喀斯特地區(qū)臺(tái)階松動(dòng)爆破中溶洞的控制與處理

李春輝，高 垠，劉天鵬，朱奎衛(wèi)，王洪洋，薛立梅

(1.中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，長(zhǎng)春 130021；2.水利部寒區(qū)工程技術(shù)研究中心，長(zhǎng)春 130021)

我國(guó)南方地區(qū)地質(zhì)情況較為復(fù)雜，喀斯特地貌分布區(qū)域較廣，如廣西、云南等地，主要地質(zhì)情況為灰?guī)r區(qū)?；?guī)r地區(qū)巖層通常較堅(jiān)硬，有大量孤石和斜坡巖，且分布有較多較大的溶洞[1-4]，在爆破作業(yè)鉆孔施工過程中會(huì)出現(xiàn)漏漿、塌孔、偏孔、卡鉆等情況，影響工程進(jìn)度，增加工程成本。同時(shí)在巖溶發(fā)育地區(qū)進(jìn)行爆破工作時(shí)，溶洞存在對(duì)爆破效果及安全有很大影響。在水利、礦山工程建設(shè)與開采過程中，若忽視喀斯特地區(qū)中溶洞、溶槽這類特殊地質(zhì)條件對(duì)爆破作用的影響，會(huì)導(dǎo)致爆破達(dá)不到預(yù)期效果，甚至出現(xiàn)爆破安全事故。結(jié)合某水利樞紐工程船閘下游引航道爆破作業(yè)開挖的工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)巖溶發(fā)育地區(qū)臺(tái)階松動(dòng)爆破中的技術(shù)及安全問題進(jìn)行探討[5-7]。

1 溶洞對(duì)爆破效果及安全的影響

溶洞的尺度、與炮孔相對(duì)位置、洞內(nèi)填充物等對(duì)爆破拋擲方向、爆破方量及安全技術(shù)有很大的影響[8-10]，爆區(qū)內(nèi)的溶洞會(huì)改變抵抗線的大小和方向，造成炮孔抵抗線不足，爆破能量向溶洞方向聚集釋放產(chǎn)生不同的現(xiàn)象：一是溶洞內(nèi)聚集的炸藥能量作用在薄巖層上，因抵抗線太小而產(chǎn)生飛石；二是炸藥能量向溶洞方向釋放，使炮孔底部能量不足，造成根底和大塊；三是溶洞過大，不明走向，造成所裝炸藥不能起爆；四是溶洞內(nèi)填充物不明，造成裝藥線密度不足或泥沙塊石飛散。以下從溶洞的大小、與炮孔的相對(duì)位置(見圖1)、溶洞群和溶洞填充物等方面詳細(xì)探討其對(duì)爆破效果及安全的影響。

圖1 溶洞與炮孔相對(duì)位置Fig.1 Relative position of karst cave and blasthole

1)當(dāng)溶洞位于孔底，且直徑和高度均小于0.5 m時(shí)，在確保裝藥正常的條件下，可以克服爆破殘留根底的問題，對(duì)爆破效果起到一定的積極作用，但用藥量略有增加。在嚴(yán)格把控現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量如填塞長(zhǎng)度、抵抗線距離等爆破參數(shù)符合要求的情況下，安全方面可以得到保證。

2)當(dāng)溶洞位于孔底，且直徑和高度均大于0.5 m時(shí)，或當(dāng)溶洞位于孔身，且直徑大于3倍炮孔直徑時(shí)，在不清楚溶洞存在的情況下進(jìn)行裝藥，導(dǎo)致溶洞部位裝藥過于集中，容易產(chǎn)生飛石，飛石超出安全距離，造成人員傷亡、周邊設(shè)施及建筑物的損壞等安全事故；如果按照炮孔設(shè)計(jì)藥量進(jìn)行裝藥，在溶洞處裝藥較多，炮孔的實(shí)際裝藥長(zhǎng)度不夠，致使爆堆不規(guī)則，爆堆表面出現(xiàn)大塊，需要進(jìn)行二次破碎，增加出渣和運(yùn)輸成本。

3)當(dāng)溶洞位于最小抵抗線方向及其附近，炮孔到溶洞的距離W2小于最小抵抗線W1(見圖1c、見圖1d)。巖塊的拋擲方向改變，爆炸能量向W2拋擲方向的溶洞集中，造成部分拋擲巖塊超出設(shè)計(jì)安全范圍，甚至發(fā)生“沖天炮”情況，造成嚴(yán)重的安全事故；當(dāng)孔頂附近有溶洞，且直徑和高度均大于0.5 m時(shí)，可能造成洞頂塌落的現(xiàn)象，影響爆破效果。

4)當(dāng)溶洞位于若干炮孔之間，且直徑大于3倍炮孔直徑時(shí)(見圖1e、圖1f)。爆破氣體經(jīng)過軟弱面或軟弱帶泄入溶洞，使炮孔的爆破壓力迅速降落，溶洞的泄能作用使裂隙過早終止，大大降低了爆破威力，減少了爆破方量；當(dāng)若干炮孔的爆炸能量向溶洞方向集中，并同時(shí)在溶洞處匯集，產(chǎn)生爆炸氣體集中，易形成飛石，造成安全隱患。

5)出露和靠近地表的溶洞，大多填充有飽和水或膠結(jié)稀泥，增加施工難度。當(dāng)溶洞位于炮孔底部或中部時(shí)，若未用炮桿將藥卷壓入，造成藥卷無(wú)法下沉，導(dǎo)致裝藥量不足，用炮桿將藥卷壓入泥中，易形成竄炮；當(dāng)溶洞填充物為塊石，爆破能量向溶洞聚集，致使塊石飛散超出安全距離。

6)當(dāng)若干溶洞形成溶洞群或溶洞過大，不明走向時(shí)，可能造成所裝炸藥不能起爆，溶洞群若不及時(shí)處理，隨時(shí)有可能塌落，危及施工安全。

7)另外巖層中含水量較多，也會(huì)對(duì)穿孔作業(yè)和爆破質(zhì)量帶來較大影響，當(dāng)炮孔內(nèi)水深較高時(shí)，炸藥在水中不易下沉，易造成堵孔、裝藥密度低等問題，孔深不合格，將造成爆破后產(chǎn)生根底，同時(shí)還會(huì)影響爆破安全。

2 溶洞的處理措施及爆破控制方法

1)查閱相關(guān)地質(zhì)資料了解溶洞分布情況，必要時(shí)采用鉆探方式探明溶洞位置及形態(tài)，以便在爆破施工前有針對(duì)性地編制溶洞處理方案。對(duì)在鉆孔時(shí)發(fā)現(xiàn)的溶洞應(yīng)認(rèn)真記錄其位置、大小和周邊炮孔分布情況，進(jìn)而選擇具有針對(duì)性的處理方法和爆破措施，消除安全隱患，降低爆破的成本。

2)位于孔底且直徑和高度均小于0.5 m的溶洞可不處理，仍按設(shè)計(jì)裝藥量進(jìn)行裝藥；直徑和高度均大于0.5 m時(shí)應(yīng)對(duì)溶洞進(jìn)行封堵，使孔底高程抬高，距離溶洞0.5～1.0 m時(shí)開始按設(shè)計(jì)藥量裝藥。

3)位于孔身、直徑大于3倍炮孔直徑且在裝藥范圍內(nèi)的溶洞，可以采取“底部裝藥+溶洞填塞+上部裝藥+上部填塞”形式的分段裝藥措施控制溶洞，此時(shí)可把溶洞視為一個(gè)小硐室，根據(jù)最小抵抗線、溶洞深度參照硐室爆破裝藥量比深孔爆破適當(dāng)增加藥量，增加爆破瞬間溶洞內(nèi)的氣體壓力，減弱溶洞的泄能作用，注意在炸藥集中部位放置起爆藥包或?qū)П?，確保炸藥起爆，同時(shí)適當(dāng)增加上部填塞長(zhǎng)度，分段裝藥結(jié)構(gòu)如圖2所示；位于填塞長(zhǎng)度范圍內(nèi)的溶洞可直接進(jìn)行填塞。

圖2 分段裝藥結(jié)構(gòu)Fig.2 Sectional charge structure

4)位于最小抵抗線方向及其附近，或位于炮孔之間、直徑大于3倍炮孔直徑的溶洞，要認(rèn)真核算抵抗線，嚴(yán)格控制每孔裝藥量，防止因抵抗線過小而產(chǎn)生飛石；為防止各炮孔爆炸能量向溶洞方向匯集，發(fā)生爆炸氣體集中，應(yīng)調(diào)整溶洞附近炮孔起爆順序和間隔時(shí)間，同時(shí)保證填塞長(zhǎng)度和炮孔覆蓋合格。

5)溶洞填充物的處理視溶洞位置而定，當(dāng)溶洞位于開挖區(qū)，需通過導(dǎo)管等方式對(duì)內(nèi)部填充物進(jìn)行挖掘，打排水孔排水，防止裝藥密度過低，同時(shí)防止爆破能量向溶洞聚集，造成填充物飛散；當(dāng)溶洞位于保留區(qū)，溶洞排水過程中應(yīng)嚴(yán)格控制排水量和排水速度，同時(shí)對(duì)溶洞周邊進(jìn)行堵水處理，必要時(shí)進(jìn)行帷幕灌漿。膠結(jié)稀泥及塊石清理時(shí)，應(yīng)做好溶洞的支護(hù)后再進(jìn)行注漿填充，并根據(jù)施工特點(diǎn)和溶洞大小制定合理的注漿量。

6)對(duì)溶洞群或溶洞過大的情況，應(yīng)充分掌握溶洞發(fā)育情況，在溶洞上部實(shí)施的控制爆破，確?？椎撞烤嗳芏吹木嚯x大于最小抵抗線，在溶洞上部布置加密孔，起爆后回填夯實(shí)；在爆區(qū)一側(cè)的較大溶洞，若溶洞距離路基或其他需要保留的部位較近，需在溶洞處做好支護(hù)措施，同時(shí)在溶洞上部也需要覆蓋，防止因溶洞造成穿孔，非爆區(qū)有飛石逸出，形成安全隱患。覆蓋采取“鐵絲網(wǎng)+沙袋+膠墊”相結(jié)合的方式，可有效防止爆破飛石和溶洞內(nèi)的填充物飛散。

7)在地下水影響較大的爆區(qū)，應(yīng)適當(dāng)縮小孔網(wǎng)參數(shù)，增大設(shè)計(jì)孔深，炮孔放置時(shí)間不宜過長(zhǎng)，防止炮孔中的巖粉顆粒沉淀使孔深變淺；裝藥時(shí)炸藥應(yīng)充分沉降，確保裝藥密度達(dá)標(biāo)后進(jìn)行填塞。

采取上述措施仍不能得到有效控制的溶洞，相關(guān)炮孔不應(yīng)進(jìn)行裝藥，可以在附近重新鉆孔。同時(shí)要加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量控制和安全防范，詳細(xì)記錄鉆孔過程中鉆進(jìn)速度的變化和地下水的情況，發(fā)現(xiàn)溶洞及時(shí)設(shè)置標(biāo)志或警示牌，增加爆破警戒距離，加強(qiáng)爆破人員的責(zé)任感。

3 工程應(yīng)用

3.1 概況

某水利樞紐工程位于珠江流域西江水系的黔江河段末端，屬于典型的喀斯特地貌。船閘下游引航道長(zhǎng)1 897 m，底寬75 m，底高程為15.35 m，開挖量超百萬(wàn)方，臺(tái)階以深孔和淺孔松動(dòng)爆破相結(jié)合的方式起爆。下游引航道口門區(qū)在左岸Ⅰ級(jí)階地通過，Ⅰ級(jí)階地巖灘和河床覆蓋層主要為砂礫石，基巖為郁江下段的灰?guī)r。引航道右岸主要由層狀巖體組成，節(jié)理裂隙較發(fā)育，局部地區(qū)有少量的溶洞，中部或靠近左岸巖溶較發(fā)育，個(gè)別部位有較大的溶洞(見圖3)，且被黃泥和礫石充填，對(duì)爆破施工作業(yè)極為不利，且距離引航道左岸150 m處為業(yè)主營(yíng)地生活區(qū)，爆破環(huán)境十分復(fù)雜。

圖3 船閘下游引航道溶洞Fig.3 The karst cave in the downstream approach channel of the ship lock

3.2 爆破設(shè)計(jì)

以下航口門區(qū)B1區(qū)3+107～3+207段為例，某日爆破方量為8 954 m3，總裝藥量為4 200 kg，爆破方向朝向河道，采用直徑為70 mm和90 mm的2#巖石乳化炸藥，孔徑為125 mm，孔深5.0～11.0 m，孔數(shù)117個(gè)，孔排距為(1.5～3.0) m×(1.5～3.0) m，采用正三角形布孔，抵抗線為2.0～3.0 m，單孔藥量為24.0～54.4 kg，平均單耗為0.47 kg/m3，起爆器材采用數(shù)碼電子雷管。炮孔布置如圖4～圖5所示，溶洞至第1排第1個(gè)炮孔距離約為0.8 m，溶洞群至炮孔底部平均距離約為1.5 m。

圖4 炮孔布置(平面)Fig.4 Layout of blasting hole(plane)

圖5 炮孔布置(剖面)Fig.5 Layout of blasting hole(section)

3.3 施工控制措施

2019年10月15日，因現(xiàn)場(chǎng)鉆孔施工人員發(fā)現(xiàn)溶洞未及時(shí)上報(bào)，導(dǎo)致溶洞處炮孔裝藥量遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)裝藥量，爆破瞬間該孔飛出大量黃泥，拋擲距離超過爆區(qū)安全范圍300 m以外，將引航道左岸業(yè)主營(yíng)地食堂的玻璃砸壞，造成人員恐慌。此后，爆破專家對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行了有效控制，取得了較好的爆破效果。

下航口門區(qū)B1區(qū)3+107～3+207段爆破施工中，探明第1排第1個(gè)炮孔抵抗線方向有溶洞，同時(shí)在爆區(qū)中部前3排炮孔底部有溶洞群存在，現(xiàn)場(chǎng)控制措施主要包括以下內(nèi)容。

1)對(duì)第1排第1個(gè)炮孔抵抗線方向的溶洞，減少邊孔裝藥量，在確保安全的情況下該孔及第1排第2個(gè)孔和第3個(gè)孔、第2排第1個(gè)孔減少2個(gè)φ90藥卷即裝藥量比原設(shè)計(jì)方案減少6 kg，并在臨空面采用局部壓渣覆蓋，防止溶洞附近因抵抗線過小而產(chǎn)生飛石。

2)在鉆孔過程中發(fā)現(xiàn)第2排第7個(gè)炮孔孔身處有溶洞，且未在填塞長(zhǎng)度范圍內(nèi)，炮孔仍采用原設(shè)計(jì)藥量，但不能連續(xù)裝藥，裝藥結(jié)構(gòu)改為采用“底部裝藥+底部填塞+上部裝藥+上部填塞”的分段裝藥方式控制(見圖2)，同時(shí)增加上部填塞長(zhǎng)度，并在藥包之間增加一根導(dǎo)爆索，防止殉爆。

3)對(duì)爆區(qū)中部前3排炮孔底部的溶洞群，臨空面開挖過程中溶洞內(nèi)的黃泥已基本流出，開挖爆破中無(wú)需對(duì)其內(nèi)填充物進(jìn)一步處理。因已提前探明溶洞大小及位置，在該區(qū)鉆孔時(shí)減小鉆孔深度，孔深5.0～8.0 m，填塞長(zhǎng)度2.5～4.0 m，沿溶洞群走向布置加密炮孔。該工程為引航道開挖，溶洞群附近無(wú)需要保護(hù)的建筑物，故溶洞群不需支護(hù)，保證溶洞群隨起爆方向有序崩落即可。

4)對(duì)地下水較深的炮孔，用炮棍將藥卷壓入，防止藥卷漂浮，并在裝藥過程中使用炮棍實(shí)時(shí)測(cè)量裝藥高度，保證達(dá)到炮孔設(shè)計(jì)裝藥量。

5)現(xiàn)場(chǎng)綜合控制措施包括：①調(diào)整起爆間隔和順序：在溶溝連通發(fā)育區(qū)，增大炮孔之間的起爆間隔，避免鄰孔同時(shí)起爆而產(chǎn)生飛石，調(diào)整起爆順序?yàn)閺暮笈畔蚯芭胖鹋牌鸨?，控制爆破飛石的方向盡可能背離生活區(qū)；②保證填塞質(zhì)量：采用河沙或顆粒均勻的巖屑填塞，并搗實(shí)，保證填塞長(zhǎng)度大于最小抵抗線，不應(yīng)使用極細(xì)巖粉填塞；③加強(qiáng)覆蓋：此類巖溶發(fā)育區(qū)段，在整個(gè)爆區(qū)內(nèi)采用“鐵絲網(wǎng)+沙袋+膠墊+炮被”方式進(jìn)行全覆蓋，不留覆蓋空白，防止爆破飛石。

3.4 爆破效果

起爆瞬間未見遠(yuǎn)距離飛石，均控制在安全距離范圍內(nèi)。爆破后現(xiàn)場(chǎng)情況如圖6所示，可以看出現(xiàn)場(chǎng)爆破效果很好，溶洞群隨起爆方向有序崩落，爆后巖石松動(dòng)破碎，爆堆集中，石渣塊度不大，適合挖掘機(jī)機(jī)械作業(yè)，同時(shí)爆破對(duì)相鄰爆區(qū)巖體破壞范圍小，清渣后無(wú)殘留根底，爆破地震效應(yīng)、空氣沖擊波及噪聲強(qiáng)度小。從多次爆后的現(xiàn)場(chǎng)情況可以看出，炮孔排數(shù)設(shè)計(jì)以4排為宜，第5排炮孔因距離臨空面較遠(yuǎn)，巖石塊度較大，增加了二次破碎的成本。在該水利工程船閘下游引航道超百萬(wàn)方的開挖爆破工作中，每日爆破方量約8 000 m3，工期近4個(gè)月。通過上述措施，充分考慮灰?guī)r地區(qū)溶洞對(duì)爆破效果及安全的影響，爆破設(shè)計(jì)方案充分考慮爆區(qū)內(nèi)溶洞的位置和大小情況，選擇合理的孔網(wǎng)參數(shù)，采用適宜的裝藥結(jié)構(gòu)，靈活調(diào)整各種起爆順序，加強(qiáng)填塞和覆蓋質(zhì)量，使爆破飛石得到有效控制，爆破效果較好，保證每日出渣率，加快了施工進(jìn)度。

圖6 爆破后現(xiàn)場(chǎng)情況Fig.6 Site conditions after blasting

4 結(jié)語(yǔ)

總結(jié)了不同形式溶洞大小、溶洞與炮孔相對(duì)位置、溶洞內(nèi)填充物、溶洞群和地下水等對(duì)爆破效果及安全技術(shù)的影響，并提出相應(yīng)的爆破控制方法，通過封堵溶洞、確定合理單孔裝藥量、改變裝藥結(jié)構(gòu)、調(diào)整炮孔起爆順序和間隔時(shí)間、保證填塞長(zhǎng)度及加強(qiáng)覆蓋，保留區(qū)溶洞填充物清理、洞壁支護(hù)及注漿填充等措施，可以較好地解決喀斯特地區(qū)開挖爆破中溶洞存在所造成的安全問題，飛石控制在安全距離內(nèi)，且提高了爆破效果，爆堆集中，巖石破碎充分，確保了開挖進(jìn)度。上述措施在某水利樞紐工程船閘下游引航道開挖爆破中得到了較好的應(yīng)用。