復(fù)雜地質(zhì)下圓弧形邊坡控制爆破的應(yīng)用研究

劉福高，符小海

(浙江京安爆破工程有限公司，杭州 310000)

高陡邊坡的爆破施工，是路塹開挖、邊坡治理等工程中常用的手段。為了保證邊坡的穩(wěn)定和坡面線整齊美觀，在臨近邊坡控制爆破的主要方法有光面爆破、預(yù)裂爆破和緩沖爆破等。臨近邊坡段采取控制爆破方式對邊坡開挖與防護(hù)具有重要的意義[1-2]。影響邊坡控制爆破質(zhì)量的因素，除爆破參數(shù)外，地質(zhì)條件和鉆孔精度影響較大[3]。對于異形結(jié)構(gòu)的邊坡，如弧形、凸?fàn)畹?，則需要根據(jù)其特點(diǎn)，調(diào)整施工方法，精細(xì)化控制爆破設(shè)計[4-5]。本文通過對杭州市西湖區(qū)石龍山廢棄礦區(qū)治理工程中圓弧形高邊坡控制爆破實(shí)際施工研究，介紹了其施工難點(diǎn)與創(chuàng)新手段，以期對類似工程項(xiàng)目能起到一定的指導(dǎo)作用。

1 工程概況

1.1 工程簡介

杭州市西湖區(qū)石龍山廢棄礦區(qū)治理工程位于杭州市西湖區(qū)石龍山山脊南側(cè)，該礦區(qū)經(jīng)過常年無序開采現(xiàn)已廢棄，部分邊坡原狀如圖1所示。為了消除廢棄礦山的地質(zhì)災(zāi)害隱患，修復(fù)廢棄礦山的生態(tài)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)其經(jīng)濟(jì)、生態(tài)利益的最大化，現(xiàn)對石龍山廢棄礦進(jìn)行邊坡綜合治理。治理區(qū)地質(zhì)條件和周邊環(huán)境較為復(fù)雜，巖體巖性以石灰?guī)r為主，其中存在大量溶洞、裂隙、泥質(zhì)夾層等，邊坡以南地區(qū)存在工廠及村莊等。同時由于邊坡治理設(shè)計方案設(shè)計要求較高，邊坡走向較為復(fù)雜，以上種種因素都給本工程邊坡控制爆破增加了難度。

圖1 邊坡原狀

1.2 邊坡設(shè)計參數(shù)

治理邊坡分10級進(jìn)行削方減載，每級邊坡坡率為1：0.75，馬道高程分別為56、76、91、106、119、132、143、154、163 m，馬道寬度2 m和6 m。削方完工后，本段邊坡最終邊坡角為46°。治理邊坡設(shè)計平面和剖面分別如圖2和圖3所示。

圖2 邊坡設(shè)計平面

圖3 邊坡設(shè)計剖面

為了達(dá)到臺階高程允許偏差值不超過±300 mm；坡率允許偏差值不超過±0.5°；最終邊坡半孔率不低于80%的設(shè)計要求，我公司采用預(yù)裂控制爆破施工技術(shù)，使邊坡坡面平整、穩(wěn)定、美觀，以達(dá)到設(shè)計及安全要求。

2 圓弧段邊坡預(yù)裂爆破參數(shù)設(shè)計

2.1 預(yù)裂孔參數(shù)設(shè)計

由邊坡平面設(shè)計(見圖2)可知，該邊坡存在一段圓弧形坡段，臺階高度取15 m(以106 m平臺爆至91 m平臺為例)，坡面傾角為由圓弧頂部最小處40°過渡至直線段53°。該圓弧形坡段(見圖4)預(yù)裂孔參數(shù)設(shè)計異于直線段邊坡，預(yù)裂孔底部炮孔間距與頂部炮孔間距不等，這為圓弧段邊坡預(yù)裂爆破的設(shè)計及鉆孔增加了難度。

圖4 圓弧形坡段

根據(jù)工程的實(shí)際情況及現(xiàn)場已有的鉆孔設(shè)備，預(yù)裂爆破選取115 mm孔徑的鉆孔設(shè)備，同時借助高精度GPS測量設(shè)備進(jìn)行精細(xì)控制。設(shè)計采取一次成型的方法進(jìn)行爆破，另外馬道外爆破孔孔深應(yīng)比設(shè)計底板高程超深1 m，以確保爆后底板的平整性，馬道處的炮孔不超深，爆后采用機(jī)械修整至設(shè)計高程。具體的預(yù)裂爆破參數(shù)計算如下：

1)爆破炮孔長度。炮孔長度根據(jù)臺階高度、超深及臺階傾角確定：

L=(H+h)/sinα

(1)

式中：L為炮孔長度；H為臺階高度；h為超深；α為臺階傾角。

圓弧段邊坡的臺階高度為15 m，超深為0.5 m，傾角為40°～53°，可得圓弧段預(yù)裂爆破炮孔深度為24.11～19.41m；直線段邊坡的臺階高度為15 m，超深為0.5 m，傾角為53°，可得直線段預(yù)裂孔炮孔深度為19.41 m。

2)炮孔間距。炮孔間距的確定，要能夠形成裂縫，并使裂縫貫通，不讓保留巖體出現(xiàn)過度破壞。根據(jù)爆破經(jīng)驗(yàn)表明，預(yù)裂爆破保留巖體巖面質(zhì)量很大程度上取決于炮孔間距的選取?？筛鶕?jù)炮孔直徑得到的經(jīng)驗(yàn)公式計算：

a=(8-12)d

(2)

式中：a為炮孔間距，mm；d為炮孔直徑，mm。

結(jié)合礦山實(shí)際地質(zhì)及施工機(jī)械情況，實(shí)際炮孔直徑為115 mm，可得炮孔間距為0.92～1.38 m。但由于圓弧形坡段異于直線段邊坡，底部炮孔間距與頂部炮孔間距不同，因此在實(shí)際確定鉆孔間距時，將計算得到的炮孔間距范圍置于炮孔的正常裝藥段，也就是炮孔的中間段，孔口間距適當(dāng)減小為0.5 m，孔底間距適當(dāng)增大為1.2 m。

3)不耦合系數(shù)。預(yù)裂爆破采用不耦合裝藥，主要是為了降低作用于炮孔壁的初始壓力，使炮孔周圍的巖石不被壓壞，依據(jù)預(yù)裂爆破斷裂機(jī)理和建立的模型，對于徑向不耦合裝藥，炸藥爆炸作用于孔壁的壓力為[6]

(3)

式中：pb為作用于孔壁的壓力，MPa；Kd為不耦合系數(shù)；ρ0為炸藥密度，kg/m3；DH為炸藥的爆轟速度，m/s；n為爆炸沖擊波撞擊炮孔孔壁引起的壓力增大系數(shù)，取n=8～11。

現(xiàn)場預(yù)裂爆破所采用的炸藥為卷狀2#巖石乳化炸藥，其爆速為3 800 m/s，密度為1.2 g/cm3，邊坡的巖體為發(fā)育良好的石灰?guī)r，其抗壓強(qiáng)度約為80 MPa，根據(jù)式(3)可以計算得到不耦合系數(shù)約為2.58，即在本工程的巖體中，不耦合系數(shù)不宜小于2.58。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，實(shí)際鉆孔直徑為115 mm，預(yù)裂爆破采用的藥卷為 32 mm，不耦合系數(shù)為3.59。

4)線裝藥密度及裝藥結(jié)構(gòu)。線裝藥密度由式(4)[7]可得：

(4)

式中：Qx為線裝藥密度，kg/m；σc為巖石的極限抗壓強(qiáng)度，MPa；a為炮孔間距，m；d為炮孔直徑，mm；K、δ、β、γ為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

根據(jù)長江科學(xué)院等提出的半經(jīng)驗(yàn)半理論計算公式，取K=0.83，δ=0.5，β=0.6，γ=0，其中σc的單位為105Pa，a的單位為cm，計算得出Qx=245～415 g/m，由于圓弧形坡段的底部炮孔間距與頂部炮孔間距不同，因此采用分段不耦合裝藥形式，底部線裝藥密度較大，頂部線裝藥密度較小。不同段位線裝藥密度參數(shù)如表1所示。

表1 線裝藥密度參數(shù)

預(yù)裂孔裝藥結(jié)構(gòu)如圖5所示?？椎准訌?qiáng)段為1卷φ70 mm的藥包，質(zhì)量為2 000 g，第2加強(qiáng)段為φ32 mm的藥包三卷一捆，質(zhì)量1 200 g，其余段均為φ32 mm的藥卷。藥包用專用膠布綁在竹片上，各段分別控制線裝藥密度，用導(dǎo)爆索連接。

圖5 預(yù)裂孔裝藥結(jié)構(gòu)

2.2 主炮孔及炮孔布置

設(shè)計采取一次成型的方法進(jìn)行爆破，因此實(shí)施預(yù)裂爆破的區(qū)域前端設(shè)置6排主炮孔，以及2排輔助炮孔(見圖6)。

圖6 炮孔布置圖

主炮孔和輔助炮孔均為垂直孔，主炮孔采用現(xiàn)場混裝乳化炸藥進(jìn)行裝藥，輔助孔用70 mm乳化炸藥。具體的主炮孔參數(shù)如表2所示。

表2 炮孔參數(shù)

3 起爆網(wǎng)路設(shè)計

起爆網(wǎng)絡(luò)采用高精度毫秒延時導(dǎo)爆管雷管，預(yù)裂爆破采用排間分組同時起爆方式，每10個光爆孔為一組，組與組之間用MS3段導(dǎo)爆管雷管連接，主炮孔和輔助炮孔采用逐孔起爆網(wǎng)路，孔間延時采用MS3段雷管，排間延時采用MS5段導(dǎo)爆管雷管，起爆網(wǎng)路如圖7所示。預(yù)裂孔先起爆，提前主炮孔110 ms，保證預(yù)裂效果。

圖7 爆破起爆網(wǎng)路

4 爆破效果分析

通過對圓弧形坡段實(shí)施預(yù)裂爆破，觀察爆破后坡面情況，圓弧形坡段邊坡預(yù)裂爆破效果如圖8所示。實(shí)施預(yù)裂爆破后邊坡上的半孔率達(dá)到90%以上，臺階高程偏差值不超過±300 mm，坡率偏差值不超過±0.5°，達(dá)到了邊坡美觀、整潔、穩(wěn)定的設(shè)計要求，預(yù)裂爆破取得了很好的效果。

圖8 爆破效果

5 結(jié)語

圓弧段邊坡控制爆破在杭州市西湖區(qū)石龍山廢棄礦區(qū)治理工程的實(shí)踐中，取得了顯著的成效。設(shè)計采取一次成型的方法進(jìn)行爆破，主炮孔采用現(xiàn)場混裝乳化炸藥進(jìn)行裝藥，預(yù)裂孔采用分段不耦合裝藥，不僅達(dá)到了預(yù)期效果，同時節(jié)省了成本。在地質(zhì)條件多變，外形輪廓復(fù)雜，高臺階的邊坡中實(shí)施預(yù)裂控制爆破，具有較大的難度，要根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況調(diào)整設(shè)計參數(shù)。復(fù)雜地質(zhì)條件下圓弧形邊坡預(yù)裂爆破的成功實(shí)施，為今后的邊坡爆破設(shè)計施工提供指導(dǎo)。