大規模基坑群爆破施工技術與管理

許垅清，張中雷,2，王林桂，孫鈺杰，陳 源

(1.大昌建設集團有限公司，浙江 舟山 316000；2.大昌建設集團有限公司與浙江海洋大學聯合專家院士工作站，浙江 舟山 316021)

近年來，諸多學者不斷的研究突破，取得了一定的研究成果。趙根、陳偉等[1-2]提出了環向聚能藥包爆破技術，闡述了群孔中環向聚能藥包爆破成縫破巖的機理，并試驗驗證了環向聚能藥包對控制地基平整效果的影響；盧文波等[3]提出了垂直孔復合消能爆破技術，并在白鶴灘壩基及水墊塘基礎開挖中得到大規模應用，獲得了良好建基面成型效果。

基于以上研究，在舟山6 000萬t/年煉化一體化石化基地基坑群爆破開挖中使用垂直孔復合消能爆破技術，并通過生產性試驗驗證了該技術對大規模基坑開挖建基面平整度良好控制效果。

1 工程概況

舟山6 000萬t/年煉化一體化石化基地地處岱山縣魚山島，石化裝置基坑群位于基地二期煉化項目施工區，緊鄰已運行一期石化裝置區，基坑爆破主要為二期煉化區煉油、化工和公用工程裝置區域的基礎開挖。

基坑數量多、體量大、規格尺寸多樣。設計開挖深度2.0～11 m，開挖底標高最低為-7.0 m，最高為+3.3 m，爆破開挖方量約150萬m3。部分基坑開挖參數如表1所示。

表1 部分基坑開挖參數

1.1 基坑群周邊總體環境

基坑群東側為石化基地二期成陸回填區；南側為原油罐區，與爆區最近距離210 m；西側環境最為復雜，有南北向中央大道和一期石化投產區，含眾多高精度、高敏感性儀器和設備，與爆區最近距離110 m；北側鄰近新時代大道。

1.2 工程特點

1)基坑群爆破體量大、工期緊，且規格尺寸多樣，開挖面積達20余萬，建基面質量控制要求高。

2)周邊環境復雜，鄰近多條交通主干道，人流、車流量大，且存在交叉作業，施工安全及組織協調難度大。

3)基坑爆破期間正值一期石化運行投產，須采取有效的安全技術措施控制爆破振動、個別飛散物等有害效應對西側石化設施的影響。

4)受雨水和地下水等影響，坑內及場區積水多且回水快，應合理組織排水確保工期。

2 爆破技術方案

鑒于基坑爆破開挖體量大、工期緊，傳統的淺孔爆破方式難以滿足進度要求。采用深孔爆破及大孔徑(90～115 mm)淺孔爆破開挖方案，結合復合消能爆破技術對建基面實施保護。

2.1 基坑群爆破開挖順序

主要考慮積水排放和周邊環境兩大因素。第一，基坑群東側為二期成陸回填區，是場區積水的天然排放場所，通過設置東西向排水溝，將場內積水順利排向回填區；第二，基坑群西側為一期石化投產區，是爆破施工重點保護區域，另外隨著東側回填區施工的推進，施工人員及機械設備會逐步增多，爆破施工管理難度也隨之增大。

由此確定，基坑群爆破開挖順序為從東西兩側向中部推進，能夠最大程度上保證爆破區域逐步遠離一期石化投產區，同時有利于減少與東側回填區施工作業的相互影響。

2.2 典型基坑爆破設計

該區域巖性為流紋質含角礫玻屑熔結凝灰巖，較堅硬，可爆性較好。基坑開挖直徑25 m，每邊各增加工作面寬度1.5 m，設計開挖深度為5.8 m。邊坡采用光面爆破，坡率1:0.75。

爆區東側、南側及北側為基坑開挖場地，200 m范圍內無重要建(構)筑物，西側與一期石化投產區最近距離為173 m。

2.2.1 爆破參數

為保證爆破效果，將凈斷面劃為A區和B區，分兩次爆破。A區為掏槽爆破，為B區爆破創造更優自由面。

A區掏槽尺寸為19 m×5.4 m，共布置4排炮孔，其中2排掏槽孔傾斜角為77°，采用楔形掏槽形式，設計炸藥單耗0.65 kg/m3。A區爆破參數如表2所示。

表2 A區爆破參數

B區含主爆孔和光面孔，主爆孔為垂直孔，直徑105 mm，炸藥單耗0.43 kg/m3；光面孔為傾斜孔，傾斜角53°，正常段線裝藥密度0.40 kg/m。B區爆破參數如表3所示。

表3 B區爆破參數

2.2.2 裝藥結構

除光面孔外均采用連續裝藥結構，裝填2#巖石乳化炸藥，直徑90 mm，每孔2發普通導爆管雷管；光面孔采用毛竹片、導爆索串聯間隔不耦合裝藥，藥卷直徑32 mm，長度20 cm(見圖1、圖2)。

圖1 A區裝藥結構

圖2 B區裝藥結構

2.2.3 起爆網路

根據爆區周邊保護對象安全允許振速控制要求進行爆破網路設計[4]。A區和B區均采用孔內延時爆破網路，雷管為非電毫秒延時導爆管雷管。A區掏槽孔雷管采用MS3段，正常孔采用MS5段。B區孔內依排裝入MS3、MS5、MS7、MS8、MS9段雷管，孔外用四通連結，MS2錯排。光面孔在主爆孔之后起爆，MS10、MS2非電毫秒雷管接力傳爆，分段起爆。起爆網路如圖3所示。

圖3 起爆網路

3 復合消能爆破技術 [3,5]

在炮孔底部安裝高波阻抗球形墊塊和鋪設松砂墊層形成復合消能結構，利用沖擊波在消能結構表面和底面兩次反射降低爆破對建基面巖體的沖擊影響。當消能結構采用鑄鐵高波阻抗材料，在消能結構與柔性墊層交界面發生的強烈二次反射，使通過消能結構的沖擊波能量僅有12%～15%傳入柔性墊層。同時松砂在動應力條件下易發生液化流動，消耗較多能量，進一步減小透射入建基面巖體的應力波強度，減小爆破對建基面的損傷(見圖4)。

圖4 復合消能爆破技術原理

3.1 生產性試驗參數

為驗證建基面復合消能爆破技術在舟山綠色石化基地基坑群爆破開挖中的應用效果，針對基坑群爆破區域的工程地質條件，在基坑群中隨機選取了3塊區域開展垂直孔復合消能爆破技術生產性試驗，為后續大面積應用該技術進行爆破開挖提供科學依據。3塊試驗區域分別布置9～11排炮孔，炮孔數為90～100個，試驗爆破參數如表4所示。

表4 試驗爆破參數

將試驗區分常規區和采用垂直孔復合消能技術的消能區，裝藥結構基本一致，不同之處在于消能區孔底放置消能球(直徑100 mm)及松砂柔性墊層，如圖5所示。3次試驗均采用孔內延時起爆網路，孔外無地表雷管，2排一響，從中間向兩端依次裝填MS3～MS10雷管。為進一步探究爆破時消能區和常規區的巖體損傷程度，在2#試驗中鉆取4個聲波測試孔，即P1、P2、P3和P4，聲波孔直徑105 mm，其中P1、P2位于消能區，P3、P4位于常規區，孔間距2 m，深度比正常孔深約3.5 m。

圖5 裝藥結構

3.2 試驗程序

1)測量鉆孔。測量是進行復合消能爆破試驗爆前準備工作的關鍵環節，其精確度的高低直接影響試驗效果。采用測量儀器對炮孔孔口高程及孔深進行有效測量，得出孔底高程，并如實記錄。鉆孔前，對鉆機操作人員進行逐孔交底，確保鉆孔的準確性，鉆孔完畢后，應及時覆蓋予以保護，對聲波孔填充砂石進行保護。

2)孔底填砂及放置消能球。依據復合消聚能爆破技術的作用機理，炮孔底部消聚能結構處于同一高程面時，群孔爆破后其對底板平整的控制效果最為明顯[6]，因此盡可能使孔底消能球處于同一高程。根據孔底高程計算填砂量，填砂過程中，應反復檢查孔底松砂裝填情況，并進行有效找平。填砂完成后，應依次逐孔放置消能球。

3)裝藥起爆。采用相同的連續裝藥結構，炮孔內均裝填單發普通塑料導爆管雷管，孔內延時順序起爆。起爆前，應按照規程要求進行清場及爆破安全警戒。

4)建基面測量與數據處理。爆破完成后，及時進行爆堆挖裝清理。通過布置間隔為50 cm的測線，形成50 cm×50 cm的網格，地形起伏較大處應適當加密，利用GPS-RTK在每個網格頂點的實際高程，并將測量數據整理成坐標形式，導入至三維建模軟件Catia中，與設計高程對比得到建基面超欠挖情況，定量評價建基面平整度。

3.3 試驗效果分析

1)宏觀效果。利用挖掘機將巖堆清除，采用抽水設施將積水抽凈，得到試驗區整體成型效果，可以看出，孔底布置有復合消能結構的消能區開挖成型效果相較于正常裝藥結構的常規區明顯要好，局部起伏區的面積更小，起伏差控制地更好。

2)三維模型及超欠挖分析。根據RTK底板測量數據建立三維模型，如圖6所示。從圖中可以看出，相比于常規區，消能區建基面起伏及凹凸不平處較少，最高點高程為0.34 m，最低點高程為-0.26 m，均出現在試驗區邊緣，平均高程為0.04 m；而常規區中部起伏相對明顯，最高點高程達到0.41 m，最低點高程-0.33 m，起伏差為0.74 m，平均高程為-0.08 m。

圖6 2#試驗區建基面三維模型

由此可見，相比于傳統常規的基坑爆破方法而言，采用消能爆破技術控制建基面的平整度具有更好的優勢。

對1#～3#試驗的超欠挖情況進行統計分析，按欠挖0～10 cm、欠挖10～20 cm、超挖0～10 cm、超挖10～20 cm和超挖20 cm以上劃分，消能區和常規區超欠挖所占面積百分比統計結果如表5所示。

表5 試驗區超欠挖范圍占比統計

超欠挖不超過10 cm，常規區占比平均值為33.86%，采用消能爆破技術后為39.92%，提升幅度15.2%；超欠挖20 cm范圍內，常規區占比平均值68.49%，采用消能爆破技術后為72.72%，提升幅度約6.2%；超欠挖20 cm以上區域，消能區占比面積比常規區降低約13.4%。采用復合消能爆破技術后，各試驗區建基面超欠挖程度均有所改善。

3)孔底巖體損傷監測。爆后對4個聲波孔進行聲波檢測，以深度大于1.5 m的平均波速作為未損傷巖體波速，參考相關規范以10%的波速變化率為判定標準，統計出消能區和常規區的巖體損傷深度，如表6所示。

表6 試驗區巖體損傷深度統計

消能區巖體的平均損傷深度為1.1 m，常規區巖體的平均損傷深度為1.4 m，消能區巖體的平均損傷深度較常規區減少了21.4%。因此可以看出，在相同的試驗條件下，復合消能爆破技術可以有效地減小爆破對孔底巖體的損傷，更好地保護建基面。

復合消能爆破技術可實現爆破能量向上部和側向巖體聚集，有效減小孔底保留巖體的損傷，在后續核心區石化裝置基坑爆破中得到了有效驗證，取得了良好的建基面控制效果，經濟及社會效益顯著。

4 施工管理

4.1 鉆孔施工

基坑群初始開挖面為原礦山開采移交場地，場地存在一定的起伏，如何降低場地標高差異對鉆孔深度的影響，是保證建基面平整的首要前提。施工中，基坑群的鉆孔深度控制主要采用水準儀與GPS-RTK相結合的測量方法，對于核心裝置區基坑鉆孔深度控制全部采用水準儀觀測法實施精確測量。水準儀觀測法實施如圖7所示。

注：圖中h2為前視讀數；H3為已知高程點；h3為后視讀數；H1為坑底開挖設計標高；h1為初始開挖面和坑底標高差；H2為待鉆炮孔初始標高；△h為鉆孔超深。

采用水準儀高程計算公式：h2+H1+h1=H3+h3，計算出h2和(h1+h2+△h)值，并依此在鉆桿上設置紅色或其他醒目控制標記。施鉆過程中，由專業測量技術人員全程監控，并與鉆機操作人員保持密切溝通。當控制標記達到十字絲中心位置時，及時告知鉆機操作人員停止作業。鉆孔完畢后，由鉆機輔助工及爆破作業人員共同檢查驗收，主要采用皮尺測量，確認炮孔達到設計孔深后，進行炮孔封口保護。

4.2 基坑排水

基坑群爆破開挖施工進度受積水影響較大，如何實現坑內和場地積水的合理有序排放至關重要。根據爆破開挖順序、水文地質條件及基坑開挖深度，確定采用排水溝、集水井相結合的排水方案。

1)排水溝。在基坑群南北兩側各開挖1條排水溝延伸至二期成陸回填區。北側排水溝長度約600 m，南側排水溝長度約910 m。排水溝底寬2 m，深度1.1 m，坡度0.3%，排水溝擋墻距坡頂邊0.5 m，高度為0.5 m。

2)明溝、集水井。基坑群施工區基巖裂隙水較發育，滲出的地下水較多，排水工作量大。坑內排水采用明溝和集水井結合方式，明溝沿基坑周圍設置，底面比基底標高低20～30 cm，寬度為30 cm，排水坡度為3‰，使滲出的地下水沿著明溝向集水井匯集。集水井數量根據基坑規模和形狀確定，一般不少于2個，集水井底比明溝底低0.5 m，寬度為60～70 cm。

根據滲水量大小，配置13臺潛水泵，其中排水量120 m3/h配置4臺；排水量75 m3/h配置6臺；排水量30 m3/h配置3臺，可滿足基坑群排水需求。

4.3 交叉施工協調

基坑群爆破開挖過程中，主要與二期石化廠區土建施工單位和一期石化投產區存在交叉作業。從安全角度出發，與爆區周邊施工單位逐一簽訂安全生產管理協議，明確各方安全職責和應當采取的安全措施，確保職責清楚，界限明確。與各單位建立長效溝通機制，提前制定爆破和土建施工計劃，并上報至工作交流群或采取現場負責人臨時碰頭會形式統籌協調。

爆破前，至少提前3天發布施工公告，提前1天發布爆破公告，并根據爆區環境優化爆破方案，選擇合理的爆破參數，及時校核最大單段藥量，做好爆區防護，嚴格控制爆破振動、個別飛散物等有害效應對一期石化投產設施的影響。同時，積極參加建設單位組織的生產協調會，提出交叉施工中存在的棘手問題，與周邊施工單位始終維持良好關系。

4.4 爆破安全管理

1)爆破振動控制。針對石化設施的爆破振動安全允許振速沒有明確的統一標準[7-9]，為更加有效控制爆破振動對一期投產區石化設施的影響，結合石化裝置動力響應結構的主頻率和結構特性等因素，通過基于石化設施振動反應譜分析、動力有限元計算及爆破振動跟蹤監測，初步提出了針對石化設施爆破振動的安全允許振速標準參考值，如表7所示。

表7 石化設施爆破振動安全允許標準參考值

基于提出的標準參考值，在后續基坑爆破實施過程中，經現場實際監測和摸排調查，爆破均未對一期投產區石化設施造成任何損壞。

2)爆破飛石。工程周邊環境復雜，緊鄰已運行一期石化裝置區，對爆破飛石采取必要的防護措施，以免爆破飛石損壞石化裝置是至關重要的。綜合考慮爆破安全性、防護實用性，從主動和被動防護兩方面開展防護工作，主動防護包括合理布孔，優化爆破參數，精細化施工等，從施工設計層面把控；被動防護采用加厚帆布、竹笆等進行覆蓋，重點部位采用土袋、砂袋等進行防護[10-11]。

5 結語

1)對于復雜環境大面積基坑群爆破開挖，綜合考慮工程特點、周邊環境及工期等要求，確定合理的施工順序是項目安全順利開展的重要前提。

2)與常規基坑爆破方法相比，采用復合消能爆破技術，能夠有效降低建基面超欠挖及起伏差，獲得更為平整的建基面。

3)從爆破設計到施工再到管理，各個環節，貫穿運用精細爆破理念，克服了環境復雜、施工組織難度大等難點，取得了良好的經濟和社會效益。