喀斯特地區(qū)臺(tái)階松動(dòng)爆破中溶洞的控制與處理

李春輝，高 垠，劉天鵬，朱奎衛(wèi)，王洪洋，薛立梅

(1.中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，長(zhǎng)春 130021；2.水利部寒區(qū)工程技術(shù)研究中心，長(zhǎng)春 130021)

我國(guó)南方地區(qū)地質(zhì)情況較為復(fù)雜，喀斯特地貌分布區(qū)域較廣，如廣西、云南等地，主要地質(zhì)情況為灰?guī)r區(qū)。灰?guī)r地區(qū)巖層通常較堅(jiān)硬，有大量孤石和斜坡巖，且分布有較多較大的溶洞[1-4]，在爆破作業(yè)鉆孔施工過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)漏漿、塌孔、偏孔、卡鉆等情況，影響工程進(jìn)度，增加工程成本。同時(shí)在巖溶發(fā)育地區(qū)進(jìn)行爆破工作時(shí)，溶洞存在對(duì)爆破效果及安全有很大影響。在水利、礦山工程建設(shè)與開(kāi)采過(guò)程中，若忽視喀斯特地區(qū)中溶洞、溶槽這類特殊地質(zhì)條件對(duì)爆破作用的影響，會(huì)導(dǎo)致爆破達(dá)不到預(yù)期效果，甚至出現(xiàn)爆破安全事故。結(jié)合某水利樞紐工程船閘下游引航道爆破作業(yè)開(kāi)挖的工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)巖溶發(fā)育地區(qū)臺(tái)階松動(dòng)爆破中的技術(shù)及安全問(wèn)題進(jìn)行探討[5-7]。

1 溶洞對(duì)爆破效果及安全的影響

溶洞的尺度、與炮孔相對(duì)位置、洞內(nèi)填充物等對(duì)爆破拋擲方向、爆破方量及安全技術(shù)有很大的影響[8-10]，爆區(qū)內(nèi)的溶洞會(huì)改變抵抗線的大小和方向，造成炮孔抵抗線不足，爆破能量向溶洞方向聚集釋放產(chǎn)生不同的現(xiàn)象：一是溶洞內(nèi)聚集的炸藥能量作用在薄巖層上，因抵抗線太小而產(chǎn)生飛石；二是炸藥能量向溶洞方向釋放，使炮孔底部能量不足，造成根底和大塊；三是溶洞過(guò)大，不明走向，造成所裝炸藥不能起爆；四是溶洞內(nèi)填充物不明，造成裝藥線密度不足或泥沙塊石飛散。以下從溶洞的大小、與炮孔的相對(duì)位置(見(jiàn)圖1)、溶洞群和溶洞填充物等方面詳細(xì)探討其對(duì)爆破效果及安全的影響。

圖1 溶洞與炮孔相對(duì)位置Fig.1 Relative position of karst cave and blasthole

1)當(dāng)溶洞位于孔底，且直徑和高度均小于0.5 m時(shí)，在確保裝藥正常的條件下，可以克服爆破殘留根底的問(wèn)題，對(duì)爆破效果起到一定的積極作用，但用藥量略有增加。在嚴(yán)格把控現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量如填塞長(zhǎng)度、抵抗線距離等爆破參數(shù)符合要求的情況下，安全方面可以得到保證。

2)當(dāng)溶洞位于孔底，且直徑和高度均大于0.5 m時(shí)，或當(dāng)溶洞位于孔身，且直徑大于3倍炮孔直徑時(shí)，在不清楚溶洞存在的情況下進(jìn)行裝藥，導(dǎo)致溶洞部位裝藥過(guò)于集中，容易產(chǎn)生飛石，飛石超出安全距離，造成人員傷亡、周邊設(shè)施及建筑物的損壞等安全事故；如果按照炮孔設(shè)計(jì)藥量進(jìn)行裝藥，在溶洞處裝藥較多，炮孔的實(shí)際裝藥長(zhǎng)度不夠，致使爆堆不規(guī)則，爆堆表面出現(xiàn)大塊，需要進(jìn)行二次破碎，增加出渣和運(yùn)輸成本。

3)當(dāng)溶洞位于最小抵抗線方向及其附近，炮孔到溶洞的距離W2小于最小抵抗線W1(見(jiàn)圖1c、見(jiàn)圖1d)。巖塊的拋擲方向改變，爆炸能量向W2拋擲方向的溶洞集中，造成部分拋擲巖塊超出設(shè)計(jì)安全范圍，甚至發(fā)生“沖天炮”情況，造成嚴(yán)重的安全事故；當(dāng)孔頂附近有溶洞，且直徑和高度均大于0.5 m時(shí)，可能造成洞頂塌落的現(xiàn)象，影響爆破效果。

4)當(dāng)溶洞位于若干炮孔之間，且直徑大于3倍炮孔直徑時(shí)(見(jiàn)圖1e、圖1f)。爆破氣體經(jīng)過(guò)軟弱面或軟弱帶泄入溶洞，使炮孔的爆破壓力迅速降落，溶洞的泄能作用使裂隙過(guò)早終止，大大降低了爆破威力，減少了爆破方量；當(dāng)若干炮孔的爆炸能量向溶洞方向集中，并同時(shí)在溶洞處匯集，產(chǎn)生爆炸氣體集中，易形成飛石，造成安全隱患。

5)出露和靠近地表的溶洞，大多填充有飽和水或膠結(jié)稀泥，增加施工難度。當(dāng)溶洞位于炮孔底部或中部時(shí)，若未用炮桿將藥卷壓入，造成藥卷無(wú)法下沉，導(dǎo)致裝藥量不足，用炮桿將藥卷壓入泥中，易形成竄炮；當(dāng)溶洞填充物為塊石，爆破能量向溶洞聚集，致使塊石飛散超出安全距離。

6)當(dāng)若干溶洞形成溶洞群或溶洞過(guò)大，不明走向時(shí)，可能造成所裝炸藥不能起爆，溶洞群若不及時(shí)處理，隨時(shí)有可能塌落，危及施工安全。

7)另外巖層中含水量較多，也會(huì)對(duì)穿孔作業(yè)和爆破質(zhì)量帶來(lái)較大影響，當(dāng)炮孔內(nèi)水深較高時(shí)，炸藥在水中不易下沉，易造成堵孔、裝藥密度低等問(wèn)題，孔深不合格，將造成爆破后產(chǎn)生根底，同時(shí)還會(huì)影響爆破安全。

2 溶洞的處理措施及爆破控制方法

1)查閱相關(guān)地質(zhì)資料了解溶洞分布情況，必要時(shí)采用鉆探方式探明溶洞位置及形態(tài)，以便在爆破施工前有針對(duì)性地編制溶洞處理方案。對(duì)在鉆孔時(shí)發(fā)現(xiàn)的溶洞應(yīng)認(rèn)真記錄其位置、大小和周邊炮孔分布情況，進(jìn)而選擇具有針對(duì)性的處理方法和爆破措施，消除安全隱患，降低爆破的成本。

2)位于孔底且直徑和高度均小于0.5 m的溶洞可不處理，仍按設(shè)計(jì)裝藥量進(jìn)行裝藥；直徑和高度均大于0.5 m時(shí)應(yīng)對(duì)溶洞進(jìn)行封堵，使孔底高程抬高，距離溶洞0.5～1.0 m時(shí)開(kāi)始按設(shè)計(jì)藥量裝藥。

3)位于孔身、直徑大于3倍炮孔直徑且在裝藥范圍內(nèi)的溶洞，可以采取“底部裝藥+溶洞填塞+上部裝藥+上部填塞”形式的分段裝藥措施控制溶洞，此時(shí)可把溶洞視為一個(gè)小硐室，根據(jù)最小抵抗線、溶洞深度參照硐室爆破裝藥量比深孔爆破適當(dāng)增加藥量，增加爆破瞬間溶洞內(nèi)的氣體壓力，減弱溶洞的泄能作用，注意在炸藥集中部位放置起爆藥包或?qū)П鳎_保炸藥起爆，同時(shí)適當(dāng)增加上部填塞長(zhǎng)度，分段裝藥結(jié)構(gòu)如圖2所示；位于填塞長(zhǎng)度范圍內(nèi)的溶洞可直接進(jìn)行填塞。

圖2 分段裝藥結(jié)構(gòu)Fig.2 Sectional charge structure

4)位于最小抵抗線方向及其附近，或位于炮孔之間、直徑大于3倍炮孔直徑的溶洞，要認(rèn)真核算抵抗線，嚴(yán)格控制每孔裝藥量，防止因抵抗線過(guò)小而產(chǎn)生飛石；為防止各炮孔爆炸能量向溶洞方向匯集，發(fā)生爆炸氣體集中，應(yīng)調(diào)整溶洞附近炮孔起爆順序和間隔時(shí)間，同時(shí)保證填塞長(zhǎng)度和炮孔覆蓋合格。

5)溶洞填充物的處理視溶洞位置而定，當(dāng)溶洞位于開(kāi)挖區(qū)，需通過(guò)導(dǎo)管等方式對(duì)內(nèi)部填充物進(jìn)行挖掘，打排水孔排水，防止裝藥密度過(guò)低，同時(shí)防止爆破能量向溶洞聚集，造成填充物飛散；當(dāng)溶洞位于保留區(qū)，溶洞排水過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格控制排水量和排水速度，同時(shí)對(duì)溶洞周邊進(jìn)行堵水處理，必要時(shí)進(jìn)行帷幕灌漿。膠結(jié)稀泥及塊石清理時(shí)，應(yīng)做好溶洞的支護(hù)后再進(jìn)行注漿填充，并根據(jù)施工特點(diǎn)和溶洞大小制定合理的注漿量。

6)對(duì)溶洞群或溶洞過(guò)大的情況，應(yīng)充分掌握溶洞發(fā)育情況，在溶洞上部實(shí)施的控制爆破，確保孔底部距溶洞的距離大于最小抵抗線，在溶洞上部布置加密孔，起爆后回填夯實(shí)；在爆區(qū)一側(cè)的較大溶洞，若溶洞距離路基或其他需要保留的部位較近，需在溶洞處做好支護(hù)措施，同時(shí)在溶洞上部也需要覆蓋，防止因溶洞造成穿孔，非爆區(qū)有飛石逸出，形成安全隱患。覆蓋采取“鐵絲網(wǎng)+沙袋+膠墊”相結(jié)合的方式，可有效防止爆破飛石和溶洞內(nèi)的填充物飛散。

7)在地下水影響較大的爆區(qū)，應(yīng)適當(dāng)縮小孔網(wǎng)參數(shù)，增大設(shè)計(jì)孔深，炮孔放置時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，防止炮孔中的巖粉顆粒沉淀使孔深變淺；裝藥時(shí)炸藥應(yīng)充分沉降，確保裝藥密度達(dá)標(biāo)后進(jìn)行填塞。

采取上述措施仍不能得到有效控制的溶洞，相關(guān)炮孔不應(yīng)進(jìn)行裝藥，可以在附近重新鉆孔。同時(shí)要加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量控制和安全防范，詳細(xì)記錄鉆孔過(guò)程中鉆進(jìn)速度的變化和地下水的情況，發(fā)現(xiàn)溶洞及時(shí)設(shè)置標(biāo)志或警示牌，增加爆破警戒距離，加強(qiáng)爆破人員的責(zé)任感。

3 工程應(yīng)用

3.1 概況

某水利樞紐工程位于珠江流域西江水系的黔江河段末端，屬于典型的喀斯特地貌。船閘下游引航道長(zhǎng)1 897 m，底寬75 m，底高程為15.35 m，開(kāi)挖量超百萬(wàn)方，臺(tái)階以深孔和淺孔松動(dòng)爆破相結(jié)合的方式起爆。下游引航道口門(mén)區(qū)在左岸Ⅰ級(jí)階地通過(guò)，Ⅰ級(jí)階地巖灘和河床覆蓋層主要為砂礫石，基巖為郁江下段的灰?guī)r。引航道右岸主要由層狀巖體組成，節(jié)理裂隙較發(fā)育，局部地區(qū)有少量的溶洞，中部或靠近左岸巖溶較發(fā)育，個(gè)別部位有較大的溶洞(見(jiàn)圖3)，且被黃泥和礫石充填，對(duì)爆破施工作業(yè)極為不利，且距離引航道左岸150 m處為業(yè)主營(yíng)地生活區(qū)，爆破環(huán)境十分復(fù)雜。

圖3 船閘下游引航道溶洞Fig.3 The karst cave in the downstream approach channel of the ship lock

3.2 爆破設(shè)計(jì)

以下航口門(mén)區(qū)B1區(qū)3+107～3+207段為例，某日爆破方量為8 954 m3，總裝藥量為4 200 kg，爆破方向朝向河道，采用直徑為70 mm和90 mm的2#巖石乳化炸藥，孔徑為125 mm，孔深5.0～11.0 m，孔數(shù)117個(gè)，孔排距為(1.5～3.0) m×(1.5～3.0) m，采用正三角形布孔，抵抗線為2.0～3.0 m，單孔藥量為24.0～54.4 kg，平均單耗為0.47 kg/m3，起爆器材采用數(shù)碼電子雷管。炮孔布置如圖4～圖5所示，溶洞至第1排第1個(gè)炮孔距離約為0.8 m，溶洞群至炮孔底部平均距離約為1.5 m。

圖4 炮孔布置(平面)Fig.4 Layout of blasting hole(plane)

圖5 炮孔布置(剖面)Fig.5 Layout of blasting hole(section)

3.3 施工控制措施

2019年10月15日，因現(xiàn)場(chǎng)鉆孔施工人員發(fā)現(xiàn)溶洞未及時(shí)上報(bào)，導(dǎo)致溶洞處炮孔裝藥量遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)裝藥量，爆破瞬間該孔飛出大量黃泥，拋擲距離超過(guò)爆區(qū)安全范圍300 m以外，將引航道左岸業(yè)主營(yíng)地食堂的玻璃砸壞，造成人員恐慌。此后，爆破專家對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行了有效控制，取得了較好的爆破效果。

下航口門(mén)區(qū)B1區(qū)3+107～3+207段爆破施工中，探明第1排第1個(gè)炮孔抵抗線方向有溶洞，同時(shí)在爆區(qū)中部前3排炮孔底部有溶洞群存在，現(xiàn)場(chǎng)控制措施主要包括以下內(nèi)容。

1)對(duì)第1排第1個(gè)炮孔抵抗線方向的溶洞，減少邊孔裝藥量，在確保安全的情況下該孔及第1排第2個(gè)孔和第3個(gè)孔、第2排第1個(gè)孔減少2個(gè)φ90藥卷即裝藥量比原設(shè)計(jì)方案減少6 kg，并在臨空面采用局部壓渣覆蓋，防止溶洞附近因抵抗線過(guò)小而產(chǎn)生飛石。

2)在鉆孔過(guò)程中發(fā)現(xiàn)第2排第7個(gè)炮孔孔身處有溶洞，且未在填塞長(zhǎng)度范圍內(nèi)，炮孔仍采用原設(shè)計(jì)藥量，但不能連續(xù)裝藥，裝藥結(jié)構(gòu)改為采用“底部裝藥+底部填塞+上部裝藥+上部填塞”的分段裝藥方式控制(見(jiàn)圖2)，同時(shí)增加上部填塞長(zhǎng)度，并在藥包之間增加一根導(dǎo)爆索，防止殉爆。

3)對(duì)爆區(qū)中部前3排炮孔底部的溶洞群，臨空面開(kāi)挖過(guò)程中溶洞內(nèi)的黃泥已基本流出，開(kāi)挖爆破中無(wú)需對(duì)其內(nèi)填充物進(jìn)一步處理。因已提前探明溶洞大小及位置，在該區(qū)鉆孔時(shí)減小鉆孔深度，孔深5.0～8.0 m，填塞長(zhǎng)度2.5～4.0 m，沿溶洞群走向布置加密炮孔。該工程為引航道開(kāi)挖，溶洞群附近無(wú)需要保護(hù)的建筑物，故溶洞群不需支護(hù)，保證溶洞群隨起爆方向有序崩落即可。

4)對(duì)地下水較深的炮孔，用炮棍將藥卷壓入，防止藥卷漂浮，并在裝藥過(guò)程中使用炮棍實(shí)時(shí)測(cè)量裝藥高度，保證達(dá)到炮孔設(shè)計(jì)裝藥量。

5)現(xiàn)場(chǎng)綜合控制措施包括：①調(diào)整起爆間隔和順序：在溶溝連通發(fā)育區(qū)，增大炮孔之間的起爆間隔，避免鄰孔同時(shí)起爆而產(chǎn)生飛石，調(diào)整起爆順序?yàn)閺暮笈畔蚯芭胖鹋牌鸨刂票骑w石的方向盡可能背離生活區(qū)；②保證填塞質(zhì)量：采用河沙或顆粒均勻的巖屑填塞，并搗實(shí)，保證填塞長(zhǎng)度大于最小抵抗線，不應(yīng)使用極細(xì)巖粉填塞；③加強(qiáng)覆蓋：此類巖溶發(fā)育區(qū)段，在整個(gè)爆區(qū)內(nèi)采用“鐵絲網(wǎng)+沙袋+膠墊+炮被”方式進(jìn)行全覆蓋，不留覆蓋空白，防止爆破飛石。

3.4 爆破效果

起爆瞬間未見(jiàn)遠(yuǎn)距離飛石，均控制在安全距離范圍內(nèi)。爆破后現(xiàn)場(chǎng)情況如圖6所示，可以看出現(xiàn)場(chǎng)爆破效果很好，溶洞群隨起爆方向有序崩落，爆后巖石松動(dòng)破碎，爆堆集中，石渣塊度不大，適合挖掘機(jī)機(jī)械作業(yè)，同時(shí)爆破對(duì)相鄰爆區(qū)巖體破壞范圍小，清渣后無(wú)殘留根底，爆破地震效應(yīng)、空氣沖擊波及噪聲強(qiáng)度小。從多次爆后的現(xiàn)場(chǎng)情況可以看出，炮孔排數(shù)設(shè)計(jì)以4排為宜，第5排炮孔因距離臨空面較遠(yuǎn)，巖石塊度較大，增加了二次破碎的成本。在該水利工程船閘下游引航道超百萬(wàn)方的開(kāi)挖爆破工作中，每日爆破方量約8 000 m3，工期近4個(gè)月。通過(guò)上述措施，充分考慮灰?guī)r地區(qū)溶洞對(duì)爆破效果及安全的影響，爆破設(shè)計(jì)方案充分考慮爆區(qū)內(nèi)溶洞的位置和大小情況，選擇合理的孔網(wǎng)參數(shù)，采用適宜的裝藥結(jié)構(gòu)，靈活調(diào)整各種起爆順序，加強(qiáng)填塞和覆蓋質(zhì)量，使爆破飛石得到有效控制，爆破效果較好，保證每日出渣率，加快了施工進(jìn)度。

圖6 爆破后現(xiàn)場(chǎng)情況Fig.6 Site conditions after blasting

4 結(jié)語(yǔ)

總結(jié)了不同形式溶洞大小、溶洞與炮孔相對(duì)位置、溶洞內(nèi)填充物、溶洞群和地下水等對(duì)爆破效果及安全技術(shù)的影響，并提出相應(yīng)的爆破控制方法，通過(guò)封堵溶洞、確定合理單孔裝藥量、改變裝藥結(jié)構(gòu)、調(diào)整炮孔起爆順序和間隔時(shí)間、保證填塞長(zhǎng)度及加強(qiáng)覆蓋，保留區(qū)溶洞填充物清理、洞壁支護(hù)及注漿填充等措施，可以較好地解決喀斯特地區(qū)開(kāi)挖爆破中溶洞存在所造成的安全問(wèn)題，飛石控制在安全距離內(nèi)，且提高了爆破效果，爆堆集中，巖石破碎充分，確保了開(kāi)挖進(jìn)度。上述措施在某水利樞紐工程船閘下游引航道開(kāi)挖爆破中得到了較好的應(yīng)用。