城區(qū)基坑深孔控制爆破開挖

尹江健,鄭卓淵,周俊珍

(國防科技大學(xué)指揮軍官基礎(chǔ)教育學(xué)院, 湖南長沙 410072)

城區(qū)基坑深孔控制爆破開挖

尹江健,鄭卓淵,周俊珍

(國防科技大學(xué)指揮軍官基礎(chǔ)教育學(xué)院, 湖南長沙 410072)

某城區(qū)基坑采用深孔預(yù)裂爆破進(jìn)行邊坡輪廓線爆破、V型掏槽開設(shè)臨空面、臺(tái)階爆破法進(jìn)行基坑開挖的施工實(shí)踐,對深孔松動(dòng)微差控制爆破技術(shù)的爆破參數(shù)、起爆間隔時(shí)間、裝藥結(jié)構(gòu)、非電微差起爆網(wǎng)絡(luò)和安全防護(hù)措施等進(jìn)行了設(shè)計(jì)和計(jì)算。

深孔松動(dòng)爆破;微差爆破;爆破安全;預(yù)裂爆破;基坑開挖

1 工程概況

某基坑工程爆破開挖長 120 m,寬 85 m,深 9 m,邊坡坡度為 1∶0.25,爆破總方量約 97572 m3,其縱斷面和橫斷面如圖1、圖2所示。

圖1 基坑縱斷面

圖2 基坑橫斷面

該地段位于城區(qū)人口密集地帶,周圍環(huán)境復(fù)雜,基坑?xùn)|側(cè)為高 70 m、坡度小于 30°的山丘;南側(cè)距八層框架結(jié)構(gòu)樓房 45 m;西側(cè)距南北走向的主干道 10 m,距四層框架結(jié)構(gòu)樓房 60 m,距五層磚混樓房 60 m;西北側(cè)距六層框架樓房 85 m;北側(cè)距四層框架結(jié)構(gòu)樓房 38 m,距東西走向公路約 55 m,其環(huán)境具體情況如圖3所示。本地段開挖層無地下水,僅有少量地表水和裂隙水;植被和覆蓋層已清除,巖性為泥質(zhì)砂巖,f=4～8,弱風(fēng)化,層理、節(jié)理裂隙不發(fā)育。

圖3 爆破基坑周圍環(huán)境

該工程采用控制爆破法進(jìn)行開挖,要求基坑邊坡須保證平整和穩(wěn)定,半孔痕跡率不小于 50%;基坑底部不得欠挖,超挖不得超過 1 m;巖塊最大邊長不得大于 50 cm。

2 爆破技術(shù)方案設(shè)計(jì)

2.1 總體方案設(shè)計(jì)

考慮到周圍建筑物的安全,對邊坡和周邊巖體的保護(hù),降低爆破振動(dòng)、沖擊波和飛石的影響,適應(yīng)機(jī)械裝運(yùn)巖渣等要求,本工程的總體方案為:設(shè)置 2個(gè)作業(yè)區(qū),從中間分別向南北兩端推進(jìn),南、北端作業(yè)區(qū)各寬 85 m,長 60 m;邊坡采用預(yù)裂爆破技術(shù)一次成型;V型掏槽爆破開設(shè)自由面;深孔臺(tái)階爆破開挖,第一層臺(tái)階高度為 5 m,第二層臺(tái)階高度為 4 m;嚴(yán)格控制單孔藥量,采用非電導(dǎo)爆管雷管多段微差的起爆方式,以控制單段起爆藥量。

2.2 深孔爆破技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)

2.2.1 邊坡預(yù)裂爆破設(shè)計(jì)

邊坡采用預(yù)裂爆破,在主炮孔起爆前先行爆破,裝藥結(jié)構(gòu)采用間隔線性非耦合裝藥。開孔位置在邊坡線上,孔徑 80 mm,傾斜角度與邊坡設(shè)計(jì)要求一致。

(1)孔徑 D與孔距 a。根據(jù)現(xiàn)有裝備及工程需要選用D=80 mm的孔徑;采用經(jīng)驗(yàn)公式 a=ED計(jì)算,取孔間距系數(shù) E=12,則 a=0.96 m。同時(shí),在打孔時(shí)嚴(yán)格按照 1∶0.25的坡度比來打孔。

(2)平均線裝藥密度 QL。根據(jù)葛洲壩工程局和長江科學(xué)院提出的公式,分別計(jì)算出 QL=0.367σ0.5D0.86=374 g/m和 QL=0.03359a0.63α0.67=377 g/m。通過對比,取 QL=375 g/m。

(3)超深 h及孔深 L。根據(jù)工程地質(zhì)情況,為克服底部巖石的夾制作用,取 h=1 m?？咨钣?jì)算公式為:

式中:L為孔深,m;θ為預(yù)裂孔傾角,°;H為開挖層高,m;h為超深,m。

則L=10.28 m。

(4)不耦合系數(shù)ξ。邊坡預(yù)裂爆破炮孔直徑 D為 80 mm,藥卷直徑 d為 32 mm,則 ξ=D/d=80/32=2.5,符合合理取值范圍。

(5)頂部裝藥量 Q預(yù)頂。為保證基巖保留區(qū)地表巖石的完整性,預(yù)裂孔頂部 1 m長的裝藥量應(yīng)相應(yīng)減少,頂部線裝藥密度計(jì)算公式為:

式中:QL2為頂部線裝藥密度,g/m;QL為平均線裝藥密度,g/m。

本工程巖石整體性較好,裂隙不發(fā)育,所以取:QL2=0.6QL=225 g/m。裝藥長度 1 m,則需總藥量:Q預(yù)頂=225 g。

(6)底部裝藥量 Q預(yù)底。為了克服炮孔底部巖石的夾制作用,使開挖巖體與保留巖體分離開來,確保預(yù)裂縫到底,預(yù)裂孔底部裝藥量應(yīng)適當(dāng)增大。炸藥增量應(yīng)均勻分布在孔底 0.5～2 m的長度上。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),在 8～14 m的深孔中,當(dāng)巖石較破碎時(shí)(普氏堅(jiān)固性系數(shù) f＜8),裝藥量增加 2倍。所以QL1=2QL=750 g/m。由于本工程預(yù)裂孔較深,則取底部加強(qiáng)裝藥量在 0.8 m的范圍內(nèi),則需底部裝藥量為:Q預(yù)底=600 g。

(7)中部裝藥量 Q預(yù)中。中間部分長度為10.28-1-0.8-0.88=7.6 m。炸藥按平均線密度375 g/m布置,則中部裝藥量為:Q預(yù)中=7.6×0.375=2.85 kg。

綜上所述,單孔總裝藥量為:Q預(yù)總=0.225+0.6+2.85=3.675 kg。

(8)填塞長度及填塞方式。此工程巖石較完整,孔口填塞長度取為 0.88 m。填塞方式用泥土填入孔內(nèi),稍加搗實(shí)即可。

(9)裝藥結(jié)構(gòu)。在與孔深長度相適合的竹片上標(biāo)定裝藥的位置,然后在竹片上依照標(biāo)定的位置采用麻繩將藥卷及導(dǎo)爆索固定在竹片上,并使導(dǎo)爆索貫穿整個(gè)裝藥卷,再使導(dǎo)爆管雷管連接導(dǎo)爆索。

2.2.2 掏槽爆破設(shè)計(jì)

由于在起始開挖段只有 1個(gè)向上的臨空面,則在基坑中段斷面采用小規(guī)模、強(qiáng)覆蓋防護(hù)、深孔 V型掏槽形式的爆破,沿基坑南北方向,形成側(cè)向臨空面,從而對后續(xù)爆破的實(shí)施提供有利的條件。由于環(huán)境條件限制,爆破開挖采用臺(tái)階爆破,所以 V型掏槽爆破也分兩層爆破,各層爆破深度隨臺(tái)階爆破深度而定。

(1)掏槽孔參數(shù)。根據(jù)類似工程經(jīng)驗(yàn),選取 80 mm孔徑。按經(jīng)驗(yàn)公式,最小抵抗線 W=則 W=31D=2.48 m,取 W=2.5 m?？拙?a和排距 b經(jīng)驗(yàn)公式為:a=mW,b=(0.5～1)W,式中:m為炮孔密集系數(shù),取為 1.2。則:a=3 m,b=2.5 m。超深計(jì)算公式為:取:L超=12.5D=1 m。孔深按公式 L=H/sinθ+h計(jì)算,則第一層掏槽孔 L=5/sin75°+1=6.17 m,第二層掏槽孔 L=4/sin75°+1=5.14 m。

根據(jù)巖石堅(jiān)固系數(shù)、地質(zhì)情況和周邊特殊環(huán)境,掏槽孔的炸藥單耗取 q=0.43 kg/m3。單孔藥量 Q計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式為:Q=qaWH,則第一層掏槽孔 Q=16.125 kg,第二層掏槽孔 Q=12.9 kg。

在臺(tái)階爆破中,裝藥長度 L1由下式確定:

式中:Q為單孔裝藥量,kg;d為裝藥直徑,m;ρ0為裝藥密度,kg/m3。裝藥直徑為 0.075 m,對于 2號巖石硝銨炸藥,可取ρ0=0.95 kg/m3,則第一層掏槽孔L1=3.84 m,第二層掏槽孔 L1=3.07 m。

填塞長度一般為炮孔直徑的 15～30倍,即1.2～2.4 m。由下式確定:L2=L-L1,式中:L2為炮孔填塞長度,L為炮孔深度,L1為裝藥長度。則第一層掏槽孔 L2=2.33 m,第二層掏槽孔 L2=2.07 m。

(2)炮孔布置和裝藥結(jié)構(gòu)。為施工方便且根據(jù)孔深及藥卷長度,采用連續(xù)裝藥的形式。將裝藥固定在鐵絲上,并使導(dǎo)爆索貫穿整個(gè)裝藥,再使導(dǎo)爆管雷管連接導(dǎo)爆索。掏槽孔沿基坑中心線兩側(cè)布置排距為 2.5 m,傾斜角度為 75°。

2.2.3 基坑開挖爆破設(shè)計(jì)

掏槽爆破完成后,創(chuàng)造了側(cè)向臨空面,后續(xù)基坑開挖采用臺(tái)階爆破法,第一層爆破開挖 5 m,第二層爆破開挖 4 m。為方便起見,主爆孔爆破,采用垂直打孔。

(1)開挖爆破主爆孔參數(shù)。鉆孔孔徑 D同上選用 80 mm孔徑。由于第一次爆破形成的側(cè)向臨空面,在后續(xù)爆破打孔時(shí),應(yīng)考慮到鉆孔的安全距離,即通常要≥2.5 m。本工程取最小抵抗線 W=2.5 m。在露天臺(tái)階深孔爆破中,炮孔密集系數(shù) m(m=a/W)通常大于 1.0,一般取 m=1.0～1.4。在本工程中取孔距 a=3 m,,排距 b=W=2.5 m。超深 L超=1 m。

孔深 L=H+L超,式中,L為開挖爆破深度,m;H為臺(tái)階高度,m;L超為超深,m。則第一層主爆孔L=6 m,第二層主爆孔 L=5 m。

掏槽爆破后形成了新的自由面,為開挖爆破降低了難度,裝藥量應(yīng)適當(dāng)減小,考慮到地質(zhì)影響和環(huán)境條件,結(jié)合工程要求,炸藥單耗 q取 0.35 kg/m3。第一層主爆孔單孔藥量 Q=qaWH=13.125 kg,第二層主爆孔 Q=10.5 kg。裝藥直徑為 0.07 m,則第一層主爆孔裝藥長度 L1=4Q/3.14d2ρ0=3.6 m,第二層主爆孔裝藥長度 L1=2.9 m。填塞長度 L2=LL1,則第一層主爆孔填塞長度 L2=2.4 m,第二層主爆孔 L2=2.1 m。

(2)開挖爆破輔助孔參數(shù)。由于輔助孔的孔深均在 5 m以下,可考慮使用淺孔松散爆破,兩層開挖爆破輔助孔參數(shù)相同。鉆孔孔徑 D選用 60 mm。最小抵抗線W取 2.5 m?？拙?a和排距 b同主爆孔,取 a=3 m,b=2.5 m。

松散爆破時(shí),按照微量裝藥計(jì)算,單孔藥量 Q=0.35AW3,式中:A為土石抗力系數(shù),根據(jù)其地質(zhì)情況取 A=1.10。則:Q=2.4 kg。輔助孔孔深 L為 4.5 m,裝藥長度 L1與單孔藥量、裝藥方式、孔深有關(guān),一般L12/3L。取L1=2 m。為了避免產(chǎn)生沖炮,應(yīng)使填塞長度 L2≥W,取 L2=2.5 m。

(3)裝藥結(jié)構(gòu)?？紤]孔深及藥卷長度,采用連續(xù)裝藥的結(jié)構(gòu)形式,將裝藥固定在鐵絲上,并使導(dǎo)爆索貫穿整個(gè)裝藥,再使導(dǎo)爆管雷管連接導(dǎo)爆索。

(4)開挖爆破方法。為加快施工進(jìn)度,充分合理利用資源,本工程采用單循環(huán)作業(yè)法。掏槽爆破完成后,分 2個(gè)作業(yè)區(qū)由中間向南北兩端同時(shí)作業(yè)。每個(gè)作業(yè)區(qū)分為 2個(gè)作業(yè)面,兩作業(yè)面同時(shí)起爆,每區(qū)每次爆破 2排。主爆孔和輔助孔的炮孔布置見圖4。

圖4 炮孔布置形式

3 起爆網(wǎng)路設(shè)計(jì)

對邊坡的預(yù)裂爆破采用分段微差起爆,對主爆區(qū)的起爆則采用孔內(nèi)孔外延期分段微差起爆,提高爆破質(zhì)量,確保爆破安全。

3.1 起爆方法及延時(shí)時(shí)間的確定

為確保施工安全,整個(gè)系統(tǒng)采用孔內(nèi)使用導(dǎo)爆索引爆主裝藥,塑料導(dǎo)爆管進(jìn)行延期依次引爆導(dǎo)爆索,起爆站用電雷管起爆。為使巖石充分破碎,大塊率降低,并有效控制爆破震動(dòng)強(qiáng)度,減少對未爆巖體的破壞作用,本工程采用分段延時(shí)起爆、段間微差的起爆技術(shù)。

微差間隔時(shí)間根據(jù)公式:

式中:W0為底盤抵抗線,m;f為礦巖的普氏系數(shù);k為巖石裂隙系數(shù),對于中等裂隙巖石 k=0.75。

則:Δt=0.75×2.5×(24-8)=30 ms,考慮到現(xiàn)有爆破器材,本工程取Δt=25 ms。

3.2 起爆順序及起爆網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

由于周圍環(huán)境復(fù)雜,必須控制一次起爆藥量,因此采用分段起爆。起爆網(wǎng)路的具體做法是:每孔采用 1發(fā)導(dǎo)爆管雷管,導(dǎo)爆管雷管連接孔內(nèi)的導(dǎo)爆索從而引爆裝藥。爆破時(shí)按照工程進(jìn)度要求,先進(jìn)行預(yù)裂爆破,然后進(jìn)行掏槽爆破,最后采用單循環(huán)作業(yè)法分區(qū)進(jìn)行開挖爆破。每次爆破時(shí),相鄰兩段數(shù)之間的間隔時(shí)間為 25 ms,為了避免在爆破過程中出現(xiàn)導(dǎo)爆管被沖斷而使某些炮孔不能起爆的事故,采取孔內(nèi)孔外延期的措施。

4 結(jié) 論

本工程邊坡采用預(yù)裂爆破,使基坑邊線上形成一條貫穿的裂縫,有效地保護(hù)基坑邊坡的穩(wěn)定,并有效降低爆破振動(dòng)向基坑外側(cè)巖體的傳播。在基坑中段斷面,采用深孔 V型掏槽爆破,形成側(cè)向臨空面,從而對后續(xù)爆破的實(shí)施提供有利的條件。之后采用臺(tái)階法分兩層爆破開挖,分 2個(gè)作業(yè)區(qū)由中間向南北兩端同時(shí)作業(yè)。為加快施工進(jìn)度,充分合理利用人力和機(jī)械資源,采用了單循環(huán)作業(yè)法作業(yè),工程在1個(gè)月內(nèi)安全、順利完成。

方案對地震波、飛石、沖擊波的安全距離進(jìn)行了計(jì)算,通過嚴(yán)格控制單孔藥量,爆破時(shí)確保了人員和周圍建筑的安全,保證了山體的穩(wěn)定,達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

[1] 張應(yīng)力.工程爆破實(shí)用技術(shù) [M].北京:冶金工業(yè)出版社,2005.

[2] GB 6722-2003.爆破安全規(guī)程[S].

2011-06-26)