大規(guī)模巖土爆破工程施工技術(shù)

丁銀貴，孫鈺杰

(1.宏大爆破有限公司，廣州 510623；2.大昌建設(shè)集團(tuán)有限公司，浙江 舟山 316000)

1 工程概況

舟山綠色石化基地位于浙江省舟山市岱山縣大小魚山島圍墾區(qū)，是國家石油化工“十三五”規(guī)劃重點項目，是中國(浙江舟山)自由貿(mào)易試驗區(qū)建設(shè)的引擎，是舟山江海聯(lián)運服務(wù)中心發(fā)展的核心，總體規(guī)劃分近、中、遠(yuǎn)三期，規(guī)劃面積約41 km2[1](見圖1)。舟山綠色石化基地8 000萬方巖土爆破工程是石化基地的先鋒工程，開采石料主要為陸域形成、海堤填筑及水下拋石等工程提供建設(shè)需求，總工期39個月，分2期施工，一期工程由10個相對獨立的開采區(qū)組成，2015年9月15日開工，2017年5月10日竣工，完成工程量3 300萬方；二期工程由7個相對獨立的開采區(qū)組成，2017年5月1日開工，2018年12月30日竣工，完成工程量4 700萬方。

圖1 舟山綠色石化基地總體規(guī)劃Fig.1 Zhoushan green petrochemical base master plan

1.1 工程地質(zhì)與水文情況

圍墾區(qū)為發(fā)育單一的火山碎屑巖，巖性為流紋質(zhì)含角礫玻屑熔結(jié)凝灰?guī)r，呈青灰色，塑變結(jié)構(gòu)，假流動構(gòu)造。巖屑成分主要為含角礫玻屑熔結(jié)凝灰?guī)r、玻屑凝灰?guī)r、英安玢巖、安山巖、粉砂巖、蝕變巖等，含量約在20%～25%之間，粒度一般在5 ～50 mm，個別超過100 mm，多呈棱角狀。巖石天然抗壓強度最低155.0 MPa，最高239 MPa，平均值為195.3 MPa。

區(qū)內(nèi)淡水資源缺乏，地勢總體中間高，四周低。地下水主要有松散巖類孔隙潛水和基巖裂隙潛水。區(qū)內(nèi)松散巖類厚0.30～2.70 m，巖性為含碎石粉質(zhì)黏土，透水性、富水性差，水量貧乏。節(jié)理雖較發(fā)育，但節(jié)理面平直、閉合，水的連通性差。巖石最大風(fēng)化厚度約2.70 m，地下水向下滲透的路徑不長，逕流率較小。

1.2 施工特點

1)工程區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)海洋性氣候，夏季易發(fā)臺風(fēng)暴雨，加上大霧天氣多且海上風(fēng)浪大，給工程進(jìn)度、施工安全和物資保障帶來一定影響。

2)開采石料“一供多需”，且石料級配、強度及含泥量等要求較高，因此石料調(diào)配工作量大，石料質(zhì)量控制難度大。

3)隨著采區(qū)西側(cè)石化廠區(qū)的快速建設(shè)，對爆破振動、個別飛散物及揚塵等有害效應(yīng)控制要求日趨嚴(yán)格，大規(guī)模爆破施工難度大。

2 爆破施工方案

綜合考慮工程特點、施工環(huán)境及工期等因素，確定采用公路開拓運輸系統(tǒng)，自上而下分臺階開采，液壓挖掘機挖裝—自卸汽車運輸—推土機推排的施工工藝。臺階推進(jìn)采用鉆孔爆破法施工，露天深孔臺階采用毫秒延時爆破技術(shù)，距石化裝置區(qū)100 m范圍內(nèi)則采用復(fù)雜環(huán)境深孔爆破及淺孔爆破相結(jié)合的爆破方法。

本工程臺階高13～15 m，最小工作平臺寬40 m，道路平均縱坡為6.0%。以等邊三角形布孔為主，矩形布孔為輔，鉆孔作業(yè)采用高風(fēng)壓潛孔鉆機和液壓鉆機，鉆孔直徑115 mm；爆破施工以逐孔起爆為主，臨近邊坡、建基面等區(qū)域采用特殊爆破技術(shù)。

3 施工關(guān)鍵技術(shù)

在臨近邊坡、建基面、石化裝置等區(qū)域，綜合采用斜線起爆、徑向耦合-不耦合裝藥軸向孔底空氣間隔定向卸壓爆破、預(yù)留孔底保護(hù)層緩沖爆破等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行施工。

3.1 等邊三角形布孔斜線起爆技術(shù)

關(guān)于寬孔距小抵抗線爆破機理[2]，國內(nèi)外有著各種理論和假說，但尚無統(tǒng)一定論。該技術(shù)最早由蘭格福斯.U[3]提出，他認(rèn)為增大炮孔密集系數(shù)m，能夠增加巖石內(nèi)的剪應(yīng)力和拉應(yīng)力，使暴露巖面只能以一個彎曲面向前移動，這樣巖體將在每個炮孔的前方出現(xiàn)更明顯的彎曲，從而改善破碎效果。因此，本工程通過采用等邊三角形布孔斜線起爆技術(shù)，減小抵抗線(排距)，增大實際孔距來增大炮孔密集系數(shù)m。

3.1.1 爆破參數(shù)

等邊三角形布孔斜線起爆技術(shù)爆破參數(shù)如表1所示。

表1 爆破參數(shù)

3.1.2 起爆方式

常規(guī)方式起爆時，炮孔密集系數(shù)m1=a1:b1=1.375，每個炮孔負(fù)擔(dān)面積為S1=22.0 m2；斜線起爆時，炮孔密集系數(shù)m2=a2:b2=3.83，S2=S1=22.0 m2保持不變，炮孔密集系數(shù)提升2.785倍。

本次起爆方式如圖2所示。

注：①～⑩表示起爆順序。圖2 等邊三角形布孔斜線起爆F(xiàn)ig.2 Oblique initiation of the equilateral triangle blasthole layout

3.1.3 爆破效果

采用等邊三角形布孔斜線起爆技術(shù)，前排孔爆破后可以為后排炮孔創(chuàng)造出雙平面的實際自由面，更加有利于巖石之間的擠壓破碎，能夠取得更好的爆破效果。爆堆經(jīng)3D激光掃描分析，斜線起爆比常規(guī)起爆方式大塊率下降了20%～30 %，二次破碎成本明顯降低。

3.2 徑向耦合-不耦合裝藥軸向孔底空氣間隔定向卸壓爆破技術(shù)

該技術(shù)是在炮孔徑向和軸向同時預(yù)留空氣介質(zhì)的一種裝藥爆破技術(shù)，它的實質(zhì)是利用徑向不同的裝藥結(jié)構(gòu)調(diào)整裝藥系數(shù)，以達(dá)到控制爆炸波分布規(guī)律的目的[4]，其爆破參數(shù)如表2所示。

表2 爆破參數(shù)

3.2.1 裝藥結(jié)構(gòu)

徑向耦合-不耦合裝藥是徑向底部耦合裝藥、徑向中上部不耦合裝藥的一種裝藥結(jié)構(gòu)；軸向孔底空氣間隔是指在藥柱下端與孔底之間預(yù)留空氣柱的一種間隔裝藥結(jié)構(gòu)。根據(jù)本工程巖性特點及石料需求單位的粒徑要求，軸向孔底空氣間隔取2.0 m，采用直徑為φ110 mm 的PVC管自制孔底空氣間隔器。孔底空氣間隔器上方采用徑向不耦合裝藥，底部4.0 m采用φ110 mm乳化炸藥丟裝，中間3.0 m采用φ90 mm乳化炸藥吊裝，上部3.0 m采用φ70 mm乳化炸藥吊裝，吊裝完成后藥柱頂部用塑料袋封堵，封堵完成后進(jìn)行炮孔填塞。裝藥結(jié)構(gòu)如圖3所示。實踐證明，這種爆破技術(shù)明顯減少了根底的產(chǎn)生，加強了巖石破碎的效果，降低了爆破后沖作用和爆破振動，保留巖體和建基面損傷小。

圖3 空氣間隔定向卸壓爆破技術(shù)裝藥結(jié)構(gòu)Fig.3 Directional pressure relief blasting technology charge structure

3.2.2 爆破效果

采用徑向耦合-不耦合裝藥軸向孔底空氣間隔定向卸壓爆破技術(shù)，爆破時底部空氣間隔延長了爆破作用時間，從而使巖體更好破碎，大塊率下降了10%～15 %。同時，底部空氣間隔也有一定的卸壓作用，改變了局部沖擊波的分布情況及爆轟氣體強度，對爆炸沖擊波有一定的導(dǎo)向作用，使炮孔底部爆破更完全，根底殘余量更少。

定向卸壓隔振爆破在降低爆破振動方面也有明顯的減振效果，根據(jù)測振統(tǒng)計結(jié)果，爆區(qū)外50 m處測點振速降低15%～25 %。

3.3 預(yù)留孔底保護(hù)層緩沖爆破技術(shù)

根據(jù)靠幫邊坡設(shè)置要求，最上層邊坡坡面角較小(34°)，鉆孔效率低，且成孔質(zhì)量較難控制，不宜采用光面(預(yù)裂)爆破[5]。而且表層邊坡巖石風(fēng)化嚴(yán)重，節(jié)理裂隙發(fā)育，結(jié)構(gòu)松散，呈碎塊狀，物理力學(xué)性質(zhì)差，為有效保護(hù)邊坡巖體，減少施工對邊坡巖體的破壞，最上層邊坡采用預(yù)留孔底保護(hù)層緩沖爆破，輔以機械破碎[6]。

3.3.1 爆破參數(shù)

1)鉆孔直徑D。采用潛孔鉆機或液壓鉆機作業(yè)，孔徑D=115 mm。

2)臺階高度H?？繋瓦吰屡_階高度H=15 m。

3)預(yù)留保護(hù)層厚度h。炮孔分5排布置，鉆孔角度均為90°，孔底至邊坡坡面預(yù)留1.0～1.5 m厚的保護(hù)層，鉆孔深度每一排均不相同。第1～5排預(yù)留保護(hù)層厚度分別為1.5、1.5、1.2、1.0、1.0 m。

4)孔距a。同排炮孔間距相同，不同排炮孔間距不同，第1～5排孔距分別為5.0、4.5、4.0、3.5、3.0 m。

5)排距b。每2排炮孔排距均不相同，第1排、第2排間孔排距b1=4.5 m，第2排、第3排間孔排距b2=4.0 m，第3排、第4排間孔排距b3=3.5 m，第4排、第5排間孔排距b4=3.0 m。

6)填塞長度L。同排炮孔填塞長度相同，不同排炮孔填塞長度不同，第1～5排炮孔填塞長度分別為4.5、4.0、3.5、3.0、2.5 m。

3.3.2 裝藥結(jié)構(gòu)

采用藥卷直徑φ=110 mm的成品乳化炸藥連續(xù)、耦合裝藥，兩個起爆藥包同時起爆，藥包位置安裝在炮孔內(nèi)裝藥長度的1/4處和3/4處。

預(yù)留孔底保護(hù)層緩沖爆破參數(shù)及裝藥結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 預(yù)留孔底保護(hù)層緩沖爆破參數(shù)及裝藥結(jié)構(gòu)Fig.4 Parameters and charge structure of cushion blasting with reserved hole bottom protection

3.3.3 起爆網(wǎng)路

靠幫邊坡預(yù)留孔底保護(hù)層緩沖爆破起爆網(wǎng)路采用逐孔起爆技術(shù)[7]，孔內(nèi)使用2發(fā)MS10段380 ms非電導(dǎo)爆管雷管，排間采用MS5段110 ms非電導(dǎo)爆管雷管錯段，孔間采用MS3段50 ms非電導(dǎo)爆管雷管錯段，同排錯段采用MS2段25 ms非電導(dǎo)爆管雷管。預(yù)留孔底保護(hù)層緩沖爆破起爆網(wǎng)路設(shè)計如圖5所示。

圖5 預(yù)留孔底保護(hù)層緩沖爆破起爆網(wǎng)路Fig.5 Detonation network of cushion blasting with reserved hole bottom protection

3.3.4 爆破效果

爆破后邊坡臺階高度、坡率、馬道寬度等參數(shù)均滿足設(shè)計要求，排水系統(tǒng)規(guī)格及參數(shù)與施工圖紙一致，邊坡眉線平直、坡面平整，沒有拉裂或爆破損傷，整體穩(wěn)定性好。

4 結(jié)語

針對大規(guī)模、高強度巖土爆破工程，采用等邊三角形布孔斜線起爆網(wǎng)路、徑向耦合-不耦合裝藥軸向孔底空氣間隔定向卸壓爆破等關(guān)鍵技術(shù)，使巖體破碎效果更好，大塊率下降10%～30 %；同時，降低了爆破后沖作用和爆破振動，爆破振速降低15%～25%；緩沖爆破技術(shù)能有效控制爆破能量，降低邊坡巖體和建基面的爆破損傷。本工程所采取的爆破技術(shù)可為類似大型巖土爆破工程的施工提供借鑒。