大規模深孔控制爆破起爆網路技術

楊 琳，付天杰，郭華杰

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

在城市快速發展建設中，經常會遇到城市建筑密集區內進行大型高邊坡、大方量開挖場平作業，運用傳統的機械破碎或淺孔爆破無法滿足施工工期要求[1-3]，進行大規模深孔爆破時又會遇到爆破振動、噪聲擾民等，需要從單響藥量、爆破規模、自由面大小和爆破振動疊加等方面進行爆破振動等有害效應的控制[4-12]。目前大規模高邊坡爆破主要采用深孔臺階加預裂和光爆的組合進行爆破開挖，采用經驗方法確定爆破參數，并在實踐中進行修正，同時采用電子雷管實現單孔單響并通過設定延時進行孔間爆破振動疊加來達到減振的目的[13-14]，但成本較高。本文以深圳安托山大規模深孔爆破為例，經3 300余次爆破摸索出了簡單適用的爆破網路，以期為類似工程提供借鑒。

1 工程概況與難點分析

1.1 地質條件

安托山整治工程位于深圳市福田區北環路南安托山片區，開挖山體原始地貌為丘陵地帶，地形變化很大，山體以風化、中風化和微風化花崗巖為主，山體已開挖部分已露出風化石和表土，下部為微風化花崗巖，巖體節理發育，巖石結構為中至細粒結構，大部分為灰色，局部肉紅色，巖石堅固性系數f=6～14。

根據勘探結果，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，邊坡有風化巖石和破碎巖石存在。開挖山體的最高位置+180.09 m、次高點+173.1 m均位于B21-2地塊，開挖后西側場地底標高為+41.0 m，東側場地標高為+56.0 m。最大開挖深度達138 m。

1.2 周圍環境

安托山山體爆區周圍的環境較復雜，距山體北面山腳約20 m處為北環大道輔路，北環路順山體坡腳延伸長度約120 m，邊坡坡度1∶0.75，邊坡頂高出北環路路面最高達26 m；山體南側距山腳14 m為美視電廠重油罐區圍墻，距山腳15～45 m為8個LNG儲氣罐及配套管線的圍墻，總儲量達1 200 m3，此處山體為高度30～92 m、長度120 m、坡度約51°～65°的巖石高邊坡，另山體南側緊臨建工村，其有數十棟房屋距離坡腳僅1 m，山體自然坡面大致成1∶0.75的坡度，坡頂高出地面18～30 m；山體東側為工業園區，其廠房距開挖邊界僅15～20 m，與爆區相鄰長度達190 m；山體西側坡腳距深云路約10 m，與深云路相鄰接長度約90 m，西北側距深云立交橋約40 m，與深云路至北環路的匝道緊靠。 安托山爆破分區位置如圖1所示。

圖1 安托山爆破分區位置

1.3 工程難點

1)工程量大、工期緊、環境極其復雜，爆破施工進度要求日均開采量達到7 000～1 0000 m3，總爆破方量達1 600 萬m3，而爆破振動的安全要求又非常嚴格，距離爆破區20 m的發電機組峰值振速不能超過1 cm/s。在不縮小爆破規模的前提下，需要選擇合理的深孔爆破起爆網路來解決安全與進度的矛盾。

2)地勢高、高度為15～90 m的高邊坡山體離電廠、建筑物和北環快速路較近，只有5～15 m的距離，坡面巖石風化破碎，爆破飛石、滾石的防治難度大，對高邊坡選擇合理的深孔爆破起爆網路可在不影響交通的前提下控制飛石和滾石。

2 爆破方案與參數設計

2.1 方案設計

1)山體分常規爆區和邊坡開挖區，山體全部采用自上而下分臺階鉆孔爆破方法進行，挖深超過5 m的常規爆區采用深孔臺階爆破，挖深小于5 m區域，實施淺孔臺階爆破。在距離北環路、電廠、居民建筑物100 m范圍內采用孔徑d=76 mm的深孔和淺孔臺階控制爆破，深孔臺階爆破主體臺階高度為10 m，挖深超過14 m時采用2個臺階爆破，小于14 m時采用一個臺階，超過100 m的區域采用孔徑76 mm和115 mm的深孔臺階控制爆破，地塊西區分為1～2個臺階作業，中區分2～3個臺階作業，東區分9～10個臺階作業，每個臺階作業面的寬度不小于20 m，分區以控制爆破振動的同時加快爆破進度為原則。

2)爆破最小抵抗線方向背向或側向爆區周圍保護物，在鄰近電廠、地鐵、房屋等邊坡開挖區域爆破時采用預留巖墻的側向無逸出深孔爆破技術。為加快爆破進度，利于爆堆開挖，故將邊坡開挖區與深孔爆破區臺階高度一致，同步下降。另外邊坡開挖區前2排裝銨油炸藥加強松動，靠邊坡孔裝乳化炸藥以預裂為主。邊坡開挖區應滯后深孔爆破區1～2個循環，滯后量不宜過大。

3)深孔和淺孔爆破區采用分區接力起爆網路和多排毫秒延時起爆網路，邊坡開挖區采用多排毫秒延時起爆網路，每個爆區選取合理的起爆方向、排數、單段起爆藥量和填塞長度，嚴格控制爆破有害效應(飛石、振動)的危害。

4)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。

2.2 參數設計

深孔臺階爆破參數和淺孔臺階爆破參數如表1、表2所示。

表1 深孔臺階控制爆破參數

表2 淺孔臺階鉆孔控制爆破參數

鉆孔孔徑的選擇直接影響到鉆爆成本，一般孔徑越大，鉆爆成本越低，但對爆破振動控制不利，故距離被保護物小于100 m區域內的深孔臺階爆破鉆孔直徑以d=76 mm為主，距離被保護物大于100 m區域可以用直徑d=115 mm的鉆孔，淺孔臺階鉆孔爆破采用直徑d=76 mm的鉆孔，鉆孔深度不小于3 m。填塞長度和裝藥長度隨孔徑和炸藥種類變化，裝銨油炸藥和乳化炸藥時線裝藥密度4.0 kg/m和3.0 kg/m，按單耗q=0.4～0.55 kg/m3確定藥量。邊坡開挖區采用d=76 mm的鉆孔直徑，其他參數同上。

在工程開工不久，為準確確定安托山片區深孔爆破振動效應的有關系數和衰減指數，進行了多次測振試驗。采用TOPBOX爆破振動自記儀和CD-21型磁電式速度傳感器。對測試數據進行最小二乘法回歸后得：K=87.3；α=1.41。(相關系數R=0.880 2)。

即：安托山片區爆破振動的衰減規律為

(1)

3 爆破網路

深孔臺階爆破采用毫秒延時起爆網路，通過設置排、孔間延時時間對單段齊發藥量進行控制來降低爆破振動強度，合理的延時時間可有效降低爆破振動強度并避免飛石。延時起爆網路的正確選擇，可減少爆破時的地震波、空氣沖擊波的強度和爆破碎塊的飛散距離，可以控制爆堆的堆積位置、減少爆后巖石的大塊率、改善爆堆的松散程度，有利于爆區周圍各類建(構)筑物和人員、財產的安全防護。

瑞典諾貝爾公司的研究認為：理想的延時時間應該是在后爆炮孔起爆之前必須保證先爆巖體已經向前移動了三分之一的抵抗線距離。這時候的延時時間，與先爆炮孔的底盤抵抗線成正比，即：

Δt=k·W1

(2)

式中：k為系數，在硬巖中k=10 ms/m，在軟巖中k=30 ms/m，一般情況下k=15 ms/m；W1為先爆炮孔的底盤抵抗線，m。

孔間延時時間不要太長，以避免個別炮孔抵抗線變小。在多排孔爆破中，排間延時時間要大于孔間延時時間。對安托山工程，當鉆孔直徑d=76 mm時，取W1=2.5 m，合理的延時時間應為25～40 ms。

在網路設計時，各段雷管延時時間計算采用的是均值td(標稱起爆時間)，而每發雷管實際都有延遲時間偏差，可能較td提前或推后。又由于雷管段位的有限，故現場設計了2套起爆網路：分區接力起爆網路和多排毫秒延時起爆網路。

3.1 分區接力起爆網路

分區接力起爆網路采用孔內導爆管毫秒延時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，當孔內導爆管起爆網路的分段數不足時，孔外采用毫秒電雷管接力，如仍不能滿足分段要求，則進一步采用導爆管毫秒雷管接力網路(見圖2)。

注：數字表示雷管段別。

3.1.1 布置原則

1)分區接力起爆網路的設計原則。現場受場地、機械和工期的限制，部分深孔爆破工程往往不能按部就班進行，往往需要未爆區的鉆孔和已爆區的開挖同步進行，由于爆破方量大，在上一循環的爆堆還未清理干凈的清況下未爆區的臨空面狀況無法清楚掌握，為盡可能加快鉆孔和爆破進度。網路設計只能根據爆破區的位置、高程及周圍建筑物對爆破振動的控制要求臨時安排。首先確定該爆區單段最大藥量，再依照該次爆破的總孔數，確定分段數。如果分段數超過導爆管毫秒雷管的段別數，則應安排孔外電雷管和導爆管雷管的接力網路，且電雷管一般只能安排一次接力網路。

2)雷管的布置原則。首段雷管應選擇布置在臺階臨空面條件比較好的部位，同時使鉆孔處最小抵抗線應盡可能與結構面(斷層、破碎帶、節理面等)垂直或成較大的角度，中區雷管的布置應盡可能縮短前排孔到末排孔之間的分段數，末排孔每2～3孔布置同一段別的雷管，使爆后邊界比較齊整，有利于下一循環的炮孔布置和鉆孔。

3.1.2 接力雷管段別的選擇和布置

1)接力區孔內首段雷管段別的選擇。如果毫秒導爆管雷管和毫秒電雷管都僅有1～15段(見圖2)，首爆區用1段毫秒電雷管激發起爆，考慮極限情況，則首爆區15段毫秒導爆管雷管的最遲起爆時間應為其上規格限之和：12.5+950=962.5 ms，與第1接力區激發用15段毫秒電雷管最早起爆時間(下規格限)820 ms之間差142.5 ms，依據順序起爆的原則，為保證不發生跳段，故第1接力區的孔內首段導爆管雷管，其下規格限應不低于142.5 ms，即不能低于7段。

同樣，如果第1接力區采用14、13、12、11段毫秒電雷管激發起爆，其激發雷管的最早起爆時間(下規格限)分別為705、600、505、420 ms，與962.5 ms之差分別為257.5、362.5、457.0、542.5 ms，即該區孔內首段導爆管雷管應不低于9、11、12、13段。

第2、第3……接力區的首段雷管段別選擇與第1接力區相同。

2)接力區激發雷管段別的選擇。在選擇接力雷管的段別時，必須保證在首爆區各炮孔內炸藥被引爆并處于爆轟狀態時，接力區中與其緊相鄰的炮孔應處于孔外雷管被引爆，孔內雷管已點燃但未爆的狀態，或孔外雷管已點燃的狀態。

3)分區接力起爆網路的分段數量。當擬爆破排數大于4排時，如果毫秒導爆管雷管和毫秒電雷管都僅有1～15段，則首爆區孔內安排1～15段毫秒導爆管雷管，共分15段，用1段毫秒電雷管激發；第1接力區孔內安排7～15段毫秒導爆管雷管，共分9段，用15段毫秒電雷管激發，即一次接力最多可分24個段別。第2接力區孔內也安排7～15段毫秒導爆管雷管，共分9段，用15段毫秒導爆管雷管激發，以下各接力區可依次類推。

由圖2可知，因為只有3排孔，為避免孔間爆破振動疊加，首爆區孔內前9段跳段裝，其余孔按雷管段別依次裝，即首爆區孔內按1、3、5、7、9、10、11、12、13、14、15段毫秒導爆管雷管起爆，用1段毫秒電雷管激發，第1接力區孔內裝10～15段毫秒導爆管雷管起爆，用14段毫秒電雷管接力，共分16個段別，第2接力區除用14段毫秒導爆管雷管接力外其余同第1接力區。

4)分區接力混合起爆網路的施工要點及應用。應重視首段雷管和邊界處雷管的布置，這是關系到爆破效果和安全的關鍵；在每個接力段的交接處，先爆區炮孔內應布置最高段雷管，后爆區可以布置低段位雷管，也可以布置高段雷管；如果交接處孔比較多，無法滿足先爆區全部布置最高段雷管的要求，則應考慮降低后爆區激發雷管的段位，提高后爆區首段雷管的段位，以防止出現跳段情況；第1接力區可以用毫秒電雷管激發，到第2接力區以后就要采用毫秒導爆管雷管接力激發，這時應采用復式接力網路，以確保準爆；在安排接力區時，如果整個爆區比較長，應盡可能使每個接力區都有臨空面，這樣有利于改善接力區內的巖體爆破效果；安托山B21-1地塊采用分區接力起爆網路在建筑物旁進行的深孔爆破爆花，從爆花可清楚看出首爆區和接力區順序起爆情景(見圖3)。

圖3 分區接力深孔爆破效果

3.2 多排毫秒延時起爆網路

多排深孔毫秒延時爆破是指一次起爆排數在10排以上，孔深6 m以上，孔徑一般為φ76～φ115 mm，前后排起爆時差在50～250 ms。多排毫秒延時起爆網路仍然采用普通導爆管毫秒雷管和電雷管組合，當排數太多孔內導爆管起爆網路的分段數不足時，孔外采用導爆管雷管接力，孔外雷管簇聯激發導爆管網路(見圖4)。這種多排起爆網路每個接力區中包含有多段孔內毫秒延時雷管，可以實現無窮多排炮孔逐排起爆。與常用的接力起爆網路相比，分區接力混合起爆網路和多排毫秒延時起爆網路是地表簇聯接力，使連接雷管減少很多，且在深圳多雷爆天氣下能安全起爆，起爆成本得到有效降低。

注：數字表示雷管段別。

1)首段接力區孔內雷管段別的選擇。采用多排毫秒延時起爆網絡時，為延長孔間爆破時差，避免爆破振動波形發生疊加，要求前3排按照2、4、6段雷管逐排起爆，第4～10排按6～13段的雷管起爆，各排延時間隔為50～100 ms，比較適合孔徑76 mm和115 mm逐排起爆，有利于改善爆破效果。

2) 接力區激發雷管段別的選擇。根據接力起爆網路點燃陣面的概念[15]，要求前排炮孔爆炸時，后面4排以上的地表激發雷管已被引爆，炮孔內雷管被點燃，即點燃陣面達到4排以上和每隔3排增大一次排間起爆時差的要求，通過實踐摸索，發現孔內采用11、12、13 段，孔外采用9段接力，再看孔外9段加孔內11段的延時為310+460=770 ms，比前面13段650 ms延時120 ms，滿足了每隔3排增大一次排間起爆時差的要求。因為2次9段孔外接力的延時為310+310=620 ms，而后排13段引爆延時為650 ms，所以后排13段引爆前，向后已經引爆了2次9段雷管，點燃陣面達到6排以上，網路安全性有保證。

大量實踐結果證明20～40排的爆破松動效果相當滿意，挖裝很輕松，大塊率很低。

3)多排深孔毫秒延時爆破破巖機理分析。多排毫秒延時爆破的破巖機理，首先是前排臨空面(實際是一定寬度的破裂面)和頂面的應力波產生反射拉伸破裂，而后爆生氣體的膨脹壓力本可產生較大拋擲動能，但受前排阻擋，只能產生擠壓碰撞，所以爆后巖塊受壓碎裂更嚴重，增加了巖塊的破碎程度，爆炸破巖能量比例增大，類似壓碴爆破效果。表現出多排毫秒延時爆破,除頂面有少量大塊之外，爆堆內部大塊率極低，幾乎沒有需二次破碎的大塊。此外在深孔爆破中出現大塊最多的位置是最前排和最后排，在爆破區一次起爆排數越多，最前排和最后排所占比例就越小，相應大塊率也得到降低。

4)多排毫秒延時起爆網路應用與爆破振動分析。2001年在安托山采石場曾多次應用多排毫秒延時起爆網路，取得了相當滿意的爆破效果，最大的一次爆破總裝藥量達9.8 t，一次起爆35排，400個炮孔，孔徑為φ76 mm，孔深為8.5 m左右，孔距2.5 m，排距2.2～2.3 m，填塞2 m，爆破方量達2.5 萬m3，炮孔布置及雷管分段情況如圖5所示。

圖5 一次起爆400炮孔的多排毫秒延時起爆網路

爆后爆堆表面松散，向上隆起約3 m，開挖過程中爆堆內幾乎無大塊解炮。在距爆區北側面50 m的北環路，北側面40 m的高壓電線及路燈，距爆區南側200 m的廠房，爆破側向飛石僅10 m左右，未發生任何安全事故。用前面得到的爆破振動衰減公式計算知，在距最后排150 m處測得的地表最大振動速度未超過0.7 cm/s，說明多排毫秒延時爆破降振效果顯著。在炮孔較多、對降振要求不高的情況下，采用這種多排毫秒延時爆破網路可以提高爆破效率、降低大塊率，同時爆破振動也能得到有效控制。減振要求更高時可以對此網路加列間(每3排)短延時接力，進一步優化爆破網路。

在振動要求較嚴格的地區爆破，如果多排毫秒延時起爆網路達不到振動控制的要求，就應改為分區接力起爆網路。分區接力起爆網路的振動控制更為方便，因其臨空面條件好、單段起爆孔數少，可以將爆破振動控制在相當低水平。與分區接力起爆網路相比，多排毫秒延時爆破網路在降低大塊率、提高爆破效率方面更有優勢。

4 結語

1)在山體大規模深孔爆破中，采用分區接力起爆網路和多排毫秒延時起爆網路，邊坡開挖區采用多排毫秒延時起爆網路，二者在既不增加成本，又不增加工作量的情況下，利用現有的普通導爆管起爆器材，增加了延時網路中的起爆段別，為解決城市復雜環境下大量石方深孔爆破的振動安全和破碎質量問題提供了一個便利的方法，在實踐中具有一定的應用前景。

2)在振動要求比較嚴格的地方需考慮毫秒導爆管雷管的上下規格限，最大程度地避免區間孔內雷管延時疊加，減小爆破振動。

3)采用多排毫秒延時起爆技術時，前3排按照2、4、6段導爆管雷管逐排起爆，第4～10排依次用7～13段導爆管雷管起爆，在接力區孔內采用11、12、13 段，孔外采用9段接力，可以使點燃陣面達到6排以上，網路安全性有保證。

4)多排毫秒延時起爆網路達到類似壓碴爆破效果，增加了巖塊的破碎程度，爆炸破巖能量比例增大，同時大量實踐結果證明20～40排的爆破松動效果最好，挖裝容易，大塊率低。