溫新亮，趙康林

(中鐵隧道集團(tuán)二處有限公司，河北 三河 065201)

0 引言

深孔預(yù)裂爆破技術(shù)在水電［1］、礦山開(kāi)采［2］、鐵路和公路路塹［3］等工程中得到較為廣泛的應(yīng)用。該法不僅可以提高開(kāi)挖工程成形質(zhì)量，還最大限度地減少了爆破振動(dòng)對(duì)周圍巖體的損傷破壞，進(jìn)而形成平整穩(wěn)定的邊界，在提高開(kāi)挖效率和經(jīng)濟(jì)效益等方面有著較大的優(yōu)越性。

唐海等［4］闡述了預(yù)裂爆破的裝藥結(jié)構(gòu)和炮孔間距等重要爆破參數(shù)。王者超等［5］、李術(shù)才等［6］介紹了國(guó)內(nèi)某地首座大型水封石油洞庫(kù)工程，利用流固耦合理論對(duì)大型洞庫(kù)施工過(guò)程中的力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行了大量研究，總結(jié)了分層開(kāi)挖的經(jīng)驗(yàn)。李鵬等［7］介紹了某地大型地下水封石油洞庫(kù)的2種爆破方案:深孔臺(tái)階爆破+預(yù)裂爆破和深孔臺(tái)階爆破+水平光面爆破，對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)均符合開(kāi)挖設(shè)計(jì)要求，但各自有各自的優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用條件。隨著深孔鑿巖設(shè)備的不斷改進(jìn)，深孔爆破技術(shù)在爆破工程中占有越來(lái)越重要的地位。地下洞庫(kù)開(kāi)挖工程由于受作業(yè)空間、施工機(jī)械等限制，制約了該技術(shù)的推廣應(yīng)用。

本文以某地大型洞庫(kù)洞中下臺(tái)階爆破施工為工程背景，通過(guò)設(shè)計(jì)合理的預(yù)裂爆破參數(shù)并結(jié)合底板水平光面爆破技術(shù)，提出深孔垂直預(yù)裂爆破+底板水平光面爆破相結(jié)合的爆破方案。在實(shí)際施工過(guò)程中，有效解決了預(yù)裂爆破易產(chǎn)生大巖塊、底板不平順等問(wèn)題，使得深孔預(yù)裂爆破技術(shù)在大斷面地下洞室內(nèi)得以順利應(yīng)用，有效提高了開(kāi)挖成形質(zhì)量，加快了施工進(jìn)度，節(jié)約了工程成本。預(yù)裂爆破由于提前起爆預(yù)裂孔使得洞室邊墻形成一定寬度的預(yù)裂縫，從而減小主爆區(qū)爆破時(shí)對(duì)洞室圍巖的擾動(dòng)，進(jìn)而可放寬對(duì)開(kāi)挖區(qū)爆破規(guī)模的限制，提高了效率。綜上所述，該新方法不僅提高了單循環(huán)開(kāi)挖方量和爆破成形質(zhì)量，而且可實(shí)現(xiàn)垂直打眼與出渣平行作業(yè)，加快了施工進(jìn)度，節(jié)約了工程成本。

1 工程概況

某國(guó)家地下大型石油儲(chǔ)備庫(kù)工程采用水封油庫(kù)。該油庫(kù)斷面跨度和高度分別為19 m和24 m，洞型為三心拱直墻型、底部做適當(dāng)切角、斷面面積為436.1 m2(見(jiàn)圖1)。

圖1 主洞室開(kāi)挖順序(單位:mm)Fig.1 Excavation sequence of main cavern(mm)

儲(chǔ)油洞庫(kù)所在區(qū)域圍巖為微風(fēng)化花崗巖、中粗粒結(jié)構(gòu)、雜色－淺肉紅色;主要礦物成分為石英、長(zhǎng)石及少量的黑云母、角閃石等，礦物成分基本未變;節(jié)理組數(shù)一般1～2組、裂隙較發(fā)育－不發(fā)育;巖芯以長(zhǎng)柱狀為主，局部為短柱、碎塊狀，RQD值為75% ～90%;部分地段夾微風(fēng)化輝綠巖、花崗細(xì)晶巖和閃長(zhǎng)玢巖巖脈，巖脈厚度和展布無(wú)明顯規(guī)律性。巖石的單軸抗壓抗拉強(qiáng)度以及變形參數(shù)見(jiàn)表1。

2 洞庫(kù)中臺(tái)階爆破設(shè)計(jì)方案

2.1 洞庫(kù)開(kāi)挖總體施工方法

本洞庫(kù)斷面為19 m×24 m，分3層開(kāi)挖。上層設(shè)計(jì)施工高度為8 m，由于洞庫(kù)底部有3 m高的倒角，故中層設(shè)計(jì)高度為13 m，下層高度為3 m，其施工順序?yàn)棰?—Ⅰ2—Ⅱ—Ⅲ［8－11］(如圖 1 所示)。上下層均采用水平光面爆破技術(shù)，本文主要介紹該洞庫(kù)中層的爆破施工技術(shù)。

表1 巖石單軸抗壓抗拉強(qiáng)度及變形參數(shù)Table 1 Mechnical parameters of rock

中層最初采用單一垂直深孔預(yù)裂爆破施工，但該法存在著在開(kāi)挖斷面中部產(chǎn)生大巖塊以及底板不平順等問(wèn)題，進(jìn)而給后續(xù)出渣作業(yè)帶來(lái)極大不便，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工存在的實(shí)際問(wèn)題，經(jīng)研究，采取了垂直深孔預(yù)裂爆破(先于主爆區(qū)1～2 d起爆)修邊+底板水平光面爆破清底相結(jié)合的爆破方案。

2.2 鉆孔孔徑確定

綜合本工程地質(zhì)條件結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工機(jī)械水平，垂直孔、傾斜孔采用潛孔鉆機(jī)施工，鉆頭直徑為89 mm，成孔直徑為95～100 mm;水平孔采用Sandvik DT1130芬蘭三臂鑿巖臺(tái)車，成孔直徑D1為50 mm。

2.3 鉆孔深度

沿底板水平向上布置2排光面孔(見(jiàn)圖2和圖3)，依據(jù)炮孔所在位置不同分為上部的二臺(tái)眼和底板的底板眼，設(shè)計(jì)孔深均不小于8.0 m(循環(huán)進(jìn)尺為7.5 m)，底板眼為下向傾斜孔，傾斜角度為3°～6°。

圖2 爆孔布置俯視圖(單位:mm)Fig.2 Planform of blasting hole layout(mm)

圖3 炮孔布置正視圖(單位:mm)Fig.3 Elevation of blasting hole layout(mm)

光面孔抵抗線為0.8 m，考慮底板夾制作用較大，二臺(tái)眼布置在距底板0.7 m處為水平孔，因此主爆孔垂直深度為11.5 m。主爆區(qū)為傾斜孔，傾斜角度60°～75°、炮孔斜長(zhǎng)為 11.9 ～13.2 m。預(yù)裂孔為垂直孔，其深度等于中臺(tái)階全斷面高度，為13 m。

主爆孔和預(yù)裂孔間設(shè)置一排垂直緩沖孔，緩沖孔為傾斜孔，垂直深度為11.5 m。主爆孔、預(yù)裂孔和緩沖孔孔徑D2均為95～100 mm。

2.4 孔距和排距的確定

孔距a是指同排相鄰2個(gè)炮孔中心線間的距離;排距b是指相鄰2排炮孔中心線間的距離。兩者參數(shù)設(shè)置合理與否，對(duì)爆破效果均會(huì)產(chǎn)生重要的影響。

炮孔密集系數(shù)m是指炮孔間距a與排距b的比值，即m=a/b;根據(jù)中硬巖體的爆破經(jīng)驗(yàn):保證最優(yōu)爆破效果的孔網(wǎng)面積(a·b)是孔徑斷面積(π·d2/4)的函數(shù)，兩者之間比值是一個(gè)常數(shù)，其值為1 300～1 350。在臺(tái)階深孔預(yù)裂爆破中，炮孔密集系數(shù)m是一個(gè)很重要的參數(shù)，一般取 m 為 0.8 ～1.4［5］。主爆孔最小抵抗線為3 m，根據(jù)以上原則炮孔密集系數(shù)m取小值，可得到:

通過(guò)計(jì)算得:a=2.6 m，b=3.2 m。

為減少大塊產(chǎn)生以便于出渣，現(xiàn)場(chǎng)取a=2 m、b=2.5 m時(shí)效果較好。

預(yù)裂孔與緩沖孔沿兩幫各1排，經(jīng)工程試驗(yàn)二者的孔間距分別為0.8 m和1.6 m時(shí)可以達(dá)到預(yù)期的效果。

3 各炮孔單孔藥設(shè)計(jì)

3.1 主爆孔單孔藥量設(shè)計(jì)

主爆孔采用2#巖石乳化炸藥，藥卷規(guī)格為φ70 mm ×2 000 g，長(zhǎng)度為500 mm，不耦合系數(shù)為1.3。

1)第1排主爆孔裝藥量

式中單位耗藥量q(單耗)在深孔爆破中一般根據(jù)巖石的堅(jiān)固性、炸藥種類、施工技術(shù)和自由面數(shù)量等因素綜合確定，修正的普氏公式:

式中:f為巖石堅(jiān)固性系數(shù)f=17.6;s為面積，m2;k0為考慮炸藥保留的校正系數(shù)(其中:k0=525/p，p=320，p為爆力，mL);q為單位炸藥消耗量。

計(jì)算得:q=0.48 kg/m3。

經(jīng)計(jì)算得:Q1=27.6 kg。結(jié)合藥卷規(guī)格和實(shí)際的爆破試驗(yàn)，藥量取28～30 kg。

2)第2，3排炮孔裝藥量

式中:K為考慮受前面各排孔的巖碴阻力作用的裝藥量增加系數(shù)，取1.1。

經(jīng)計(jì)算得:Q2=30.36 kg?，F(xiàn)場(chǎng)取30～32 kg。

3.2 預(yù)裂單孔藥量設(shè)計(jì)［12－15］

預(yù)裂孔沿洞庫(kù)邊墻布置，間距a預(yù)裂0.8 m、預(yù)裂孔深度等于該中層的高度，即13 m，一次起爆長(zhǎng)度為3個(gè)循環(huán)，合計(jì)22.5 m。

預(yù)裂孔采用2#巖石乳化炸藥，藥卷規(guī)格為φ32 mm×200 g，該藥卷長(zhǎng)度為200 mm，不耦合系數(shù)為2.8。為克服底板夾制作用，在孔底采用1卷規(guī)格為φ70 mm×2 000 g的大藥卷。

3.2.1 預(yù)裂孔線裝藥密度 Δ1

1)工程類比法(使用范圍ρ壓=20～200 MPa)

式中:Δ1為除去堵塞長(zhǎng)度后的預(yù)裂孔裝藥密度，g/m;a為預(yù)裂孔孔距，m，這里a=0.8 m;ρ壓為單軸抗壓強(qiáng)度，ρ壓=176.3 MPa。

帶入數(shù)據(jù)計(jì)算得:

2)三峽經(jīng)驗(yàn)公式(適用于不耦合系數(shù)2～4)

式中:D為預(yù)裂孔的孔徑，cm;a為裂孔孔距，cm;ρ壓為單軸抗壓強(qiáng)度，ρ壓=176.3 MPa。

帶入數(shù)據(jù)計(jì)算得:

3.2.2 單孔裝藥量

綜合以上2種線裝藥密度計(jì)算可知:線裝藥密度范圍為0.45 ～0.5 kg/m。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)圍巖情況，當(dāng)Q＜5時(shí)，線裝藥密度取0.45 kg/m，單孔裝藥量 Q1=0.45 ×11.5=5.17≈5.2 kg。

當(dāng) Q ＞5時(shí)，線裝藥密度取0.5 kg/m，Q2=0.5 ×11.5=5.75≈5.8 kg。

3.3 緩沖孔單孔藥量設(shè)計(jì)

緩沖孔孔間距為主爆孔最小抵抗線的50%～75%，對(duì)于堅(jiān)硬巖石可以取大值，本工程的緩沖孔孔間距取1.6 m。藥量為主爆孔的一半，單孔藥量為15 kg。

3.4 光爆層單孔藥量設(shè)計(jì)

中臺(tái)階下部水平光爆孔最小抵抗線W=1.0 m、光面孔密集系數(shù)m=0.8，底板眼間距為0.8 m。二臺(tái)眼孔間距為1 m。

光爆層單耗與主爆區(qū)相同，裝藥量根據(jù)公式Q=qaWL計(jì)算得單孔藥量為3.2 kg。

4 各類炮孔裝藥結(jié)構(gòu)和堵塞段設(shè)計(jì)

4.1 預(yù)裂孔裝藥結(jié)構(gòu)和堵塞段設(shè)計(jì)

1)藥卷長(zhǎng)度。預(yù)裂孔單孔藥量為5.2～5.8 kg，其中底部為 φ70 mm×2 000 g藥卷，該藥卷長(zhǎng)度為0.5 m;其他采用φ32 mm×200 g小藥卷，藥卷長(zhǎng)度為0.2 m，間隔裝藥。

2)堵塞段設(shè)計(jì)。炮眼堵塞的主要作用是為了保證炸藥在密閉的空間中充分反應(yīng)，從而提高炸藥釋放能量利用率，進(jìn)而取得較好的破碎效果。

1.2.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 采用SPSS 19.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，計(jì)量資料以（均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差）表示，采用LSD-t檢驗(yàn)；計(jì)數(shù)資料以（n，%）表示，采用χ2檢驗(yàn)，以P＜0.05表示差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。Pearson分析法分析各計(jì)量資料之間的相關(guān)性。

預(yù)裂孔堵塞質(zhì)量的好壞直接影響著預(yù)裂孔的成縫效果。在以往工程實(shí)踐中堵塞長(zhǎng)度一般為炮孔直徑的12～20倍，或者是按照經(jīng)驗(yàn)長(zhǎng)度0.6～2 m來(lái)取，考慮到本工程巖石的堅(jiān)固性，堵塞長(zhǎng)度不小于1.5 m。

對(duì)堵塞質(zhì)量的要求:堵塞材料為炮泥(砂∶黏土∶水=3∶1∶1)，堵塞要求密實(shí)，不能有空隙和間斷。

3)裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。預(yù)裂爆破主要目的是為了沿著預(yù)設(shè)預(yù)裂孔形成一條一定寬度的預(yù)裂縫來(lái)隔離主爆區(qū)的爆破振動(dòng)，并形成較好的成形，故藥量沿預(yù)裂孔軸線分布均勻從而實(shí)現(xiàn)各個(gè)區(qū)段的能量均勻分布。除了底板加強(qiáng)裝藥外，其他區(qū)段采用等間距空氣間隔不耦合裝藥結(jié)構(gòu)，靠近孔底處藥卷間距適當(dāng)減小，靠近堵塞段的藥卷間距應(yīng)酌情加大。

4.2 主爆孔裝藥結(jié)構(gòu)和堵塞段設(shè)計(jì)

主爆區(qū)炮孔垂直深度為11.5 m、斜長(zhǎng)為13 m。該區(qū)炮孔沿軸線分2段不耦合連續(xù)裝藥。

1)藥卷長(zhǎng)度。主爆區(qū)單孔總藥量為28～32 kg，藥卷規(guī)格為φ70 mm×2 000 g、長(zhǎng)度為0.5 m，藥卷總長(zhǎng)為7～8 m。

2)堵塞段設(shè)計(jì)。由于沿軸線分2段不耦合裝藥，故主爆區(qū)堵塞也分為2部分，一段為2個(gè)裝藥段間堵塞，另一段為孔口堵塞。

孔口堵塞在完成裝藥工作后進(jìn)行，堵塞長(zhǎng)度與最小抵抗線、鉆孔直徑和爆區(qū)環(huán)境有關(guān)，堵塞長(zhǎng)度取鉆孔直徑的30～35倍，為2.5～3.0 m。剩余部分為中間堵塞段，長(zhǎng)度為2.0 ～3.0 m。

3)裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。為有效地降低巖石大塊率，主爆區(qū)炮孔采用分2段連續(xù)不耦合裝藥結(jié)構(gòu)?？椎籽b藥量占總藥量的60%，靠近孔口段占總藥量的40%。

主爆區(qū)炮孔底部裝藥量為18～20 kg，藥卷9～10卷，裝藥長(zhǎng)度為4.5～5.0 m。第1排主爆孔上分層藥量一般為10 kg，合計(jì)長(zhǎng)度為2.5 m，第2，3排炮孔上層均為12～14 kg，合計(jì)6～7卷，裝藥長(zhǎng)度為3.0～3.5 m。孔口堵塞段長(zhǎng)度為2.5～3.0 m，剩余部分為中間堵塞長(zhǎng)度。

4.3 光爆層裝藥結(jié)構(gòu)和堵塞段設(shè)計(jì)

光爆層炮孔長(zhǎng)度為8 m，單孔藥量為3.2 kg，采用直徑32 mm的小藥卷。該區(qū)采用分段非連續(xù)不耦合裝藥結(jié)構(gòu)。

1)藥卷長(zhǎng)度。合計(jì)小藥卷共16卷，藥卷長(zhǎng)度合計(jì)為 3.2 m。

2)堵塞段設(shè)計(jì)?？卓诙氯伍L(zhǎng)度不小于0.6 m，采用炮泥堵塞。

3)裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。藥卷沿炮孔全長(zhǎng)分為3段:底部加強(qiáng)裝藥段、中間正常裝藥段以及孔口減弱裝藥段。各分段藥量分配為1∶2∶1，裝藥結(jié)構(gòu)如下:①底部加強(qiáng)裝藥區(qū)。采取連續(xù)不耦合裝藥結(jié)構(gòu)，裝藥長(zhǎng)度為0.8 m，該段藥量為0.8 kg;②中間正常裝藥段。采取空氣等間距非連續(xù)不耦合裝藥結(jié)構(gòu)，該段視巖石性質(zhì)不同區(qū)間長(zhǎng)度略有不同，一般為4.0～4.5 m，該段所需藥量為1.4 kg，合計(jì)8卷。其中空氣間隔長(zhǎng)度一般為0.30～0.35 m;③頂部減弱裝藥段。采用空氣等間距非連續(xù)不耦合裝藥結(jié)構(gòu)，該段藥卷總長(zhǎng)度為1.5～2.0 m，所需藥量為0.8 kg，即4卷藥卷，空氣間隔長(zhǎng)度為0.40 ～0.45 m。

4.4 緩沖孔單孔藥量與裝藥結(jié)構(gòu)

采用等間距空氣間隔非連續(xù)不耦合裝藥結(jié)構(gòu)，孔口堵塞段長(zhǎng)度不小于2 m。緩沖孔在主爆孔起爆后起爆。

所有炮孔具體數(shù)目及藥量，詳見(jiàn)表2中臺(tái)階爆破參數(shù)。

5 起爆網(wǎng)路設(shè)計(jì)

5.1 預(yù)裂孔起爆網(wǎng)路設(shè)計(jì)

由于在爆破過(guò)程中預(yù)裂孔是先于主爆區(qū)1～2 d起爆，為保證預(yù)裂孔同時(shí)起爆，一般采用導(dǎo)爆索連通起爆。

5.2 主爆區(qū)起爆網(wǎng)路設(shè)計(jì)

1)主爆孔的起爆網(wǎng)路設(shè)計(jì)。主爆孔采用梅花形布孔，每循環(huán)起爆3排炮孔，合計(jì)7.5 m。由于主爆孔分2段連續(xù)裝藥，中間有1段為堵塞段，因此在底部裝藥區(qū)和靠近孔口裝藥區(qū)各布置1個(gè)導(dǎo)爆雷管，通過(guò)地表的導(dǎo)爆管網(wǎng)路引爆孔內(nèi)的分段藥卷。

地表爆破連線方面采用間隔分段連線，形成“V”型起爆，減小圍巖的夾制作用，提高爆破效果。

2)光爆層起爆網(wǎng)路設(shè)計(jì)。光爆層與主爆區(qū)同時(shí)起爆，主爆區(qū)的炮孔布置圖詳見(jiàn)圖2和圖3，爆破參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 爆破孔網(wǎng)參數(shù)表Table 2 Parameters of blasting holes

6 爆破效果

硬巖段及軟硬巖交界處爆破效果見(jiàn)圖4和圖5。

圖5 軟硬巖交界處爆破效果照片F(xiàn)ig.5 Blasting effect at interface between hard rock and soft rock

7 施工中的注意事項(xiàng)

為提高爆破效果，施工中還應(yīng)注意以下事項(xiàng):堵塞時(shí)，不得將雷管的腳線、導(dǎo)爆索或?qū)П芾眠^(guò)緊，以防被堵塞材料損壞。裝藥結(jié)束后要有專人檢查起爆網(wǎng)路，防止起爆網(wǎng)路斷路造成的拒爆事故。

連接起爆網(wǎng)路時(shí)應(yīng)注意以下安全問(wèn)題:

1)孔內(nèi)引出導(dǎo)爆管、導(dǎo)爆索等要留有一定的富余長(zhǎng)度，防止因炸藥下沉而拉斷網(wǎng)路，在有水炮孔內(nèi)裝藥尤其要注意;

2)網(wǎng)路連接工作應(yīng)在堵塞結(jié)束、場(chǎng)地炸藥包裝袋等雜物清理干凈后再進(jìn)行，接線時(shí)應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)程規(guī)定來(lái)進(jìn)行;

3)網(wǎng)路連接后要有專人檢查線路是否完整，起爆前必須要有專人負(fù)責(zé)爆破安全。

8 結(jié)論與建議

在本工程洞庫(kù)中臺(tái)階開(kāi)挖施工過(guò)程中通過(guò)采用深孔垂直預(yù)裂爆破+水平光面爆破相結(jié)合的爆破方案，并通過(guò)合理的爆破參數(shù)設(shè)計(jì)，有效解決了巖石大塊率高的問(wèn)題，并同時(shí)解決了單獨(dú)采用垂直深孔爆破存在的底板不平順等問(wèn)題，施工過(guò)程中進(jìn)行了爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)，振速小于5 cm/s，低于規(guī)程要求限值，故預(yù)裂爆破在本工程施工中得以順利應(yīng)用。在施工速度、經(jīng)濟(jì)效益和斷面成形等方面取得了較好效果，對(duì)類似工程具有一定的借鑒意義。

本方案在施工過(guò)程中涉及的施工機(jī)械型號(hào)較多，對(duì)鉆孔的精度要求較高，特別是周邊眼和預(yù)裂孔鉆孔質(zhì)量的好壞幾乎決定了斷面成形質(zhì)量，因此必須加強(qiáng)對(duì)相關(guān)作業(yè)人員技能培訓(xùn)。

該方案在本工程中硬巖段施工的成形質(zhì)量較好，但是對(duì)于不良地質(zhì)段由于一次開(kāi)挖高度較大，無(wú)法做到及時(shí)支護(hù)，不利于圍巖穩(wěn)定，所以本方案在不良地質(zhì)段的施工方法參數(shù)及適應(yīng)性還需要進(jìn)一步研究改進(jìn)。

［1］ 趙泉.小灣水電站開(kāi)挖中預(yù)裂爆破參數(shù)的優(yōu)化研究［D］.武漢:武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，2006.(ZHAO Quan.Optimization study of pre-splitting parameter in Xiaowan Hydro-power statian［D］.Wuhan:College of Resources and Environmental Engineering，Wuhan University of Technology，2006.(in Chinese))

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