分別如表6～表7所示。

表6 循環進尺為1.0 m的振速計算

表7 循環進尺為1.5 m的振速計算

通過計算并分段裝藥，可保證各庫房的結構安全，采用預裂爆破可降低30%～50%的爆破振動。兩種方案計算出的各建筑物的振動速度均小于1.5 cm/s，滿足爆破開挖設計要求。

方案二的爆破量大，爆破振動強，且3#洞庫距離KD-1-1#洞庫爆破點最近，因此，從采用方案二時的3#洞庫的爆破振動監測(見圖4)結果可以看出，實際測得3#洞庫最大振動速度為0.83 cm/s，在安全允許振速1.5 cm/s范圍內，與計算結果相差不大。從爆破結果看，周邊各洞庫和地面庫均無明顯損傷，未發生碎石掉落。因此，爆破開挖設計合理，滿足振動安全要求。

圖4 爆破振動監測結果
Fig.4 Monitoring results of blasting vibration

4.2 爆破飛石

爆破產生的飛石易對周圍的建(構)筑物和公路造成危害。爆破飛石最大飛散距離可按下式[18]確定：

Rf max=KfqD

(4)

式中：Kf為受爆破方式、炮孔填塞長度和地質地形條件等因素影響的系數；q為爆破施工的炸藥單耗，kg/m3；D為炮孔直徑，mm。

根據工程實際和施工經驗，取Kf=1.2，q=0.7 kg/m3，D=40 mm，則Rf max=34 m。本工程為松動爆破且在洞內，洞內飛石安全控制距離為100 m。

加強填塞和防護是降低飛石距離的有效途徑之一。施工時，按設計填塞，并在爆破位置采取嚴密的防護措施，可以降低爆破飛石對環境產生危害效應。

4.3 空氣沖擊波

壓縮周圍空氣所形成的超壓，其計算公式[18]為

(5)

式中：Q為一次起爆的最大藥量，kg，由設計方案確定；α為沖擊波衰減指數，取α=1.76；K為分散延時影響系數，毫秒延時取K=0.3；R為爆破中心至保護目標的距離，由現場測定；

本次爆破中，方案一Q=7.6 kg，方案二Q=11.4 kg，取R=102 m和R=49 m計算，計算結果如表8所示。

表8 空氣超壓計算

根據《爆破安全規程》[18]的規定，確保人員安全的沖擊波允許超壓為Δp≤2 kPa，確保建筑物安全的沖擊波允許超壓為Δp≤5 kPa，分析上述結果可知，爆炸產生的空氣沖擊波小于國家所規定的安全標準，不會對周圍的人員和建筑物造成危害。

4.4 爆破有害效應的預防措施

4.4.1 爆破振動

綜合考慮起爆點與需要保護的建(構)筑物之間的空間位置關系，深入分析存在的影響因素，對可能產生的爆破振動采取有針對性的預防措施。

1)凡需保護的建(構)筑物均需采取預裂措施，以盡快形成溝槽，從而減少對建(構)筑物的振動影響。

2)結合孔內裝藥和分散布藥的爆破方式，采取一次點火和分段延時相結合的起爆方式，實現能量分散釋放，避免集中釋放。同時可以實現不同爆點產生的地震波波峰與波谷相互疊加，以削弱地震波的能量，從而降低爆破振動。

3)綜合考慮建(構)筑物結構的抗振能力和爆點之間的空間位置關系，以此作為計算一段最大裝藥量的指標依據，保證爆破振動對建(構)筑物的影響處于安全范圍內。

4.4.2 爆破飛石

對于爆破飛石，以其飛行距離作為主要的控制指標，可采取以下針對性的預防措施：

1)為使設計值始終大于實際最小抵抗線，鉆設炮孔前要對試爆體的尺寸進行詳細測量，同時控制最小抵抗線的方向始終背離被保護建(構)筑物的方向，以減少爆破飛石對建(構)筑物的損傷；

2)認真把關炮孔填塞質量，精準控制炮孔單耗藥量；

3)精心施工，嚴格控制裝藥長度與單孔藥量；

4)在所有爆破孔位上部嚴密覆蓋一層舊木工板，再蓋一層密目網，避免個別飛石逸出，以消除爆破飛石對附近建筑設施的影響。

4.4.3 空氣沖擊波

對于爆破產生的空氣沖擊波，為控制其引發的空氣超壓值處于安全范圍，可針對性地采取以下措施：

1)改進爆破方式，采用內部裝藥、分散布藥和延時起爆的組合爆破方式；

2)嚴格控制炮孔填塞長度，認真把關炮孔填塞質量；

3)采用橡膠管包裹裸露的傳爆雷管，以確保傳爆穩定；

4)遮擋或覆蓋爆炸氣體可能逸散的場所和部位，以阻斷空氣沖擊波的傳播。

5 爆破效果

采用短進尺、弱爆破的預裂爆破技術，進行全斷面開挖，循環進尺，底孔以松動爆破為主，爆破開挖施工效果如圖5所示。

圖5 爆破開挖施工效果
Fig.5 Blasting excavation construction effect

經過精細設計和施工，爆破后的洞庫巖壁表面平整、光滑，沒有出現松動易掉落的大塊碎石；爆破沒有對洞庫圍巖造成嚴重破壞，充分發揮了巖體的自穩能力，而且爆破對初期的支護結構也沒有造成不良影響。本次施工實現了精準控制和有效防護的目標，爆破地震波引起的振動沒有對周圍的建(構)筑物結構造成損傷，爆破飛石被控制在一定范圍內，沒有出現爆破飛石失控危害人員和建筑設施的現象，爆炸產生的空氣沖擊波也得到了有效控制，沒有超過人員和建筑物結構能承受的安全標準，爆破施工效果較好。

6 結語

蘭州某洞庫工程爆破開挖已順利完成，施工效果較好，達到預期目標，可為其他類似工程提供參考。

1)由于爆區周圍環境復雜，建(構)筑物多且存有危險品，且主要的有害效應有爆破振動、爆破飛石和空氣沖擊波，因此，采用短進尺、弱爆破的預裂爆破技術，在重點保護目標前設置減振溝槽，從而減少對目標的振動影響。

2)采用不耦合裝藥的爆破方式，使能量分散釋放，減少地震波對建(構)筑物的振動影響，從而達到保護結構和洞庫圍巖的目的。

3)實時監測地面和洞庫內的爆破振動情況，根據測試結果及時調整爆破參數，以滿足施工技術要求，確保完成施工任務。

4)起爆網路采用非電導爆管閉合串聯法，通過導爆管雷管孔內延時構成的網路起爆，各區之間網路采用復式連接法，能夠實現可靠傳爆，改善爆破效果。

5)根據不同開挖區域的不同地質狀況，采取1.0 m和1.5 m不同進尺相結合的方式，在保證安全的前提下，達到最佳的爆破效果。