溝槽開挖成型爆破參數優化

雷 振，孫鵬昌，盧文波，李福千，聶 攀，陳 明

(1.中國水利水電第八工程局有限公司，長沙 410004；2.武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室，武漢 430072)

溝槽爆破作為現代工程爆破的重要組成部分，廣泛應用于公路和鐵路的路塹開挖，水利水電工程中的引水渠道和壩基齒槽開挖，城市建設中的油氣管道、給水排水管道和電纜溝基礎開挖，以及高聳建筑物的基坑開挖等。溝槽爆破作為一種特殊形式的臺階爆破，具有如下不同于一般臺階爆破的典型特征[1-4]：①溝槽狹窄，巖石所受到的夾制作用大，難以一次達到預期開挖效果；②爆區范圍長，地質條件復雜多變，設計施工時需不斷調整爆破參數；③溝槽開挖斷面小，首次爆破一般僅有向上的臨空面，為取得理想的爆破效果，常采用延時控制爆破技術，即利用先爆孔的“掏槽”作用，為后續炮孔的爆破創造自由面及巖石碎脹空間。

由于溝槽爆破具有不同于一般臺階爆破的典型特征，實施溝槽爆破后往往較難獲得預期的溝槽開挖成型效果，參考類似工程的溝槽爆破方案設計經驗，有助于改善溝槽爆破開挖成型效果。高文學等[3]基于供水工程溝槽石方爆破，提出了深孔和淺孔結合、分段裝藥以及延時起爆等爆破技術方案，獲得了理想的溝槽爆破效果。張憲堂等[4]結合西氣東輸工程天然氣輸氣管道溝開挖工程的特點，探討了溝槽石方爆破的設計原則和爆破施工方案，選擇了深孔爆破和淺孔爆破相結合、分段裝藥和排間延時起爆等爆破技術方案，取得了良好的爆破效果。梁志榮等[5]根據多次爆破試驗結果，針對不同的開挖巖層，采用不同的鉆孔爆破方案，較順利地完成了管溝開挖工程。李建科等[6]在油氣管線溝槽爆破中采用了含輔助爆破孔的主爆孔推進式起爆網路，取得了良好的爆破效果。胡勤等[7]通過高層建筑基槽預裂爆破開挖實踐，驗證了預裂溝槽爆破方法進行基礎原槽開挖的可行性。張若松等[8]采用分段毫秒延時爆破等技術措施獲取得了電纜隧道開挖預期爆破效果。以上溝槽爆破工程提供了溝槽爆破方案設計原則和典型溝槽爆破技術方案，可供一般溝槽爆破工程參考，在參考類似工程溝槽爆破方案設計原則和經驗的同時，仍需要開展爆破試驗，以根據爆破試驗效果逐步優化設計施工時采用的爆破參數。

深圳地鐵12號線赤灣停車場巖石堅硬，溝槽爆破開挖工程量大，開挖工期緊張，初期確定的爆破方案開挖成型效果不夠理想，需進行爆后二次處理，在既定工期內難以完成溝槽開挖。因此，施工前期開展了3類爆破方案共9次生產性爆破試驗，以逐步優化溝槽爆破參數，從而確定赤灣停車場經濟合理的溝槽爆破方案，以確保溝槽開挖如期保質完工。每次爆破試驗后，開展溝槽兩側輪廓面半孔率、欠挖區域檢測以及溝槽底板超欠挖測量，通過對比分析不同試驗的爆破效果，并綜合考慮施工成本和施工效率，最終優選出經濟合理的爆破方案。

1 工程概況

深圳地鐵12號線赤灣停車場位于深圳市南山區赤灣山西南角，停車場地塊基本呈長方形，長約1 050 m，最寬處約370 m，最窄處約90 m。停車場工程內包括運用庫區、咽喉區、綜合樓以及洗車庫等單體結構，其平面布置如圖1所示。停車場運用庫區的絕大部分場地的基礎類型為大型承臺加連梁基礎，承臺尺寸主要為長×寬×高=7.8 m×6.6 m(5.9 m)×5.0 m，承臺頂面標高為4.8 m，現場施工開挖面標高為4.8 m，即承臺基坑需開挖至標高-0.3 m，開挖深度為5.1 m，其中10 cm為墊層厚度。承臺基坑采用溝槽爆破并輔以機械破碎敲除欠挖區域的方案進行開挖。前期開展的溝槽爆破效果欠佳，普遍存在欠挖現象，而溝槽寬度最小僅為5.9 m，破碎機械作業范圍受到較大限制。因此，需確定經濟合理的溝槽爆破方案，改善溝槽成型效果，降低施工成本，提高施工效率，保障施工安全和進度。

圖1 赤灣停車場平面布置

表1 赤灣停車場巖體物理力學參數

運用庫區標高4.8 m以下巖體以微風化花崗巖為主，節理裂隙較發育，以陡傾角節理為主，平均間距0.2～1.6 m，巖體基本質量等級為Ⅱ～Ⅲ類，開挖區內巖體主要物理力學參數如表1所示。由于受到上層深孔梯段臺階爆破的影響，運用庫區標高4.8 m以下約0.5～1.5 m范圍內的巖體受爆破荷載沖擊作用強烈，導致該部分巖體次生裂隙較發育、多松動破碎、整體性較差。

2 溝槽爆破試驗方案

赤灣停車場溝槽開挖前期共進行了9次生產性試驗，以確定經濟合理的溝槽爆破方案，這9次生產性試驗可分為48 mm孔徑、76 mm孔徑以及76 mm孔徑含導向孔3類爆破方案，每次爆破試驗的具體爆破參數會根據前次爆破試驗效果進行優化調整。溝槽設計開挖深度為5.1 m，所有炮孔均鉆設為垂直炮孔，溝槽輪廓面成型采用預裂爆破技術，每次試驗布置6～7排主爆孔，各次試驗具體采用的爆破參數如表2所示。爆破方案中涉及到的導向孔是指兩相鄰預裂孔間的不裝藥空孔，其作用在于誘導預裂成縫[9-10]。此外，有3次爆破試驗采用了復合消-聚能爆破技術，該技術的詳細原理、裝藥結構以及實施方法等可參考文獻[11-12]。

表2 溝槽爆破方案分類及具體參數

48 mm孔徑和76 mm孔徑爆破方案中，主爆孔均徑向不耦合、軸向連續裝藥，預裂孔則徑向不耦合、軸向不連續裝藥，且預裂孔底加強裝藥。76 mm孔徑含導向孔爆破方案中，與預裂孔相鄰的兩列主爆孔徑向不耦合、軸向分段裝藥，其余主爆孔及預裂孔的裝藥結構與48 mm孔徑和76 mm孔徑爆破方案的裝藥結構類似。48 mm孔徑爆破方案均布置5列主爆孔，76 mm孔徑爆破方案均布置3列主爆孔，76 mm孔徑含導向孔爆破方案均布置4列主爆孔，典型的爆區炮孔橫剖面如圖2所示。主爆孔內均采用雙發MS9導爆管雷管起爆，主爆孔段間采用MS3導爆管雷管延時，預裂孔采用導爆索傳爆，典型的起爆網路如圖3所示。

圖2 典型炮孔橫剖面(B2)

圖3 典型起爆網路(B1)

3 爆破試驗效果

3.1 輪廓面成型效果

各次爆破試驗出渣完成后，對溝槽南北兩側的輪廓面成型效果進行宏觀檢測，主要檢查的項目包括輪廓面的半孔率、欠挖分布區域和上部巖體完整性。典型輪廓面成型效果如圖4所示。現場檢測得到的各次爆破試驗輪廓面成型效果如表3所示。

圖4 典型爆破試驗輪廓面開挖效果(C3)

表3 各次爆破試驗輪廓面成型效果

由于受到上層深孔梯段臺階爆破的影響，溝槽上部巖體整體性較差，因此主要以輪廓面半孔率和欠挖區域大小評價溝槽爆破開挖成型效果。比較表3中各次爆破試驗輪廓面成型效果可知，A2、B3、C1、C3爆破試驗的輪廓面成型效果較好。上述輪廓面成型效果較好的幾組試驗中，預裂孔間距均較小或設置了導向孔，預裂孔間距減小0.15 m左右或設置導向孔，溝槽兩側輪廓面半孔率提高20%以上；且除48 mm孔徑爆破方案外，預裂孔單孔藥量均不低于1.95 kg，主爆孔超深0.7～0.9 m，預裂孔超深0.4～0.6 m。

3.2 底板超欠挖

各次爆破試驗出渣完成后，采用RTK測量溝槽底板高程，由于受降雨天氣、現場排水條件以及欠挖清除作業等客觀條件限制，測量得到B1、B2、B3、C2、C3爆破試驗的爆后底板高程，其結果如表4所示。

表4 各次爆破試驗底板超欠挖測量結果

由表3、表4可知，對于76 mm孔徑爆破方案，在B1、B2、B3爆破試驗中，B3爆破試驗溝槽底板的開挖效果最好，B2爆破試驗溝槽底板的開挖效果次之，B1爆破試驗溝槽底板的開挖效果不夠理想，這與B1、B2、B3爆破試驗南北兩側輪廓面成型效果相對應，兩側輪廓面成型效果越好，其底板超欠挖控制得越好。上述認識與現場進行欠挖處理的經驗一致，溝槽兩側輪廓面成型效果在很大程度上反映了其底板的超欠挖狀態，因此，對于條件限制而未能進行溝槽底板測量的其他試驗區域，采用其兩側輪廓面成型效果表征其底板超欠挖狀態基本上是可行的。

根據表4，對于76 mm孔徑含導向孔爆破方案，C2爆破試驗溝槽底板的開挖效果較C3爆破試驗溝槽底板的開挖效果好，總體而言，兩者均較76 mm孔徑爆破方案的溝槽底板開挖效果好，可見復合消-聚能爆破加強了孔底平面處局部應力，增加了孔間巖體破碎，有助于獲得平整度滿足工程要求的水平建基面[11-12]。

4 爆破參數優選

溝槽兩側輪廓面上部巖體的完整性主要與巖體本身性質、上層深孔梯段爆破有關，因此評價溝槽爆破開挖成型效果主要以南北兩側輪廓面半孔率、欠挖區域大小以及底板超欠挖情況為依據，為分析不同爆破參數對溝槽爆破開挖成型效果的影響，已將各次試驗的參數及效果統計于表2～表4中。分析表2～表4，可得到如下幾點：①預裂孔間距對溝槽兩側輪廓面成型有重要影響，預裂孔間距越小，溝槽輪廓成型效果越好，且在兩相鄰預裂孔間鉆設導向孔有利于改善輪廓面成型效果；②主爆孔超深在0.7 m以上才能取得較好的爆破效果，適當增加主爆孔超深有利于改善爆破效果；③預裂孔底部加強段裝藥越大，溝槽爆破效果越好；④主爆孔單孔藥量對溝槽爆破效果影響不大。

實際上，在優選爆破參數時，除了考慮爆破開挖成型效果外，還需兼顧施工可行性、施工成本和施工效率,因此，有如下4點考慮。

1)由于采用48 mm直徑鉆桿鉆孔效率低下，成本較高[13]，在現場施工工期較為緊張的情況下，不考慮48 mm直徑炮孔的爆破方案。

2)對于鉆設導向孔，在取得相同爆破開挖成型效果的條件下，預裂炮孔的鉆孔數量是不設置導向孔時的1.6倍，鉆孔成本和施工效率均受到影響，因此不建議采用鉆設導向孔的方式布置預裂孔。

3)對于主爆孔沿溝槽軸線方向布置3列和4列2種方案，在取得相同爆破開挖成型效果的條件下，兩者炸藥消耗量基本相同，但是布置4列方案的鉆孔數量是布置3列方案的1.3倍，雷管用量也相應提高0.3倍，且施工人員現場裝藥填塞聯網的工作量變大，施工成本和和效率均受到影響，因此建議采用主爆孔沿溝槽軸線方向布置3列的方案。

4)在取得相同爆破開挖成型效果的條件下，考慮到復合消-聚能爆破能夠減小底板欠挖，且炮孔超深也可一定程度的減小，欠挖處理和鉆孔成本有相當大幅的降低，而復合消-聚能爆破新增的成本相當低廉，對正常的爆破施工作業基本沒有影響，能節省一定的施工成本。

綜上所述，考慮現場鉆孔機械配置和溝槽開挖寬度為5.9 m，在輪廓面成型效果較好的幾組爆破試驗參數的基礎上，結合施工效率和施工成本的考量，優選2組爆破開挖成型效果較好、施工成本相對較低、施工效率較高的爆破參數(見表5)。

表5 優選的爆破參數

5 結語

1)深圳赤灣停車場溝槽爆破參數的確定是一個逐步試驗優化的過程，在對比分析爆后溝槽兩側輪廓面半孔率、欠挖區域以及底板超欠挖狀態的基礎上，考慮施工成本和效率，優選出2種經濟合理的爆破方案。這種試驗優選的過程可為類似工程提供參考。

2)預裂孔間距、預裂孔底部藥量和炮孔超深對溝槽爆破開挖成型效果起主要作用。預裂孔間距減小0.15 m左右或設置導向孔，溝槽兩側輪廓面半孔率提高20%以上；預裂孔底部加強段藥量大于1.2 kg和主爆孔超深適當增加至0.7 m以上均能有效改善底板超欠挖效果。