復雜地質下圓弧形邊坡控制爆破的應用研究

劉福高，符小海

(浙江京安爆破工程有限公司，杭州 310000)

高陡邊坡的爆破施工，是路塹開挖、邊坡治理等工程中常用的手段。為了保證邊坡的穩定和坡面線整齊美觀，在臨近邊坡控制爆破的主要方法有光面爆破、預裂爆破和緩沖爆破等。臨近邊坡段采取控制爆破方式對邊坡開挖與防護具有重要的意義[1-2]。影響邊坡控制爆破質量的因素，除爆破參數外，地質條件和鉆孔精度影響較大[3]。對于異形結構的邊坡，如弧形、凸狀的，則需要根據其特點，調整施工方法，精細化控制爆破設計[4-5]。本文通過對杭州市西湖區石龍山廢棄礦區治理工程中圓弧形高邊坡控制爆破實際施工研究，介紹了其施工難點與創新手段，以期對類似工程項目能起到一定的指導作用。

1 工程概況

1.1 工程簡介

杭州市西湖區石龍山廢棄礦區治理工程位于杭州市西湖區石龍山山脊南側，該礦區經過常年無序開采現已廢棄，部分邊坡原狀如圖1所示。為了消除廢棄礦山的地質災害隱患，修復廢棄礦山的生態環境，實現其經濟、生態利益的最大化，現對石龍山廢棄礦進行邊坡綜合治理。治理區地質條件和周邊環境較為復雜，巖體巖性以石灰巖為主，其中存在大量溶洞、裂隙、泥質夾層等，邊坡以南地區存在工廠及村莊等。同時由于邊坡治理設計方案設計要求較高，邊坡走向較為復雜，以上種種因素都給本工程邊坡控制爆破增加了難度。

圖1 邊坡原狀

1.2 邊坡設計參數

治理邊坡分10級進行削方減載，每級邊坡坡率為1：0.75，馬道高程分別為56、76、91、106、119、132、143、154、163 m，馬道寬度2 m和6 m。削方完工后，本段邊坡最終邊坡角為46°。治理邊坡設計平面和剖面分別如圖2和圖3所示。

圖2 邊坡設計平面

圖3 邊坡設計剖面

為了達到臺階高程允許偏差值不超過±300 mm；坡率允許偏差值不超過±0.5°；最終邊坡半孔率不低于80%的設計要求，我公司采用預裂控制爆破施工技術，使邊坡坡面平整、穩定、美觀，以達到設計及安全要求。

2 圓弧段邊坡預裂爆破參數設計

2.1 預裂孔參數設計

由邊坡平面設計(見圖2)可知，該邊坡存在一段圓弧形坡段，臺階高度取15 m(以106 m平臺爆至91 m平臺為例)，坡面傾角為由圓弧頂部最小處40°過渡至直線段53°。該圓弧形坡段(見圖4)預裂孔參數設計異于直線段邊坡，預裂孔底部炮孔間距與頂部炮孔間距不等，這為圓弧段邊坡預裂爆破的設計及鉆孔增加了難度。

圖4 圓弧形坡段

根據工程的實際情況及現場已有的鉆孔設備，預裂爆破選取115 mm孔徑的鉆孔設備，同時借助高精度GPS測量設備進行精細控制。設計采取一次成型的方法進行爆破，另外馬道外爆破孔孔深應比設計底板高程超深1 m，以確保爆后底板的平整性，馬道處的炮孔不超深，爆后采用機械修整至設計高程。具體的預裂爆破參數計算如下：

1)爆破炮孔長度。炮孔長度根據臺階高度、超深及臺階傾角確定：

L=(H+h)/sinα

(1)

式中：L為炮孔長度；H為臺階高度；h為超深；α為臺階傾角。

圓弧段邊坡的臺階高度為15 m，超深為0.5 m，傾角為40°～53°，可得圓弧段預裂爆破炮孔深度為24.11～19.41m；直線段邊坡的臺階高度為15 m，超深為0.5 m，傾角為53°，可得直線段預裂孔炮孔深度為19.41 m。

2)炮孔間距。炮孔間距的確定，要能夠形成裂縫，并使裂縫貫通，不讓保留巖體出現過度破壞。根據爆破經驗表明，預裂爆破保留巖體巖面質量很大程度上取決于炮孔間距的選取。可根據炮孔直徑得到的經驗公式計算：

a=(8-12)d

(2)

式中：a為炮孔間距，mm；d為炮孔直徑，mm。

結合礦山實際地質及施工機械情況，實際炮孔直徑為115 mm，可得炮孔間距為0.92～1.38 m。但由于圓弧形坡段異于直線段邊坡，底部炮孔間距與頂部炮孔間距不同，因此在實際確定鉆孔間距時，將計算得到的炮孔間距范圍置于炮孔的正常裝藥段，也就是炮孔的中間段，孔口間距適當減小為0.5 m，孔底間距適當增大為1.2 m。

3)不耦合系數。預裂爆破采用不耦合裝藥，主要是為了降低作用于炮孔壁的初始壓力，使炮孔周圍的巖石不被壓壞，依據預裂爆破斷裂機理和建立的模型，對于徑向不耦合裝藥，炸藥爆炸作用于孔壁的壓力為[6]

(3)

式中：pb為作用于孔壁的壓力，MPa；Kd為不耦合系數；ρ0為炸藥密度，kg/m3；DH為炸藥的爆轟速度，m/s；n為爆炸沖擊波撞擊炮孔孔壁引起的壓力增大系數，取n=8～11。

現場預裂爆破所采用的炸藥為卷狀2#巖石乳化炸藥，其爆速為3 800 m/s，密度為1.2 g/cm3，邊坡的巖體為發育良好的石灰巖，其抗壓強度約為80 MPa，根據式(3)可以計算得到不耦合系數約為2.58，即在本工程的巖體中，不耦合系數不宜小于2.58。根據現場實際情況，實際鉆孔直徑為115 mm，預裂爆破采用的藥卷為 32 mm，不耦合系數為3.59。

4)線裝藥密度及裝藥結構。線裝藥密度由式(4)[7]可得：

(4)

式中：Qx為線裝藥密度，kg/m；σc為巖石的極限抗壓強度，MPa；a為炮孔間距，m；d為炮孔直徑，mm；K、δ、β、γ為經驗系數。

根據長江科學院等提出的半經驗半理論計算公式，取K=0.83，δ=0.5，β=0.6，γ=0，其中σc的單位為105Pa，a的單位為cm，計算得出Qx=245～415 g/m，由于圓弧形坡段的底部炮孔間距與頂部炮孔間距不同，因此采用分段不耦合裝藥形式，底部線裝藥密度較大，頂部線裝藥密度較小。不同段位線裝藥密度參數如表1所示。

表1 線裝藥密度參數

預裂孔裝藥結構如圖5所示。孔底加強段為1卷φ70 mm的藥包，質量為2 000 g，第2加強段為φ32 mm的藥包三卷一捆，質量1 200 g，其余段均為φ32 mm的藥卷。藥包用專用膠布綁在竹片上，各段分別控制線裝藥密度，用導爆索連接。

圖5 預裂孔裝藥結構

2.2 主炮孔及炮孔布置

設計采取一次成型的方法進行爆破，因此實施預裂爆破的區域前端設置6排主炮孔，以及2排輔助炮孔(見圖6)。

圖6 炮孔布置圖

主炮孔和輔助炮孔均為垂直孔，主炮孔采用現場混裝乳化炸藥進行裝藥，輔助孔用70 mm乳化炸藥。具體的主炮孔參數如表2所示。

表2 炮孔參數

3 起爆網路設計

起爆網絡采用高精度毫秒延時導爆管雷管，預裂爆破采用排間分組同時起爆方式，每10個光爆孔為一組，組與組之間用MS3段導爆管雷管連接，主炮孔和輔助炮孔采用逐孔起爆網路，孔間延時采用MS3段雷管，排間延時采用MS5段導爆管雷管，起爆網路如圖7所示。預裂孔先起爆，提前主炮孔110 ms，保證預裂效果。

圖7 爆破起爆網路

4 爆破效果分析

通過對圓弧形坡段實施預裂爆破，觀察爆破后坡面情況，圓弧形坡段邊坡預裂爆破效果如圖8所示。實施預裂爆破后邊坡上的半孔率達到90%以上，臺階高程偏差值不超過±300 mm，坡率偏差值不超過±0.5°，達到了邊坡美觀、整潔、穩定的設計要求，預裂爆破取得了很好的效果。

圖8 爆破效果

5 結語

圓弧段邊坡控制爆破在杭州市西湖區石龍山廢棄礦區治理工程的實踐中，取得了顯著的成效。設計采取一次成型的方法進行爆破，主炮孔采用現場混裝乳化炸藥進行裝藥，預裂孔采用分段不耦合裝藥，不僅達到了預期效果，同時節省了成本。在地質條件多變，外形輪廓復雜，高臺階的邊坡中實施預裂控制爆破，具有較大的難度，要根據現場實際情況調整設計參數。復雜地質條件下圓弧形邊坡預裂爆破的成功實施，為今后的邊坡爆破設計施工提供指導。