緊靠電廠高危邊坡的深孔控制爆破技術研究

楊 琳，付天杰，郭華杰

(1.深圳市安托山投資發展有限公司，深圳 518040；2.中國鐵道科學研究院，北京 100081)

爆破是城市發展中快速擴建的重要手段，在緊鄰工廠建筑物旁進行高邊坡場平作業時運用傳統的機械破碎或淺孔爆破無法滿足城市發展的進程和工期要求[1-3]，進行高邊坡爆破作業時，需要運用多種技術控制好高邊坡飛石、振動和噪聲影響等多種爆破有害影響[4-6]。針對高邊坡危巖爆破國內以采用預裂、松動控制爆破為主[7-9]，興起于20世紀50年代，目前國內外針對城市高邊坡運用電子雷管進行預裂爆破的同時控制爆破振動安全[10]，并進行了損傷規律和振動規律研究[11,12]，但此方法嚴重影響爆破進度且成本高，本文針對安托山電廠旁高危邊坡爆破，從進度與安全和成本相結合的角度出發提出了新的高危邊坡深孔爆破控制技術。

1 工程概況

1.1 地質條件

深圳美視電廠北側高危邊坡整治工程位于深圳市安托山整治工程B21-2A地塊和美視電廠之間，計劃場地初平后作為城市居住用地。山體以風化、中風化和微風化花崗巖為主，巖體節理發育，中至細粒結構，大部分為灰色，局部肉紅色，巖石堅固性系數f=6～14。一般三、四類土和強風化至中風化的次堅石層厚在8 m以內，局部達20 m左右，其余即為比較堅硬的弱～微風化花崗巖。經長期風化和附近巖石開挖爆破震動的影響，山體南側高邊坡坡面上巖石裂隙張開，部分松散巖塊懸浮在坡面，存在山體不穩定，滾石，潰坡等地質災害隱患。

1.2 周圍環境

電廠開挖區域東西長190 m，南北底寬102.6～118.8 m，總面積21 161.5 m2。最高點標高133.97 m，要求開挖至42.0 m，最大挖深約92 m，總開挖方量884 685.6 m3。美視電廠廠區位于山體南側和東側，其中東側坡度較緩，坡面植被發育，坡腳距美視電廠重油罐區圍墻14 m。南側為相對高度30～92 m，坡度約51°～65°的巖石高邊坡，長120 m，坡腳為美視電廠，其配有二排共8個LNG儲氣罐及配套管線，每個氣罐直徑4 m、高30 m、容量150 m3，總儲量1200 m3。坡腳距罐群圍墻15～45 m，距消防通道約12～42 m，再往南為24萬kW燃氣發電機廠房。山體與罐區的相對位置見圖1。南側東段(約70 m長)已開挖成高20余m的邊坡，坡腳是正在建設的電廠9E燃氣發電機組，一些管線和建筑直接靠近需開挖的山體。

圖 1 天然氣罐區與開挖山體的相對位置平面圖Fig. 1 The plane of the relative position between the natural gas tank area and the excavated mountain

2 工程難點

(1)工程量大、工期緊、環境極其復雜，整治工程總開挖土石方工程量達3000萬m3以上，爆破石方量在2400萬m3以上，十年的爆破施工進度要求日均開采量達到7000～10 000 m3，而電廠的發電機組、中心控制室和天然氣儲氣罐、管線對爆破振動都有嚴格的要求整個電廠在爆區的警戒范圍(200 m)以內，距離爆破區20 m的發電機組峰值振速不能超過1 cm/s。為降低爆破震動必須嚴格控制爆破作業的最大單響藥量和爆破規模，而爆破安全與施工進度的矛盾非常突出、尖銳，對爆破施工提出了極高的技術要求。

(2)地勢高、四周全部有保護物，爆破飛石、滾石的防治難度很大。高邊坡區坡面巖體破碎，機械開挖和爆破時極易出現滾石，特別是美視電廠處于山體下方，距離僅5～15 m。該段山體陡峻，下部為近乎直立的巖壁(高度為15～90 m)，上部為陡坡，表面有大量的松動孤石，防護難度極大。美視電廠廠區內有變電站、液化氣體罐，距離在15～30 m，一旦爆破飛石或滾石擊中罐體，有可能引起爆炸并發生連鎖反應，后果不堪設想。

3 爆破方案

(1)在如此復雜的環境下進行大方量石方的爆破開挖，一律采用深孔臺階爆破方法，將整個爆區分成常規爆區、控制爆區和邊坡開挖區三部分。后排孔與坡頂線的距離超過20 m的爆區劃作常規爆區，按一般臺階深孔爆破技術進行設計施工；邊坡開挖區在臨近邊坡陡壁部分爆破時預留一定厚度的巖墻，采用巖墻深孔控制爆破技術施工，在進行內側深孔爆破時巖墻起防爆堆逸出或防坡面滾石的作用，從而將復雜環境下的大規模石方深孔控制爆破的安全問題縮小到只對巖墻爆破進行重點控制，從而更容易控制飛石和滾石；其余部位稱為控制爆區，采用深孔控制爆破技術施工。控制爆區、巖墻爆區隨常規爆區同步下降，有利于爆堆的開挖。巖墻爆區應滯后深孔爆破區一到二個循環，滯后量不宜過大。三個爆區均采用梅花形布孔。

(2)起爆藥和水孔中的防水炸藥使用乳化炸藥，中深孔主爆炸藥使用散裝銨油炸藥，特大塊二次爆破使用管狀乳化炸藥。

4 爆破參數設計

4.1 常規爆區

采用兩種鉆孔直徑，孔網參數見表1。

4.2 控制爆區

孔網參數見表2。

4.3 巖墻爆區

爆破參數見表3，爆區圖見圖2。

表 1 常規爆區爆破參數表Table 1 Conventional blasting zone blasting parameter table

表 2 控制爆區爆破參數表Table 2 Controlled blasting zone blasting parameter table

表 3 巖墻爆區爆破參數表Table 3 Blasting parameter table of rock wall blasting zone

(1)巖墻厚度的確定

巖墻厚度盡量薄，考慮到巖墻頂部鉆機作業的安全，巖墻頂部宜留6～8 m的寬度。為減小孔底爆破時的巖石阻力，要求巖墻靠山體內側臨空面底部挖深挖凈，使前排巖石完全拋出，孔底巖石受夾制力減少，有利于飛石和振動控制。

(2)巖墻爆破的裝藥要求

前排孔和第二排孔按松動爆破設計，孔內可裝銨油炸藥，同時適當增加填塞長度；靠邊坡孔裝φ60 mm乳化炸藥，填塞長度據現場爆破位置坡度、爆心距電廠的距離、坡面巖石破碎程度來確定，當電廠與爆心之間有一定距離、且有綜合防護體系時，可以適當減少填塞長度，增加裝藥高度。同時要保證邊孔孔內炸藥頂底部與水平向對應坡面的距離分別不小于1.5倍抵抗線和2倍抵抗線(排距)。爆區剖面圖如圖2。

圖 2 爆區剖面圖(單位：m)Fig. 2 Section of the explosion zone(unit:m)

(3)巖墻爆破起爆網路

巖墻爆區采用排間毫秒延時起爆網路，前兩排孔爆破時巖體順利拋出，以減少作用在坡面上的后沖力。網路設計中考慮排間延時達到100 ms，孔間延時25 ms以上即可。

(4)巖墻爆破后的開挖

由于巖墻較薄，內側臨空面采用松動爆破，爆破后重點控制巖墻靠邊坡一側土石方的開挖。正常爆破后坡面應有較多裂縫，便于用挖掘機械向內開挖。巖墻爆前和爆后圖見圖3。

5 起爆網路

本次高邊坡爆破內側山體采用分區接力起爆網路聯結模式，分首爆區和接力區，連接方式及雷管段別見圖4。巖墻采用多排毫秒延時起爆網路，兩種起爆網路采用孔內導爆管毫秒起爆網路和孔外電雷管串聯網路簇聯激發導爆管網路的混合起爆網路形式。當巖墻高度降低，可增加排數，為增大排間起爆時差，控制爆破振動，前三排孔內裝2、4、6段導爆管雷管，第四排到第十排孔內裝7～13段導爆管雷管，從第十一排起每隔三排孔內裝11、12、13段導爆管雷管，孔外用9段導爆管雷管接力，最后由1段電雷管激發。多排毫秒延時起爆網路圖如圖5。

圖 3 巖墻臨空面及裝藥Fig. 3 Rock wall surface and charge

圖 4 分區接力混合起爆網路示意圖(圖中：數字表示雷管段別)Fig. 4 Schematic diagram of the “zone relay” mixed initiation network (in the figure:the number indicates the detonator section)

圖 5 多排毫秒延時起爆網路示意圖(圖中：數字代表雷管段別)Fig. 5 Schematic diagram of multi-row millisecond delay initiation network (in the figure:the number indicates the detonator section)

6 爆破振動

2006年4月20日至2006年7月17日間，采用ZCC-20型速度拾振器、低噪聲屏蔽電纜、IDTS-3850型便攜式測振儀和計算機組成的監測系統在美視電廠的貯汽罐場區，南、北主廠房，辦公樓下和樓上分別設5個振動監測點，美視電力北側地塊最大挖深達92 m，分臺階開挖，現場分別對100 m、93 m、82 m、70 m、60 m和50 m六個高程的深孔爆破進行測試，進行了爆破振動速度隨高程變化規律的研究。期間共進行了50余次爆破振動監測，取得爆破振動監測數據500余點，得到六個平臺的爆破振動監測數據。

將各臺階爆破振動數據按下式(1)進行回歸分析，可以得到各臺階的爆破振動傳播規律經驗公式中的K和α值(表4)。

(1)

表 4 各臺階爆破振動傳播規律K、α值Table 4 The propagation law of blasting vibration of each step K,α value

并可得到如下規律：隨著爆破臺階高度降低，系數K逐漸增大；衰減指數α隨爆破臺階高度降低也有增加的趨勢。

不同高程時將式(1)按線形關系進行修正

(2)

式中，K1、α1為隨高程差變化振動速度衰減規律的修正系數。

以最底層50 m臺階(系指臺階頂面高程，臺階地面高程與測點高程基本在同一水平上)統計回歸得到的K為1，可以計算得到個臺階的K1值，并經統計計算得到K1與Δh間的關系，統計結果見表5。

表 5 K、K1值及Δh的統計表Table 5 Statistical table of K,K1 value and Δh

進行回歸分析后，可得：K1值與Δh間按線性關系變化時，滿足下列關系式

K1=(-0.0156Δh+0.857)K

相關性系數r=0.9483

同樣經統計計算可以得到α1與Δh間的關系，統計結果見表6。

表 6 α、α1值及Δh的統計表Table 6 Statistical table of α,α1 value and Δh

進行回歸分析后，可得：α1值與Δh間按線性關系變化時，滿足下列關系式

α1=-0.0045Δh+0.9909

相關性系數r=0.9177

從而得到爆破振動隨高程變化的線形修正公式

式中：Δh為爆心與測點間的高程差，Δh>0。

若按指數關系變化，可得爆破振動隨高程變化的線性修正公式

式中：Δh為爆心與測點間的高程差，Δh>0。

7 巖墻爆破時的防護

7.1 坡面滾石的控制

在常規爆區與巖墻爆區之間設立控制爆區，其裝藥量、布孔排數均小于常規爆區，可以減少對坡面的振動影響，防止滾石產生，同時嚴格控制巖墻爆區靠坡面一排孔的側向抵抗線和裝藥量。為防滾石，在高危邊坡坡腳外一定距離處設置以集渣坑、排架和擋墻組成的綜合防護體系。排架用三排鋼管腳手架搭設，寬3.0 m，高12～18 m，并在內側懸掛一到二層竹排，外側覆安全網；緊靠排架底部設置頂寬3.0 m、底寬4.0 m、高3.0 m的砂袋擋墻，同時開挖集渣坑，見圖6。排架主要防邊坡滾石和個別飛石，擋墻主要對邊坡滾落石塊起柔性阻擋作用，不至于破壞排架；集渣坑則主要容納滾石。同時在排架處加設垛柱，增加其穩定性。

圖 6 防護排架Fig. 6 Protective shelf

7.2 爆破飛石的控制

在巖墻深孔爆破中，控制飛石的技術措施主要有：

(1)控制前排孔最小抵抗線的方向，注意地質薄弱面。

(2)加強現場監管，保證堵塞質量。填塞料使用粒徑4～9 mm的砂和礫石，要避免填塞長度小于抵抗線，填塞長度太小將會產生臺階頂部的漏斗作用，從而引起飛石過遠。

(3)清理臺階面上的松動石塊，特別是炮孔附近的石塊，它們在爆炸氣體由孔口沖出時較易飛射出去。

(4)正確布置起爆網路，確定合理的毫秒延時間隔。理想的延遲時間應該在為被爆巖體向前移動準備足夠的時間、以空出接納后爆巖體的充足空間的同時，先爆巖體可以對后爆巖體有一定的保護作用。延遲時間過短，后爆巖體無水平膨脹的空間，勢必會向上運動，出現上向飛石；延遲時間過長，因先爆巖體移動距離過大，造成它對后爆巖體保護作用消失，就可能產生飛石、空氣沖擊波和大塊。經多次爆破試驗證明圖4和圖5的起爆網路及延期時間最佳。

8 結論

針對市內復雜環境下大規模深孔控制爆破得到如下結論：

(1)考慮工期與振動安全，針對復雜環境的高邊坡爆破提出了常規爆區、控制爆區和巖墻爆區的分區域爆破，并通過實踐經驗提出了每個爆區的深孔控制爆破參數，尤其是巖墻爆區孔底與邊坡面水平距離不小于2倍抵抗線，裝藥頂部與坡面水平距離不小于1.5倍抵抗線。

(2)針對高邊坡深孔控制爆破提出了內側巖體用分區接力起爆網路，巖墻用多排毫秒延時起爆網路，較常規的排間順序起爆網路簡單，準爆性高，經濟成本低，并在現場驗證了其可靠性，同時保證了爆破振動和飛石的安全。

(3)針對高邊坡進行了爆破振動速度隨高程變化規律的研究，提出了線形修正公式，為類似工程施工提供了借鑒。

(4)對高危邊坡底設置了防護排架、集渣坑和擋墻組成的防護體系，進行了爆破滾石和飛石的控制，并用實踐證明了其可靠性，為類似工程提供了借鑒。