地下廊道爆破開挖與減振技術(shù)

張松濤，艾樹賢

（江西銅業(yè)集團(tuán)有限公司銀珠山礦業(yè)有限公司，江西 貴溪 335400）

1 引言

地下廊道開挖有機(jī)械開挖法和爆破開挖法，對于巖石基坑來說，爆破法是最常用的開挖方法。爆破法分為靜態(tài)致裂法和炸藥爆破法。靜態(tài)致裂法是采用靜態(tài)致裂劑，并將其注入鉆孔，通過體積膨脹，達(dá)到破裂巖石的目的。靜態(tài)致裂法具有成本高，破裂塊度大，施工效率低的缺點(diǎn)，應(yīng)用較少。炸藥爆破法施工成本低，爆破塊度小，利于鏟裝運(yùn)輸，應(yīng)用廣泛［1-3］。工程技術(shù)人員從爆破作用機(jī)理出發(fā)，對爆破飛散物、爆破振動、噪聲等危害控制與防護(hù)進(jìn)行了研究和探討，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益［4-9］。

2 工程概況

銀珠山礦位于貴溪市181°方位，直線距離約41km，行政區(qū)劃隸屬貴溪市冷水鎮(zhèn)管轄。礦區(qū)北至麻地村，南至冷水變電站；東至茶山中朗坂，西至碧溪村，面積4.88 km2。工程建設(shè)場地屬低山丘陵地貌，采礦工業(yè)場地位于山上，場地平整已完成，地勢北高南低，南北長約400m，東西60～170m，呈梭形地塊，四周為邊坡，南側(cè)有臨時(shí)道路與礦區(qū)道路相接。

基槽開挖土質(zhì)主要為強(qiáng)風(fēng)化和中等風(fēng)化凝灰?guī)r兩種巖體，巖石硬度系數(shù)f=8～10。廊道由斜廊道和主廊道組成，全長100m，為南北方向布置。斜廊道長40m，底寬5.1m，坡度18.6%，邊坡比1∶0.5。主廊道長60m，底寬8.5m，邊坡比1∶0.5。

爆破區(qū)域西北面20m有雙層板房，東面15m有絞車房，北面18m有絞車房，北面45m有副井。爆破區(qū)南面277m為冷水35kV變電站，東北面39m有主井，東北面96m有高壓變電所，爆破施工環(huán)境復(fù)雜。斜廊道端頭先采用機(jī)械開挖，為后續(xù)爆破開挖創(chuàng)造自由面。見圖1。

圖1 地下廊道區(qū)域平面布置

3 爆破網(wǎng)路設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)場地形條件和巖石力學(xué)性質(zhì)，采用深孔臺階松動爆破方案，鉆孔直徑Φ90mm，乳化炸藥直徑Φ70mm。中部臺階全部使用數(shù)碼電子雷管，每孔設(shè)計(jì)1個(gè)起爆藥包，起爆藥包放置孔底。中部臺階采用逐孔起爆網(wǎng)路，各孔間隔時(shí)間按50ms設(shè)置。起爆順序由斜廊道第一排孔開始，往主廊道方向推進(jìn)。

3.1 地下主廊道全斷面開挖爆破設(shè)計(jì)

中部臺階爆破參數(shù)選擇與裝藥量計(jì)算如下：

臺階高度 H：H=8.7m，孔徑d=90mm。

超深 h：h=（8～12）d=0.72～1.08m，取h=0.8m。

底盤抵抗線 W ：W=（20～40）d=（20～40）×90=1.8～3.6m，取 W=2.5m。

孔深 L：L=H+h=8.7+0.8=9.5m。

孔距a ：a=1.2W，根據(jù)現(xiàn)場情況，取a=2.5m、3.3m。

排距 b：b=（0.8～1）a=2.4～3m，取b=2.5m。

炸藥單耗q：根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，取q=0.38kg/m3。

單孔裝藥量Q：Q=q×a×b×H。

第1列單孔裝藥量q2=7kg；第2、6列單孔裝藥量q4=7kg；第3、4、5列單孔裝藥量q3=q4=q5=28kg。

Ф70mm乳化炸藥藥卷，每卷長度0.4m，藥卷重2kg。

填塞長度L2：

第1列單孔填塞長度：4.5-7÷2×0.4=3.1m。

第2、6列單孔填塞長度：4.5-7÷2×0.4=3.1m。

第3、4、5列單孔填塞長度:9.5-28÷2×0.4=3.9m。

裝藥結(jié)構(gòu)：采用連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)。

主廊道炮孔布置如圖2。

圖2 地下主廊道炮孔布置

表1 中部臺階爆破參數(shù)表

3.2 斜廊道全斷面開挖爆破設(shè)計(jì)

中部臺階爆破參數(shù)選擇與裝藥量計(jì)算如下：

斜廊道坡度角10°36′，邊坡比1∶0.5。中部鉆孔向磨礦車間方向傾斜，鉆孔角度75°。

第1、4列炮孔深度從1～14排為1.8m、2.3m、2.8m；第2、3列炮孔深度從1～14排為1.8m、2.3m、2.8m、3.3m、3.8m、4.3m、4.8m、5.3m、5.8m、6.4m、6.9m、7.4m、7.9m、8.3m。

超深 h：h=（8～12）d=0.72～1.08m，第 1～5排孔超深0.5m，第6～9排孔超深0.6m，第10～14排孔超深0.8m。

底盤抵抗線 W ：W=（20～40）d=（20～40）×90=1.8～3.6m，取 W=2.5m。

孔距a：a=1.2W=3m，根據(jù)現(xiàn)場情況，取a=2.5m和a=2.9m。

排距 b：b=（0.8～1）a=2.4～3m，取b=2.5m。

炸藥單耗q：根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，取q=0.4kg/m3。

單孔裝藥量Q：Q=q×a×b×H。

第1、4列炮孔：第1排單孔裝藥量取q1-1=4kg；第2排單孔裝藥量取q1-2=5kg；第3～14排單孔裝藥量取7kg。

第2、3列炮孔：第1～14排單孔裝藥量見表2。

Ф70mm乳化炸藥藥卷，每卷長度0.4m，藥卷重2kg。

填塞長度L2：

第1、4列炮孔：第1排填塞長度L2-1=1m；第2排填塞長度L2-2=1.3m；第3～14排填塞長度L2-3=1.4m。

第2、3列炮孔填塞長度見表2。

表2 中部臺階爆破參數(shù)表

裝藥結(jié)構(gòu)：采用連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)。

地下斜廊道炮孔布置如圖3。

圖3 地下斜廊道炮孔布置

4 爆破安全距離計(jì)算

4.1 爆破個(gè)別飛散物的飛散距離Rf

根據(jù)瑞典湯尼克研究基金會提出的經(jīng)驗(yàn)公式：

Rf=40d/2.54=40×90/2.54≈142m

4.2 爆破個(gè)別飛散物的安全評估

按照《爆破安全規(guī)程》（GB 6722—2014）［10］規(guī)定，深孔爆破時(shí)，爆破個(gè)別飛散物對人員的安全允許距離不小于200m，計(jì)算的爆破個(gè)別飛散物距離約142m，此次警戒距離設(shè)為200m。爆破時(shí)，所有人員必須撤至200m外，以確保人員安全。

5 爆破振動及減振措施

5.1 爆破振動速度的計(jì)算

按我國常用的薩道夫斯基公式：

V=K（Q1/3/R）α

V為被保護(hù)對象所在地面質(zhì)點(diǎn)振動速度，cm/s；Q為最大同段起爆藥量，kg；R為爆破中心至被保護(hù)對象的距離，m；K、α為與爆破點(diǎn)至被保護(hù)物之間的地形、地質(zhì)以及爆破類型等有關(guān)的系數(shù)與指數(shù)。

表4 爆破振動安全允許標(biāo)準(zhǔn)

現(xiàn)場巖體裂隙發(fā)育，巖石中硬。對應(yīng)表3中，取K=150，α=1.5。

表3 不同巖性的取值

深孔松動爆破單孔最大起爆藥量28kg，距離東面絞車房 15m，計(jì)算得：V北=K(Q1/3/R)α=150(281/3/15)1.5≈ 13.66cm/s。

距離西北面雙層板房20m，計(jì)算得：V西=K(Q1/3/R)α=150(281/3/20)1.5≈ 8.87cm/s。

距離北面絞車房18m，計(jì)算得： V西=K(Q1/3/R)α=150(281/3/18)1.5≈ 10.39cm/s。

距離北面副井45m，計(jì)算得： V西=K(Q1/3/R)α=150(281/3/45)1.5≈ 2.63cm/s。

距離東北面主井39m，計(jì)算得： V西=K(Q1/3/R)α=150(281/3/39)1.5≈ 3.26cm/s。

距離東北面高壓變電所96m，計(jì)算得： V西=K(Q1/3/R)α=150(281/3/96)1.5≈ 0.45cm/s。

距離南面35kV變電站277m，計(jì)算得： V西=K(Q1/3/R)α=150(281/3/277)1.5≈ 0.17cm/s。

5.2 爆破振動對周圍建、構(gòu)筑物的安全狀態(tài)評估

根據(jù)《爆破安全規(guī)程》GB 6722—2014，露天深孔爆破f在10～60Hz之間，露天淺孔爆破f在40～100Hz之間。本次取露天深孔爆破f為10～60Hz，工業(yè)建筑物爆破振動安全允許振速4.5cm/s進(jìn)行評估，東北面高壓變電所和南面35kV變電站計(jì)算振速均小于0.5cm/s，主、副井計(jì)算振速均小于15cm/s，在爆破振動安全允許范圍內(nèi)。深孔松動爆破單孔最大起爆藥量28kg，東面絞車房振速為13.66cm/s；西北面雙層板房振速為8.87cm/s；北面絞車房振速為10.39cm/s。板房和絞車房均為臨時(shí)建筑，為了降低爆破振動可能造成的損傷，采取必要的減振措施。

5.3 減振技術(shù)措施

爆破振動波在減振孔孔壁的反射、透射和繞射，使得振動波的能量會有所衰減，同時(shí)孔壁處部分質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生彈性形變。在爆源參數(shù)和地質(zhì)條件不變的情況下，隔振效應(yīng)取決于減振孔的布置方式和參數(shù)選擇。由于減振孔孔徑具有一定的大小，沿減振孔方向存在位移間斷，爆破后應(yīng)力波在垂直于減振孔方向做功，從而透過減振孔的能量有所損耗。

楊典光運(yùn)用Midas/GTS軟件模擬了長沙地鐵一號線汽車北站基坑爆破開挖中減振孔的隔振效果，研究結(jié)果表明［11］：隨著減振孔排數(shù)的增加，由單排減振孔到兩排減振孔時(shí)隔振效果提高幅度都很大，由兩排減振孔到三排減振孔時(shí)隔振效果提高幅度有所減弱；單排減振孔孔徑a=90mm，孔距d=0.3m，荷載到減振孔的距離2m時(shí)，減振率為12.40%；主炮孔與減振孔的間距s=2m不變時(shí)，隨著減振孔直徑的增加隔振效果逐漸變好，但從工程角度來看隔振率變化不是太大；減振孔的隔振效果隨著孔距的增加而減弱且減振率基本隨著孔距的增加以相同的速率降低，在其他條件一定的情況下，隨著減振孔排數(shù)的增加，減振率不斷增加，但提高的幅度有限，隔振效果遠(yuǎn)不如增加一排減振孔明顯；減振孔由2排增加到3排，減振效果不明顯，從工程角度來說，布置2排（不含2排）以上的減振孔，經(jīng)濟(jì)上就不太合算； 減振孔離主炮孔越近，隔振效果越好，對減振率影響最大的參數(shù)為減振孔的孔距，其次為排數(shù)，再次為主炮孔到減振孔的間距，最小影響參數(shù)為孔徑；布置減振孔的情況下，可以實(shí)現(xiàn)在受保護(hù)區(qū)減小爆破振動10%～20%。

參考類似工程經(jīng)驗(yàn)，減振孔與邊列炮孔距離越小，減振效果越好，但不小于主爆孔排距，以確保爆破最小抵抗線方向不變?？紤]經(jīng)濟(jì)性，此次減振孔與邊列炮孔間距為2.5m，相鄰減振孔間距0.6m，減振孔深度10m，減振孔沿主廊道兩長邊方向布置15m。

根據(jù)公式V北=K(Q1/3/R)α計(jì)算，當(dāng)R=30m，最大段齊發(fā)炸藥量24kg，減振率達(dá)到10%時(shí)，該點(diǎn)計(jì)算振速小于工業(yè)和商業(yè)建筑物安全允許振速4.5cm/s，故只要在主廊道端頭及兩長邊側(cè)15m布置減振孔，以減小爆破振動可能對設(shè)備部件和建筑的損傷。

通過運(yùn)用TC4850爆破測振儀測得東面絞車房地面實(shí)際爆破振動速度V絞=11.2cm/s，比理論計(jì)算值降低2.46cm/s，減震率為18%。爆破后對廠房設(shè)備、井筒、變電所等進(jìn)行檢查，均未發(fā)現(xiàn)異常情況。

6 結(jié)論

（1）地下廊道巖層為強(qiáng)風(fēng)化至中風(fēng)化凝灰?guī)r，爆破參數(shù)選擇：孔徑90mm，藥卷直徑70mm，孔距3.3m，排距2.5m，炸藥單耗0.38～0.4kg/m3，爆破后塊度均勻，巖塊粒徑小于80cm，可以滿足基坑松散爆破開挖和鏟裝要求。

（2）通過在基坑的北面和西面搭建雙層隔離排架，掛雙層密目網(wǎng)，消除了飛散物可能對板房造成的破壞。

（3） 爆破后對廠房設(shè)備、井筒、變電所進(jìn)行檢查，均未發(fā)現(xiàn)異常情況。沿主廊道端頭及兩長邊側(cè)15m布置減振孔，減振孔與邊列炮孔間距2.5m，相鄰減振孔間距0.6m，深度10m，可以很好地減小爆破對臨時(shí)建筑物和設(shè)備部件的損傷。