精細(xì)爆破技術(shù)探討與應(yīng)用研究

王明新，劉治峰，張學(xué)東，李益銘

(1.新興鑄管股份公司，河北邯鄲056038;2.河北省水利廳工程局，河北石家莊050021;3.河北工程大學(xué) 土木學(xué)院，河北 邯鄲056038)

近年來，在大型病險水庫的除險加固施工中，涉及到溢洪道開挖、爆破石渣綜合利用填筑壩體、高邊坡穩(wěn)定、閘室快速安全拆除、周邊環(huán)境復(fù)雜等問題，對爆破開挖提出了極高的技術(shù)要求，必須采用控制爆破技術(shù)，正確的進(jìn)行爆破方案設(shè)計，合理選擇爆破參數(shù)，嚴(yán)格過程管理，加強科學(xué)的監(jiān)測與評估，將爆破作業(yè)全過程進(jìn)行精細(xì)化管理與控制。本文以河北省某水庫除險加固爆破施工為例，淺談“精細(xì)爆破”的理念與技術(shù)體系。

1 工程概況

此水庫位于河北省保定市曲陽縣境內(nèi)大清河南支沙河上游，控制流域面積3 770 km2，水庫總庫容13.89億m3。除險加固的主要工程項目有:溢洪道擴挖、原溢洪道閘室拆除、攔河壩加高培厚堆石填筑。下游壩坡加高培厚的填筑石料取自溢洪道擴挖的弱風(fēng)化巖石，將工程開挖與石料開采相結(jié)合，節(jié)約生產(chǎn)成本，加快工程進(jìn)度，有利于自然環(huán)境保護。此水庫大壩因其防洪護壩的要求低、攔河壩下游的坡度過陡、水庫設(shè)備老化等被確定為“三類壩”，現(xiàn)必須對其拆除與加固。

2 石方開挖爆破塊度分布預(yù)報系統(tǒng)的建立

2.1 塊度分布預(yù)報系統(tǒng)建立的必要性

此水庫大壩下游坡堆石填筑全長1 281 m，最大填筑寬度32.0 m，填筑石料要求采用溢洪道擴挖的弱風(fēng)化及以下爆破石碴，全、強風(fēng)化石料不允許上壩。設(shè)計要求填筑石料有較好的級配，最大塊徑不大于0.8 m，土、石粉等粒徑小于0.1 mm的顆粒含量不超過5%，填筑體碾壓后堆石孔隙率小于25%，干容重應(yīng)不小于20 kN/m3。且石碴應(yīng)有連續(xù)級配，以利于振動壓實，減小后期沉降量。按設(shè)計要求，不能滿足填筑要求的爆破石渣將被作為棄料。這樣，若不能很好控制溢洪道開挖石渣塊度及級配，將造成棄料增多，甚至造成填筑料不足問題。若采取對不合格石渣二次處理或外購石渣措施滿足大壩填筑需要的話，工程成本勢必成倍上升。這就促使我們在溢洪道擴挖爆破施工中建立塊度分布預(yù)報系統(tǒng)，滿足工程建設(shè)需要。

2.2 溢洪道擴挖爆破塊度分布預(yù)報系統(tǒng)的建立

2.2.1 爆破塊度分布模型的選取

結(jié)合現(xiàn)場實際條件，采用Kuz－Ram模型預(yù)估爆破堆石料塊度分布。

Kuz－Ram模型是南非人C.Cunningham在蘇聯(lián)人V.E.Kuznetsov研究的基礎(chǔ)上提出的。V.E.Kuznetsov提出了表達(dá)爆破平均塊度X與爆破能量和巖石特性的經(jīng)驗方程(式1)，C.Cunningham認(rèn)為爆破塊度分布服從Rosin－Rammler(R－R)分布函數(shù)(式2)，R－R分布函數(shù)由下式表達(dá)，它包含石料特征尺寸x0和塊度分布不均勻指數(shù)n兩個變量，Kuz－Ram模型給出的n值算法(式3)。

式中，X為平均粒徑，即篩余累積為50%的塊度尺寸，單位:cm;A0為巖石系數(shù)，中硬巖石取A0=10，堅硬巖石，節(jié)理不發(fā)育巖石取A0=14;q為炸藥單耗藥量，單位:kg/m3;Q為單孔裝藥量，單位:kg;E為炸藥相對威力，TNT炸藥取E=120，2#巖石銨銻炸藥取E=110，銨油炸藥取E=85;R為小于某一粒徑的百分比;x為石料粒徑;x0為特征粒徑，即篩余累積率為63.21%的塊度尺寸，單位:cm;n為塊度均勻性系數(shù);W為最小抵抗線，單位:m;d為炮孔直徑，單位:mm;e為鉆孔精度標(biāo)準(zhǔn)差，單位:m;m為間距系數(shù)，m=a/W，a為孔距;L為為不計超鉆部分的裝藥長度;H為爆破梯段高度，單位:m。

由公式可知，在所有影響爆破石渣塊度分布的因素中，炮孔直徑d，臺階高度H，一經(jīng)確定，變化不大，影響不均勻性系數(shù)的因素主要包括炸藥單耗q，最小抵抗線W，間距系數(shù)m，鉆孔精度e，和裝藥量長度L。

2.2.2 Kuz－ Ram 模型的修正系數(shù)

修正后的Kuz－Ram模型為:

爆破試驗或?qū)嶋H生產(chǎn)中進(jìn)行的石料篩分試驗可以得到兩個參數(shù)即:篩余為50%的顆粒粒徑d50和篩分曲線中由d50推算出的實際塊度分布均勻性指標(biāo)n。，這兩個參數(shù)就是現(xiàn)場實測的X和n，則有平均塊度和塊度均勻性指標(biāo)修正系數(shù):

2.2.3 爆破塊度現(xiàn)場篩分資料統(tǒng)計

在溢洪道進(jìn)行爆破試驗后，取樣進(jìn)行了爆破石料的篩分實驗，結(jié)果見表1。

根據(jù)篩分試驗數(shù)據(jù)繪制的爆破塊度分布曲線(圖1)。曲線中篩分1、篩分2、篩分3分別為爆破試驗中的實際塊度分布曲線，由圖中可以查出d50，并計算出不均勻系數(shù)Cu、曲率系數(shù)Cc和塊度不均勻系數(shù)n0(見表2)，三組篩分結(jié)果不均勻系數(shù)Cu＞5，曲率系數(shù)Cc在1～3之間，級配良好，爆破石料滿足堆石填筑工程要求。由d60、d30、d10，可以得到級配曲線的不均勻系數(shù)Cu=d60/d10和曲率系數(shù)Cc=d30/d60×d10。

表1溢洪道爆破石料篩分統(tǒng)計Tab.1 Spillway blasting stone screening statistics

表2溢洪道爆破石料塊度及塊度分布情況Tab.2 Spillway blasting stone fragmentation and fragmentation distribution

2.2.4 試驗所得參數(shù)修正后的Kuz－Ram模型

此水庫溢洪道進(jìn)行的堆石料開采爆破試驗所得的Cu和Cc顯示爆破塊度滿足優(yōu)良級配的范圍，平均塊度d50和不均勻性指標(biāo)n0取三組篩分結(jié)果的平均值，d50=26.22 cm，n0=0.99，將其與計算的平均塊度和塊度分布不均勻性指標(biāo)進(jìn)行比較，作為確定K1和K2計算的依據(jù)。根據(jù)式7、8分別計算修正系數(shù)K1、K2:

修正后的爆破塊度預(yù)報模型見式9、10、11:從圖1可以看出，修正后的Kuz－Ram模型預(yù)估爆破塊度曲線篩余在20～80%的范圍內(nèi)與現(xiàn)場篩分結(jié)果是基本吻合的，Cu=8.63，Cc=1.3，預(yù)估塊度在優(yōu)良級配范圍內(nèi)。

2.3 利用塊度分布預(yù)報系統(tǒng)對設(shè)計參數(shù)的調(diào)整

2.3.1 需調(diào)整的設(shè)計參數(shù)

根據(jù)塊度分布模型可知，在巖石開采試驗中，大于800 mm的顆粒(石塊)含量約為10%，爆破試驗梯段高度為7.5 m，由于受溢洪道邊坡設(shè)計馬道影響，梯段高度多為10～15m，在單耗不變的情況下，單孔裝藥量將增加至53～79 kg，是試驗裝藥量的1.5～2倍，用爆破塊度分布模型預(yù)測，大于800 mm的顆粒(石塊)含量約為18% ～23%，即將有18%～23%的爆破堆石因粒徑過大而作為棄料。

2.3.2 設(shè)計參數(shù)調(diào)整的分析方法

在礦山石料開采中，為充分利用料場石料，一般控制允許大塊率為3%，則X97可表示為:

為降低X97，可以采用降低爆破塊度X和增加不均勻性指標(biāo)n的方法，由前面計算知道，n值變化范圍小(在1附近)，X變化范圍大，X與X97是線性函數(shù)，而n與X97是冪函數(shù)，X變化對X97的影響比n快速;由式(10)知，增加單耗q和調(diào)整單孔裝藥量Q可以降低爆破塊度X;由式(11)知，為增加不均勻性指標(biāo)n，可以采用增加L、m、d和降低H、W等方法，H和d受爆破區(qū)開挖尺寸和鉆孔設(shè)備的制約，不易變化;增加L和調(diào)整Q表明，采用間隔裝藥、不耦合裝藥或炸藥上面加空氣柱等可以降低X97。按上述方法，為有效降低大塊率，控制大于800 mm的顆粒(石塊)含量不宜超過15%

3 溢洪道原閘室爆破拆除

3.1 原閘室概況

此水庫溢洪道原閘室由高堰、低堰及底孔三部分組成，最大泄洪能力為14 636 m3/s。溢洪道原閘室平面圖見圖3。

3.2 拆除工程的特點和要求

(1)閘墩形狀特殊，上小下大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

(2)閘墩四周自上而下密布一層鋼筋網(wǎng)。

(3)墩體中有方形窗、氣孔、閘門槽等結(jié)構(gòu)物。

3.3 安全防護

為嚴(yán)格控制個別爆破飛石逸出，確保閘室上游100余米處11萬伏高壓線的安全，對閘墩爆破體上游進(jìn)行Ⅰ級防護，采用兩層草簾、一層尼龍網(wǎng)防護，從墩頂垂到墩底。閘墩與橋面炮孔上表面均進(jìn)行覆蓋。

4 結(jié)論

因爆破拆除方案設(shè)計合理、參數(shù)選擇正確、防護與預(yù)處理措施得當(dāng)，溢洪道復(fù)雜結(jié)構(gòu)的閘室得以快速安全順利地拆除。周圍水工建筑物和高壓線均安然無恙。

［1］Cunningham.預(yù)估爆破破碎的Kuz－ram 模型［C］.長沙巖石力學(xué)技術(shù)公司編譯.//第一屆爆破破巖國際會議論文集.

［2］劉治峰，張戈平.大型病險水庫除險加固控制爆破技術(shù)［M］.北京:中國水利水電出版社，2011.

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［4］胡子建，周勇，朱建群，等.隧道開挖過程中軟弱圍巖的爆破技術(shù)研究［J］.河北工程大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2012，29(3):73 －76.

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［6］馮海暴，郭明章，鄒崇焰.破碎圍巖半裸露型隧道洞口進(jìn)洞方法探討［J］.河北工程大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2010，27(1):85 －87.