復雜環境爆破參數優化及控制技術

汪高龍，王 瀟，李 跟，支建輝，蔣宇鴻，王鑄圣

(連云港明達工程爆破有限公司，江蘇 連云港 222021)

1 工程概況

福州港三都澳港區漳灣作業區7號泊位工程為福建省和寧德市的重點工程。工程開山區面積11.34萬m2，總開山方量663.77萬m3，施工合同工期304 d。爆破施工場地狹窄、環境復雜、多雨等不利條件，要求工期緊、強度高，因此，狹窄場地復雜環境高強度爆破控制及參數優化較為關鍵[1]。

1.1 爆破區域周邊環境

工程位于寧德市三都澳漳灣作業區8號泊位西側(見圖1)，現場周邊有已建成的8號泊位、港務局大樓、港務局內臨時工棚、銀泰工貿實業公司的散裝水泥儲存罐。爆區東邊距公路邊緣30 m；沿公路邊有一條10 kV高壓線距離礦區30 m；東北方向距離水泥儲存罐80 m；距離8號泊位240 m；礦區南端東邊距港務局門衛建筑20 m， 距港務集團大樓建筑物120 m；西邊與大洋船廠礦區比鄰；西北方向360 m是大洋船廠裝船碼頭；北邊620 m是海上養殖區；爆破施工環境復雜。

圖1 爆破周邊環境Fig.1 Surrounding environment of blasting

1.2 工程地質與水文情況

開山區地表1～9 m為可塑硬狀粉質粘土、殘積粘性土，其下為全、強風化花崗巖，碎塊狀強風化花崗巖以及中微風化花崗巖，節理發育一般，較多見水平節理。中微風化花崗巖致密堅硬，裂隙水較豐富，據鉆孔觀察，滲水積水較嚴重。

1.3 施工特點

1)施工作業面狹小。爆破作業區南北長約460 m，東西寬246 m，開挖高差達103.5 m，爆破作業區范圍小，制約開拓系統的布置，不利于機械設備大規模的展開，與高強度開挖形成矛盾。

2)爆破環境復雜，不利于大規模爆破。爆破作業區現場周邊有已建成的8號泊位、港務集團大樓、港務集團內臨時工棚、銀泰工貿實業公司的散裝水泥儲存罐，與在建的7號泊位碼頭施工區域最近距離僅8 m，相鄰爆破作業區也在同步作業，相互干擾因素較多，不利于大規模爆破作業。

3)工期緊、開挖出運強度高。整個工程開挖量達663.77萬m3，合同約定施工時間為304 d。

4)雨天多且持續時間長。施工期間雨水多且持續時間長，爆破施工工期287 d，其中陰雨天178 d，占爆破施工工期的62%，持續降雨最長達18 d，給施工帶來較大的影響。

2 爆破參數的優化設計

爆破作業位于港口作業區內，周邊環境復雜，施工干擾大，為降低爆破影響，采用中深孔梯段控制爆破進行石料開采，炸藥單耗0.35～0.40 kg/m3，永久邊坡采用光面爆破一次成型。為達到控制塊度、減少根底的高效爆破開采，通過精細化爆破、信息化管理[2]，并組織實施爆破實驗，逐步優化施工工藝及爆破參數，以降低大塊率，提高裝運效率[3]。

2.1 實驗爆破參數

根據巖石特性初步計算出6組爆破實驗孔網參數[4]，選擇巖體條件相近的區域，通過爆破實驗不斷優化爆破參數，以降低石料開采大塊率、減小振動效應和根底率[5]，石料爆破實驗參數如表1所示。

表1 石料爆破實驗參數

2.2 實驗分析與優化

根據表1共實施6次的爆破實驗。從現場爆破效果來看，爆堆相對集中、巖石較破碎，滿足機械裝運條件。

通過對 6次爆破實驗進行對比分析，第1、2、5、6次爆破實驗100 mm以內塊度的石料占比不足40%，說明爆破的破碎程度不夠。第3、4次爆破實驗的石料塊度100 mm以內的石料占比47%，滿足設計要求。因此，這2次爆破實驗所選爆破參數更為合適，經過實驗優化各項參數如表2所示。

表2 優化后的爆破參數

3 爆破方案優化

3.1 壓渣爆破施工技術

由于場地狹小、環境復雜、多雨等不利條件，加上工期緊、施工強度高，石料無法及時完全出運，現場需要采用壓渣爆破。壓渣爆破面臨爆破振動大、抵抗線無法確定等難題。為此，技術人員通過多次小規模壓渣爆破實驗進行探索，摸索出解決爆破振動大、抵抗線無法確定的實用施工技術[6-7]。

每次爆破前，在爆區最后一排炮孔往后5 m位置處留取一道預留線，作為下次炮孔位置確定的參照，根據5 m預留線和80°炮孔特性并結合此次爆破后排巖石拉裂程度來確定下個爆區第一排炮孔位置。該方法簡單，現場易于操作。

壓渣爆破通過減小孔網參數、增加前排孔整體裝藥量，使得孔內炸藥集中作用在炮孔底部，從而減小爆破振動。鉆孔施工質量對壓渣爆破較為關鍵，鉆孔的角度和位置直接影響爆破效果，通過實踐摸索發現：鉆孔角度在80°、孔距在5.5～6.0 m、排距在3.0 m(6排之后排距為2.8 m)、排數在6～10排時，爆破后的爆堆更松動、爆破拋擲效果更好、大塊率更低、挖裝效率更高。

3.2 根底控制技術

由于現場清渣不及時，產生壓渣，壓渣堆積的次數愈多，厚度愈大，堆積時間就愈長，爆堆高度就越高，導致堆積體松散系數降低，壓制性加大，根底就易于產生。產生根底對+8.5 m底標高的控制造成較大難題。開采設計原方案是按照15 m一個臺階，最后一層臺階為+25 m平臺，這樣造成最后的開挖高度為16.5 m，臺階高度增大使得鉆孔深度增加，鉆孔難度加大，18 m(超深1.5 m)深度鉆孔時難以控制底部方向及角度，更易于產生根底。

為解決這一難題，現場將最后16.5 m高開采平臺分成2個平臺進行開采，增加1個+13 m平臺，這樣原本16.5 m的平臺變成了12 m和4.5 m的2個平臺，底標高控制平臺變成了4.5 m的低平臺，6 m(超深1.5 m)的鉆孔深度有利于鉆孔時底部方向和鉆孔角度的控制，炮孔底部由不耦合裝藥改成耦合裝藥，前排炮孔加大超深、減小孔排距、降低底盤抵抗線等來控制根底。

新增+13 m平臺方案增加了一個作業面，解決了高平臺方案出現的單平臺作業帶來的真空期，使得原本無法安放的挖機車輛有了作業工作面，保障了沖刺時期的進度計劃安排。新方案使得+8.5 m最終驗收平臺底標高達到設計要求，也為運輸車輛的行駛帶來了便利，加快了石料的出運速度。

3.3 雨天爆破網路連接技術

雨天爆破作業最大的難題就是爆破網路的連接，因連接元件不能沾水，所以在雨天連接爆破網路時需要撐雨傘進行連接，并在連接時使用干燥毛巾對導爆管進行擦干方可連接，連接過后再進行連接元件的防水處理：第一層采用防水絕緣膠帶進行包裹、第二層采用?90放炮作業防水套包裹，使用雙層防水材料包裹有效阻止了雨水進入四通式連接元件引起的拒爆。

4 爆破安全與效果分析

在項目施工過程中，充分運用了科技與管理創新，解決了爆破施工及土石方出運作業工程中的各種技術難題，綜合采用壓渣爆破、光面爆破、逐孔起爆等關鍵技術，以及對單耗等爆破參數進行優化設計，石料開采大塊率下降50%，裝運效率提高15%，日均出運10萬t，解決了大塊率、振動效應和根底控制等難題，為提高施工工效奠定了基礎。

4.1 爆破飛石控制措施

在爆破施工中，要嚴格控制爆破飛石的產生，避免對現場作業的人員、設備和周邊設施產生破壞。

1)爆破工程技術人員根據前端自由面情況和前排抵抗線情況進行前排孔裝藥作業，嚴格控制藥量并且注意避免將藥包布置在軟弱夾層上，防止因局部抵抗線薄弱產生飛石[8]。

2)在滿足爆破要求的情況下，對環境異常復雜、距離建筑物較近的爆破區域采用松動爆破，在保障爆破效果、大塊率滿足要求的前提下適當放大前排抵抗線、減小孔距、采取多打孔少裝藥等方法。

3)嚴格按照設計角度進行鉆孔，避免因鉆孔角度、位置偏差大導致爆破效果差和產生爆破飛石。

4)加強炮孔的填塞工作，填塞段底部采用?90放炮作業防水套灌裝巖粉填塞方式，填塞段上部采取巖粉直接填塞方式；防水袋中嚴禁灌裝巖粉沫、碎石等大體積雜物，上部巖粉正常填塞后等待一段時間，待上層巖粉與水混合并且凝固后方可進行起爆作業。

5)合理選擇爆破最小抵抗線和自由面方向，使自由面避開安全距離內的保護物。

6)在爆破作業區東側港務局大門口兩側搭設長150 m、高6 m的雙層防護排架加強防護；在爆破作業區東北側水泥罐體附近搭設長80 m、高6 m的三層防護排架加強防護，對部分重點被保護物采取全覆蓋保護。

4.2 爆破振動控制措施

爆破產生的振動對周圍的影響采用質點垂直振動速度來衡量[9-10]，依據《爆破安全規程》(GB 6722-2014)的規定，其允許最大段藥量計算公式如下：

(1)

式中：Q為最大單段藥量，kg；v為質點垂直振動速度，cm/s；K為與地震波傳播地段介質特性等有關的系數，α為地震波衰減指數，對中硬巖石取K=150，α=1.5；R為建(構)筑物到爆破中心的距離，m。

為安全起見，根據保護對象類別、結構性質，本工程取質點最大允許振速為 2.0 cm/s。由于本工程爆區最近距中交二航項目部 40 m，為減少爆破振動對周邊的影響，爆破方向避開臨近項目部，單響藥量根據爆破點距離被保護建筑物的遠近而調整；40 m單響藥量按不大于10.5 kg控制，100 m以外單響藥量按不大于225 kg控制；一般單次深孔爆破藥量按小于10 t控制；復雜環境下控制爆破單次藥量按小于2.5 t控制。

針對爆破振動對周圍建構筑物影響，采取以下措施。

1)先期進行試爆，優化爆破設計方案，選取合理的K值和α值，調整爆破參數，減小爆破振動的強度。

2)采用毫秒延時爆破，嚴格控制單段齊爆藥量。

3)爆破作業時充分考慮新建7號泊位碼頭混凝土澆筑凝固時間段，避開該時間段。無法避開時，進一步降低單段齊爆藥量，把振動降低到最小。

4)進行爆破振動監測。對爆破作業區80 m處水泥儲存罐以及50 m處港務集團門崗室進行爆破振動監測，為安全核算提供準確的依據。

5 結語

1)綜合采用壓渣爆破、光面爆破、逐孔起爆等關鍵技術，以及對單耗等爆破參數進行優化設計，解決了大塊率、振動效應和根底控制等難題，為提高施工工效奠定了基礎， 同時實現了“優質、高效、安全、綠色、環保”的精細爆破目標。

2)新增+13 m平臺方案增加了作業工作面，滿足了多臺階并進式的開挖要求，4.5 m控制平臺有利于控制鉆孔方向，為驗收平臺達到設計要求創造了條件。項目爆破技術和施工組織管理為同類工程爆破施工作業提供了經驗。