塘壩邊坡開挖中的爆破設(shè)計(jì)與施工

李 冰，吳文凱，邱艷茹，任思遠(yuǎn)

（北京金河水務(wù)建設(shè)集團(tuán)有限公司，102206，北京）

一、工程概況

2022年冬奧會(huì)延慶賽區(qū)A部分場(chǎng)館配套基礎(chǔ)設(shè)施——造雪引水系統(tǒng)工程施工項(xiàng)目位于北京市延慶區(qū)張山營鎮(zhèn)小海坨山地區(qū)，在海拔1 050 m佛峪口溝上修建，用于調(diào)蓄通過管廊輸送到賽區(qū)的造雪用水，是冬奧會(huì)供水的主干建筑之一，主要擋水建筑物為重力壩，等級(jí)為3級(jí)。1 050 m高程塘壩位于兩座山“V”形溝谷之間，兩座山分別是左右壩肩的位置。兩岸山體巖性以燕山晚期侵入花崗巖為主，粒狀結(jié)構(gòu)、塊狀構(gòu)造，根據(jù)顆粒結(jié)構(gòu)不同及礦物成分不同，又可細(xì)分為花崗斑巖、中細(xì)粒花崗巖、細(xì)?；◢弾r、二長花崗巖等。

二、爆破方法選擇

根據(jù)塘壩地質(zhì)情況，塘壩邊坡主要為花崗巖，又由于工期緊迫，故采用爆破形式進(jìn)行開挖。

1 050 m塘壩左右壩肩從上到下分4步臺(tái)階逐步爆破，最后進(jìn)行壩基爆破。左右壩肩采用同步鉆孔、相繼爆破、同步清渣的施工工序。

開挖輪廓面采用預(yù)裂爆破，預(yù)裂孔鉆在輪廓面上，孔徑90 mm，孔深約13.5 m，鉆孔方向與設(shè)計(jì)方向一致，超出建基面以下0.5 m。巖體爆破采用深孔梯段爆破，孔徑90 mm，孔間距3.0 m，排間距 2.0 m，孔深約 10 m，鉆孔方向與設(shè)計(jì)方向一致，預(yù)留3 m厚保護(hù)層。保護(hù)層爆破采用淺孔爆破，鉆孔采用YT—28手風(fēng)鉆鉆孔，孔徑50 mm，孔間距 1.0 m，排間距 0.8 m，孔深約2.8 m，鉆孔方向與設(shè)計(jì)方向一致。保護(hù)層爆破完成后，留出0.2 m厚的巖體，人工清理。1 050 m塘壩爆破斷面見圖1。

三、爆破設(shè)計(jì)

1.預(yù)裂爆破設(shè)計(jì)

預(yù)裂爆破是在沿開挖邊界布置密集炮孔，采取不耦合裝藥或裝填低威力炸藥，在主爆區(qū)之前起爆，從而在主爆區(qū)與保留區(qū)之間形成預(yù)裂縫，以減弱主爆區(qū)爆破對(duì)保留巖體的破壞并形成平整輪廓的爆破作業(yè)。由于受現(xiàn)場(chǎng)施工條件的影響，現(xiàn)場(chǎng)鉆孔采用三腳架鉆機(jī)和履帶式潛孔鉆機(jī)相結(jié)合的方式。

①炮孔直徑確定。根據(jù)設(shè)計(jì)文件，炮孔直徑不宜大于100 mm，因此選取炮孔直徑為90 mm。

②炮孔間距選擇。炮孔間距宜為孔徑的8～12倍，堅(jiān)硬巖石取小值。此次爆破石體以花崗巖為主，屬于堅(jiān)硬巖體，故孔間距取10倍的孔徑，孔間距為900 mm。

③孔深選擇。炮孔深度根據(jù)《土方與爆破工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》確定的公式：

式中，L為炮孔深度（m），α為邊坡坡度角即鉆孔角度（取值 73.29°），H為臺(tái)階高度 （取值12 m），h為炮孔超深 （取值 0.5m）。L=（12+0.5）/sin73.29＝13.05 m。

④鉆孔傾斜度。傾斜度與設(shè)計(jì)邊坡的傾斜度相同，放坡比1∶0.3，坡度73.29°

⑤平均線裝藥密度。線裝藥密度是爆破的最關(guān)鍵因素，合理的線裝藥密度不僅可以保證預(yù)裂縫的貫通，而且使邊坡達(dá)到穩(wěn)定、平整、光滑美觀的要求。線裝藥密度根據(jù)《土方與爆破工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》確定的公式：

式中，q為平均線裝藥密度（g/m），k為預(yù)裂爆破單位面積巖石炸藥消耗量（取值300 g/m2），a為爆破孔距 （取值0.9 m）。q＝300×0.9＝270 g/m。爆破施工時(shí)，通過試驗(yàn)對(duì)平均線裝藥密度進(jìn)行調(diào)整。

⑥單孔裝藥量。單孔裝藥量根據(jù)以下公式進(jìn)行計(jì)算：

式中，Q為單孔裝藥量 （kg），q為平均線裝藥密度（取值0.27 kg/m），L為孔深（取值 13.05 m）。Q=0.27×13.05=3.523 kg。

⑦不耦合系數(shù)。根據(jù)《水電工程施工實(shí)用手冊(cè)》的公式計(jì)算：

式中，E為不耦合系數(shù)，d為采用藥卷（取值32 mm乳化炸藥），D為鉆孔直徑（取值 90 mm）。E=90/32＝2.81。

⑧爆破炮孔堵塞長度。爆破炮孔堵塞長度l=1.1a，代入l=1.1×0.9=0.99 m。裝藥時(shí)距孔口0.99 m的深度不用裝藥，可用粗砂填塞，不必?fù)v實(shí)。填塞段過短容易形成漏斗，過長則不能形成裂縫。

⑨藥包結(jié)構(gòu)形式。藥包采用將藥分散綁扎在傳爆線上，考慮到孔底的挾制作用較大，底部藥包應(yīng)加強(qiáng)，約為線裝藥密度的2倍。

圖1 1 050 m塘壩爆破斷面圖

2.深孔梯段爆破設(shè)計(jì)

深孔梯段爆破用于主巖體爆破。

①炮孔直徑。根據(jù)設(shè)計(jì)文件要求，選取炮孔直徑為90 mm。

②孔間距和排間距。按照大間距、小排距要求，孔間距為 3.0 m，排間距為2.0 m。

③鉆孔深度。根據(jù)施工圖，爆破垂直深度為12～13 m，預(yù)留3 m厚保護(hù)層，鉆孔深度為9.48～10.52 m。

④單孔裝藥量。單孔裝藥量按《工程爆破實(shí)用手冊(cè)》確定的公式計(jì)算：

式中，Q為單孔裝藥量（kg），k為前排巖石阻力作用的增加系數(shù) （一般取1.1），q為炸藥單耗（取值 0.5 kg/m3），a為爆破孔距（取值3.0 m），b為排間距（取值2.0 m），h為爆破層厚度 （取值10 m）。Q=1.1×0.5×3×2×9.48=31.28 kg。

⑤爆破炮孔堵塞長度。爆破炮孔堵塞長度l=1.1a，代入l=1.1×3.0=3.3 m。裝藥時(shí)距孔口3.3 m的深度不用裝藥，可用粗砂填塞，不必?fù)v實(shí)。

3.淺孔爆破設(shè)計(jì)

淺孔爆破用于保護(hù)層爆破。每一梯段的預(yù)裂爆破和梯段爆破完成后，再進(jìn)行保護(hù)層爆破,保護(hù)層厚3.0 m。

①炮孔直徑。選取炮孔直徑為50 mm。

②孔間距和排間距?？组g距為1.0 m，排間距為0.8 m。

③保護(hù)層鉆孔深度。建基面上部預(yù)留20 cm石體，人工清理，所以保護(hù)層鉆孔深度為2.8 m。

④單孔裝藥量。單孔裝藥量按《工程爆破實(shí)用手冊(cè)》確定的公式計(jì)算：

式中，Q為單孔裝藥量（kg），k為前排巖石阻力作用的增加系數(shù)（一般取1.0），q為炸藥單耗（取值0.4 kg/m3），a為爆破孔距（取值1.0 m），b為排間距（取值0.8 m），h為爆破層厚度（取值 2.8 m）。Q=1.0×0.4×1.0×0.8×2.8=0.896 kg。

⑤爆破炮孔堵塞長度。爆破炮孔堵塞長度l=1.1a，代入l=1.1×1.0=1.1m。

4.起爆網(wǎng)路設(shè)計(jì)

1 050 m塘壩屬于露天石方爆破，采用數(shù)碼電子雷管組成起爆網(wǎng)絡(luò)，充分利用了電子雷管發(fā)火延時(shí)精度高，準(zhǔn)確可靠，有利于控制爆破效應(yīng)，改善爆破效果的特點(diǎn)。而且可單個(gè)雷管設(shè)置，孔間距延期時(shí)間選用5ms，排間距延期時(shí)間選用 5～150 ms，以有效降低爆破震動(dòng)的影響。起爆方式采用導(dǎo)爆索起爆。起爆網(wǎng)路如圖2所示。

圖2 起爆網(wǎng)路圖

5.爆破安全設(shè)計(jì)

①爆破地震安全距離計(jì)算。根據(jù)《水電工程施工實(shí)用手冊(cè)》確定的公式：

式中，R為爆破地震安全距離（m）；Q為炸藥量 （取值300 kg）；V為地震安全速度，土窯洞、土坯房、毛石房屋取1.0 cm/s，一般磚房、非抗震的大型砌塊建筑物，取2.0 cm/s；m為藥量指數(shù)（取值 1/3）；K，a為與爆破地點(diǎn)地形、地質(zhì)等條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)，其中K取 200，a取 2.0。R=（200/2）1/2×3001/3＝65.6 m。

為安全起見，在每次爆破之前，將本次的爆破地點(diǎn)、開始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間和應(yīng)采取的防范措施，都書面通知給周邊相關(guān)單位。

②爆破飛石控制。爆破飛石是指那些脫離主爆堆而飛離較遠(yuǎn)的石塊。由于造成個(gè)別飛石的原因很多，情況也比較復(fù)雜，因此具體每一次爆破作業(yè)飛石安全距離的確定應(yīng)視其爆破條件、周圍環(huán)境等因素，類比相似工程，綜合考慮。

四、主要施工方法

1.施工工序

1 050 m塘壩爆破施工工序：孔位放樣→布孔鉆孔→裝藥和堵塞→警戒→起爆網(wǎng)絡(luò)連接→網(wǎng)絡(luò)起爆→處理盲炮→解除警戒信號(hào)。

2.孔位放樣

孔位、角度、深度、孔徑按照設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行，鉆孔孔位偏差不大于10 cm，孔深偏差不大于5 cm。

3.布孔和鉆孔

預(yù)裂爆破和深孔梯段爆破的鉆孔屬于深孔鉆孔，保護(hù)層爆破的鉆孔屬于淺孔鉆孔。深孔采用履帶式QZJ—100B型鉆孔機(jī)，淺孔采用氣腳式手風(fēng)鉆。鉆孔操作如下：

①鉆孔前，對(duì)鉆孔機(jī)進(jìn)行檢查，保證與鉆機(jī)連接的空氣壓縮機(jī)、液壓系統(tǒng)、油泵等正常，鉆頭直徑符合孔徑要求。淺孔鉆孔前操作人員需穿戴護(hù)目鏡，防止碎石入眼。

②鉆頭對(duì)準(zhǔn)放樣好的點(diǎn)位，開始鉆孔。鉆孔時(shí)要根據(jù)參數(shù)要求，確?？孜弧⒎较?、傾斜角符合設(shè)計(jì)要求。

③對(duì)于完整巖面，鉆孔剛開始應(yīng)先吹凈浮渣，給小風(fēng)不加壓，慢慢沖擊巖面。當(dāng)鉆頭進(jìn)孔后，逐漸加大風(fēng)量至全風(fēng)全壓，進(jìn)入快速鑿巖狀態(tài)。

④對(duì)于有風(fēng)化的碎石層，鉆孔時(shí)鉆桿要平移，勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，減少震動(dòng)，以免孔邊碎石落入孔中，造成卡孔。

⑤如遇到卡孔，不可讓鉆桿強(qiáng)行轉(zhuǎn)動(dòng)，以免鉆桿斷桿?？蛇M(jìn)行停鉆或倒轉(zhuǎn)，將鉆桿緩緩拔出，然后將鉆桿放入孔中，重新慢速起鉆，解除障礙后恢復(fù)至正常鉆速。

⑥每孔鉆完后，首先將巖石粉吹干凈，然后從孔中把鉆桿提升到孔口，這時(shí)不要移動(dòng)鉆機(jī)，以防孔深不夠時(shí)可以繼續(xù)在原孔中加深鉆孔。

⑦鉆孔完成，初步驗(yàn)收合格后，需對(duì)孔口加蓋密封，并做好標(biāo)記，防止雜物碎石掉入孔中。

4.裝藥和堵塞

裝藥之前測(cè)量孔深，對(duì)過淺和過深的炮孔要調(diào)整裝藥量。孔中水應(yīng)盡量排除干凈。裝藥時(shí)用炮棍緩緩將藥卷送入炮孔底部，不得用力過猛，防止藥卷變形而卡在炮孔中，造成裝藥量不足或藥包位置偏差?；靥疃氯牟牧弦诉x取一定濕度的黏土。

5.起爆網(wǎng)絡(luò)連接

在進(jìn)行起爆網(wǎng)絡(luò)連接時(shí)，由專業(yè)爆破人員擔(dān)任，實(shí)行雙人同時(shí)在崗制度。在現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員的指導(dǎo)下，根據(jù)爆破設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)連接，采用數(shù)碼電子雷管起爆網(wǎng)絡(luò)。

6.網(wǎng)絡(luò)起爆

起爆前必須仔細(xì)檢查各段導(dǎo)爆索和導(dǎo)爆管的外觀是否在敷設(shè)過程中受到損壞，接頭是否符合規(guī)定。爆破工作開始前必須確定危險(xiǎn)區(qū)邊界，并設(shè)置明顯的標(biāo)志。起爆前，必須發(fā)出音響和視覺信號(hào)，使危險(xiǎn)區(qū)內(nèi)人員都能清楚地聽到或看到。檢查無誤且起爆信號(hào)發(fā)出后，在爆破組長下達(dá)準(zhǔn)備起爆命令后，才準(zhǔn)連接主起爆線上的起爆雷管。

五、結(jié) 語

本工程主要采取預(yù)裂爆破的方式，通過深孔爆破、淺孔爆破的有效結(jié)合，在保證開挖質(zhì)量的前提下，合理安排施工順序，加快了施工進(jìn)度，提高了開挖效率，降低了施工成本，最終比預(yù)計(jì)提前半個(gè)月的工期完成爆破開挖任務(wù)。