前坪水庫壩肩高邊坡石方開挖控制技術

劉建偉，杜欣明，黃夢州

（河南省水利第一工程局，450016，鄭州）

一、工程概況

前坪水庫主壩采用黏土心墻砂礫（卵）石壩跨河布置，壩頂長818 m，壩頂高程423.5 m，壩頂設高1.2 m 混凝土防浪墻，壩頂寬度10.0 m，最大壩高90.3 m。

壩址區(qū)下伏基巖以安山玢巖為主，具鑲嵌結構～碎裂結構特征，質堅性脆，弱風化，巖體結構面短小，延展差， 且結構面多已硅化或鈣質膠結，巖塊嵌合緊密，壩基巖體工程地質分類為 AⅢ2～AⅣ2 類。

左、右壩肩巖體單薄，左壩肩下伏基巖主要為安山玢巖， 呈弱風化，為鑲嵌碎裂結構。 右岸岸坡陡立，基巖裸露，為弱風化安山玢巖，強度高，但裂縫發(fā)育，多微張。

二、爆破試驗

根據(jù)巖體部位、巖石特性、設計要求等，挖深不超過5 m 的石方段采用手風鉆鉆孔爆破，超過5 m 的石方段采用深孔梯段爆破。 梯段高度結合開挖臺階設置情況， 一般在5～10 m。邊坡采用預裂爆破，以盡量降低對巖體的破壞。 石方開挖預留保護層，采用淺孔小孔徑保護層爆破。

爆破試驗采用以下爆破方式：深孔梯段爆破、邊坡預裂爆破，淺孔爆破、邊坡預裂爆破，保護層爆破，溝槽爆破。

1.深孔梯段爆破

（1）布孔方式

鉆孔形式采用垂直鉆孔，布孔采用梅花形多排布孔形式。

（2）參數(shù)選擇

梯段爆破的爆破參數(shù)主要包括臺階高度、底盤抵抗線、孔徑、孔間排距、超深、孔深、炸藥單耗、堵塞長度及爆破后堆石料粒徑等，根據(jù)現(xiàn)有的KG920B型露天潛孔鉆車，孔徑為90 mm。

孔深L 計算公式為：

式中，H 為梯段高度，h 為超深。超深 h可按經(jīng)驗公式計算：

式中，W1為底盤抵抗線, 可按經(jīng)驗公式確定：

底盤抵抗線強風化為3.5 m，弱風化為3.0 m。

孔距a 和排距b 按下列關系式確定：

式中，m 為密集系數(shù)，一般取 0.8～1.4，在寬孔距爆破中取2～4 或者更大。

每孔裝藥量所能擔負的破巖體積或單位孔深的面積S 有關。

一般取a=1.25b， 因此可以根據(jù)上述參數(shù)計算排距b。

堵塞度長L1按下列經(jīng)驗公式選?。?/p>

單排或多排孔爆破時， 第一排孔的每孔裝藥量Q（kg）按下式進行計算：

多排爆破時， 從第二排孔起，以后各排孔的每孔裝藥量按下式計算：

式中，k 為克服前排孔巖石阻力的增加系數(shù)，一般取 1.1～1.2。

根據(jù)施工現(xiàn)場實際情況， 深孔梯段試驗參數(shù)組合： 孔深 5～10 m， 超深300 mm，孔距 2～3 m，排距 2.5～3.5 m，堵塞長度3.0 m， 強風化巖石單耗量0.30 kg/m3，弱風化巖石單耗量 0.4 kg/m3。

2.淺孔爆破

根據(jù)《土方與爆破工程施工及驗收規(guī)范》（GB 50201—2012） 淺孔爆破臺階高度不宜超過5 m，孔徑宜在50 mm 以內， 底盤抵抗線宜為 30～40 倍的孔徑， 炮孔間距宜為底盤抵抗線的1.0～1.25 倍；淺孔爆破的堵塞長度宜為炮孔最小抵抗線的0.8～1.0 倍，較大的巖石宜為最小抵抗線的1.0～1.25 倍。

根據(jù)現(xiàn)場實際情況淺孔爆破試驗的參數(shù)組合：孔徑42 mm，孔深1～5 m，底盤抵抗線 1.5 m，孔距 1～2 m，排距1.5～2.5 m，堵塞長度 0.5～2.2 m，強風化巖石單耗量0.30 kg/m3，弱風化巖石單耗量0.40 kg/m3。

3.邊坡預裂爆破

預裂爆破為輪廓爆破。 預裂爆破是在主爆孔爆破之前在開挖面上先爆破一排預裂爆破孔，在相鄰炮孔之間形成裂縫，從而在開挖面上形成斷裂面，以減弱主爆區(qū)爆破時爆破地震波向巖體的傳播，控制爆破對保留巖體的破壞影響，且沿預裂面形成一個超挖很少或沒有超挖的平整壁面，預裂爆破效果達到80%，且炮孔附近巖石不出現(xiàn)嚴重的爆破裂隙。

預裂孔先爆，超前50 ms 以上，其爆破參數(shù)主要有孔徑、孔距、裝藥結構、線裝藥密度、堵塞長度等；底部裝藥量適當增加， 上部適當減少裝藥，且孔口做好堵塞；預裂面與最近的一排主爆孔之間的距離為主爆孔間距的一半，并減少裝藥量。

根據(jù)現(xiàn)場實際情況邊坡預裂爆破試驗的參數(shù)組合：孔徑90mm，孔深5～10 m，孔距1 m，線裝藥量為260～300 g/m。

深孔爆破布孔示意圖及剖面圖如圖1、圖2 所示。

圖1 梯段爆破鉆孔布置示意圖 （單位：mm）

圖2 梯段爆破鉆孔剖面圖 （單位：mm）

4.保護層爆破

為保證建基面巖石的完整性，對上部直徑為89 mm 爆破孔的建基面預留1.5 m 保護層。 保護層周邊采用淺孔爆破施工， 其余部分底部留20 cm 撬挖層，采用人工輔以風鎬清理至建基面設計高程。

根據(jù)現(xiàn)場實際情況保護層爆破試驗的參數(shù)組合： 鉆孔直徑為42 mm（用手風鉆打孔），鉆孔深度 1～2 m，鉆孔間距 1.2～1.8 m， 鉆孔排距 1.2～1.5 m，藥卷直徑32 mm，單位耗藥量0.5 kg/m3，裝藥結構為間隔裝藥，堵塞長度為0.6 m，底部柔性墊層0.2 m。

5.溝槽爆破

在平地上開挖溝槽時，宜在開挖一端或中部布置掏槽孔并首先起爆形成臨空面，再按順序起爆。 開挖深度不超過溝槽上口寬度的1/2， 若超過宜分層爆破。 根據(jù)巖石結構、溝槽形狀、開挖深度確定孔深，孔深宜為開挖深度的1.1～1.3 倍,孔距宜為孔深的 0.6～0.8 倍。

根據(jù)現(xiàn)場實際情況溝槽爆破試驗的參數(shù)組合：鉆孔直徑42 mm，孔深3～5 m，孔距 2～3 m，排距 2～2.5 m，弱風化巖石單耗0.40 kg/m3，起爆方式為先中間后兩邊.

6.單段最大藥量

根據(jù)爆破作業(yè)區(qū)周邊環(huán)境情況，確定空氣沖擊波超壓值計算及其影響。

露天鉆孔爆破超壓值計算：

式中，P 為空氣沖擊破超壓值（Pa）；Q為爆破炸藥量 （kg）；R 為藥包至危害對象的距離（m）；K、α 為經(jīng)驗系數(shù)和指數(shù)。 一般梯段爆破 K=1.48 或 1.55；炮孔法爆破大塊，K=0.67，α=1.33。為保證建筑物基本無破壞，取P=0.02×105Pa。

測量與附近建筑物的距離， 通過以上計算方法控制每次爆破的炸藥量。

7.爆破安全驗算

爆破地震的安全設計與校核單響藥量要根據(jù)每次爆破區(qū)域距保護建筑物的距離進行計算。 對于爆破作用指數(shù)小于3 的爆破作業(yè)， 隨著藥包埋深的增加， 空氣沖擊波的效應迅速減弱， 此時對人和其他保護對象的防護， 首先考慮飛石和地震安全距離。

（1）爆破震動對控制爆破震動的危害

按 照 《 爆 破 安 全 規(guī) 程 》 （GB 6722—2014）中的爆破安全距離公式計算。

式中，R 為爆破安全距離 （m）；K、a 值依據(jù)爆破不同巖性取值， 本工程K 取150、a 取 1.5；V 為地震安全速度（cm/s）；Q 為爆破毫秒微差最大一段裝藥量（kg）。

（2）爆破個別飛石最小安全距離

式中，L 為個別飛石最大的飛石距離；k 為安全系數(shù)， 取 15～16；d 為炮孔直徑，90 mm。 經(jīng)計算得：

由爆破安全規(guī)程查得：淺孔爆破不小于300 m， 深孔爆破不小于200 m。 根據(jù)現(xiàn)場的實際情況及臨空面的布置情況，能滿足規(guī)范要求，取單耗0.3～0.45 kg/m3。

8.裝藥及起爆網(wǎng)絡

預裂爆破裝藥采用不耦合裝藥，將藥卷均勻連續(xù)或按一定間隔距離綁扎在導爆索上， 形成一個炸藥串，然后將炸藥串輕輕送入炮孔內。

堵塞按照爆破設計長度要求進行，堵塞材料采用鉆孔巖屑和黏土。

裝藥完成后，由爆破技術人員進行爆破網(wǎng)路敷設。 爆破采用非電導爆管和導爆索組合起爆網(wǎng)路，預裂爆破采用非電導爆索起爆網(wǎng)路，預裂孔先行起爆。

三、試驗總結

1.炸藥、起爆材料及鉆孔設備

深孔爆破試驗采用了2 號巖石乳化炸藥作為引爆藥卷、 巖石粉狀炸藥作為主爆藥。 淺孔爆破試驗采用了2 號巖石乳化炸藥作為主爆藥。 預裂爆破2 號巖石乳化炸藥作為主爆藥。

深孔梯段采用毫秒導爆管和非電毫秒延期雷管， 網(wǎng)路安全性好，起爆規(guī)模不受限制，操作方便，但對周邊山體及邊坡穩(wěn)定有不利影響。

公司各級管理人員變動頻繁，給“校企一體”教學模式的實施帶來一定困難，新到崗的經(jīng)理、主管在一段時間后才能熟悉這種培養(yǎng)方式，所以實施過程中會出現(xiàn)一定時期的斷層。這種培養(yǎng)模式使校、企、學三方受益，公司人事變動對實施過程影響是暫時的，經(jīng)過校企雙方努力，使“校企一體”教學模式得以順利實施。

淺孔梯段采用毫秒導爆管和非電毫秒延期雷管， 網(wǎng)路安全性好，起爆規(guī)模受一定的限制，但爆破對周邊山體及邊坡穩(wěn)定影響小，出渣工作量小，施工安全有保證。

預裂爆破采用孔內導爆索導爆，孔外與網(wǎng)路串聯(lián)， 網(wǎng)路安全性好，半孔率高，坡面平整，滿足設計要求。

鉆孔設備選用KG920B 潛孔鉆，鉆孔直徑為90 mm， 能夠確保鉆孔的準確度和工作效率。

2.梯段高度、堵塞長度、單耗

深孔爆破試驗：實際梯段高度為10 m，梯段的高度受鉆孔精度、孔排距、炸藥及起爆材料影響較大。

炮孔堵塞采用鉆粉封堵。 根據(jù)現(xiàn)場爆破試驗情況， 采取3.0 m 的封堵長度對控制塊石粒徑比較合適。 單耗為： 強風化巖石單耗量0.30 kg/m3，弱風化巖石單耗量0.4 kg/m3。

淺孔爆破試驗：梯段高度為1.5～4.7 m，梯段的高度根據(jù)需要開挖巖石的厚度而定，但最大孔深不超過5 m。

炮孔堵塞采用鉆粉封堵。 根據(jù)現(xiàn)場爆破試驗情況， 封堵長度取1.5 m。單耗 0.35 kg/m3。

四、施工效果

壩肩石方開挖采用淺孔爆破、預裂爆破等綜合爆破方案, 確保建基面的完整、穩(wěn)定。 少量松動塊石采用手風鉆打孔小炮爆破后人工清除。 爆破順序自上而下，分層布孔，梯段高度控制在5 m 以內。

采用多排孔微差爆破起爆方案。爆破材料選用乳化、粉狀炸藥，非電毫秒雷管。

鉆孔設備: KG910B 型露天淺孔鉆機，孔徑為90 mm。

布孔方式:采用梅花形布孔。

鉆孔形式：預裂孔、輔助孔為斜孔，傾斜角隨建基面坡度，主爆孔為垂直孔。

預裂孔孔斜：斜坡底部預裂孔斜率、心墻上下游側兩側邊坡預裂孔斜率根據(jù)設計邊坡進行控制。

通過爆破試驗確定施工參數(shù)，結合現(xiàn)場爆破施工優(yōu)化施工方案，對壩肩高邊坡開挖質量的控制起到了關鍵性作用， 有效控制了開挖坡比，避免了大面積欠挖的二次施工，節(jié)約了人工成本，保證了施工工期。