雷 振，孫鵬昌，盧文波，李福千，聶 攀，陳 明

(1.中國(guó)水利水電第八工程局有限公司，長(zhǎng)沙 410004；2.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072)

溝槽爆破作為現(xiàn)代工程爆破的重要組成部分，廣泛應(yīng)用于公路和鐵路的路塹開(kāi)挖，水利水電工程中的引水渠道和壩基齒槽開(kāi)挖，城市建設(shè)中的油氣管道、給水排水管道和電纜溝基礎(chǔ)開(kāi)挖，以及高聳建筑物的基坑開(kāi)挖等。溝槽爆破作為一種特殊形式的臺(tái)階爆破，具有如下不同于一般臺(tái)階爆破的典型特征[1-4]：①溝槽狹窄，巖石所受到的夾制作用大，難以一次達(dá)到預(yù)期開(kāi)挖效果；②爆區(qū)范圍長(zhǎng)，地質(zhì)條件復(fù)雜多變，設(shè)計(jì)施工時(shí)需不斷調(diào)整爆破參數(shù)；③溝槽開(kāi)挖斷面小，首次爆破一般僅有向上的臨空面，為取得理想的爆破效果，常采用延時(shí)控制爆破技術(shù)，即利用先爆孔的“掏槽”作用，為后續(xù)炮孔的爆破創(chuàng)造自由面及巖石碎脹空間。

由于溝槽爆破具有不同于一般臺(tái)階爆破的典型特征，實(shí)施溝槽爆破后往往較難獲得預(yù)期的溝槽開(kāi)挖成型效果，參考類(lèi)似工程的溝槽爆破方案設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，有助于改善溝槽爆破開(kāi)挖成型效果。高文學(xué)等[3]基于供水工程溝槽石方爆破，提出了深孔和淺孔結(jié)合、分段裝藥以及延時(shí)起爆等爆破技術(shù)方案，獲得了理想的溝槽爆破效果。張憲堂等[4]結(jié)合西氣東輸工程天然氣輸氣管道溝開(kāi)挖工程的特點(diǎn)，探討了溝槽石方爆破的設(shè)計(jì)原則和爆破施工方案，選擇了深孔爆破和淺孔爆破相結(jié)合、分段裝藥和排間延時(shí)起爆等爆破技術(shù)方案，取得了良好的爆破效果。梁志榮等[5]根據(jù)多次爆破試驗(yàn)結(jié)果，針對(duì)不同的開(kāi)挖巖層，采用不同的鉆孔爆破方案，較順利地完成了管溝開(kāi)挖工程。李建科等[6]在油氣管線溝槽爆破中采用了含輔助爆破孔的主爆孔推進(jìn)式起爆網(wǎng)路，取得了良好的爆破效果。胡勤等[7]通過(guò)高層建筑基槽預(yù)裂爆破開(kāi)挖實(shí)踐，驗(yàn)證了預(yù)裂溝槽爆破方法進(jìn)行基礎(chǔ)原槽開(kāi)挖的可行性。張若松等[8]采用分段毫秒延時(shí)爆破等技術(shù)措施獲取得了電纜隧道開(kāi)挖預(yù)期爆破效果。以上溝槽爆破工程提供了溝槽爆破方案設(shè)計(jì)原則和典型溝槽爆破技術(shù)方案，可供一般溝槽爆破工程參考，在參考類(lèi)似工程溝槽爆破方案設(shè)計(jì)原則和經(jīng)驗(yàn)的同時(shí)，仍需要開(kāi)展爆破試驗(yàn)，以根據(jù)爆破試驗(yàn)效果逐步優(yōu)化設(shè)計(jì)施工時(shí)采用的爆破參數(shù)。

深圳地鐵12號(hào)線赤灣停車(chē)場(chǎng)巖石堅(jiān)硬，溝槽爆破開(kāi)挖工程量大，開(kāi)挖工期緊張，初期確定的爆破方案開(kāi)挖成型效果不夠理想，需進(jìn)行爆后二次處理，在既定工期內(nèi)難以完成溝槽開(kāi)挖。因此，施工前期開(kāi)展了3類(lèi)爆破方案共9次生產(chǎn)性爆破試驗(yàn)，以逐步優(yōu)化溝槽爆破參數(shù)，從而確定赤灣停車(chē)場(chǎng)經(jīng)濟(jì)合理的溝槽爆破方案，以確保溝槽開(kāi)挖如期保質(zhì)完工。每次爆破試驗(yàn)后，開(kāi)展溝槽兩側(cè)輪廓面半孔率、欠挖區(qū)域檢測(cè)以及溝槽底板超欠挖測(cè)量，通過(guò)對(duì)比分析不同試驗(yàn)的爆破效果，并綜合考慮施工成本和施工效率，最終優(yōu)選出經(jīng)濟(jì)合理的爆破方案。

1 工程概況

深圳地鐵12號(hào)線赤灣停車(chē)場(chǎng)位于深圳市南山區(qū)赤灣山西南角，停車(chē)場(chǎng)地塊基本呈長(zhǎng)方形，長(zhǎng)約1 050 m，最寬處約370 m，最窄處約90 m。停車(chē)場(chǎng)工程內(nèi)包括運(yùn)用庫(kù)區(qū)、咽喉區(qū)、綜合樓以及洗車(chē)庫(kù)等單體結(jié)構(gòu)，其平面布置如圖1所示。停車(chē)場(chǎng)運(yùn)用庫(kù)區(qū)的絕大部分場(chǎng)地的基礎(chǔ)類(lèi)型為大型承臺(tái)加連梁基礎(chǔ)，承臺(tái)尺寸主要為長(zhǎng)×寬×高=7.8 m×6.6 m(5.9 m)×5.0 m，承臺(tái)頂面標(biāo)高為4.8 m，現(xiàn)場(chǎng)施工開(kāi)挖面標(biāo)高為4.8 m，即承臺(tái)基坑需開(kāi)挖至標(biāo)高-0.3 m，開(kāi)挖深度為5.1 m，其中10 cm為墊層厚度。承臺(tái)基坑采用溝槽爆破并輔以機(jī)械破碎敲除欠挖區(qū)域的方案進(jìn)行開(kāi)挖。前期開(kāi)展的溝槽爆破效果欠佳，普遍存在欠挖現(xiàn)象，而溝槽寬度最小僅為5.9 m，破碎機(jī)械作業(yè)范圍受到較大限制。因此，需確定經(jīng)濟(jì)合理的溝槽爆破方案，改善溝槽成型效果，降低施工成本，提高施工效率，保障施工安全和進(jìn)度。

圖1 赤灣停車(chē)場(chǎng)平面布置

表1 赤灣停車(chē)場(chǎng)巖體物理力學(xué)參數(shù)

運(yùn)用庫(kù)區(qū)標(biāo)高4.8 m以下巖體以微風(fēng)化花崗巖為主，節(jié)理裂隙較發(fā)育，以陡傾角節(jié)理為主，平均間距0.2～1.6 m，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅱ～Ⅲ類(lèi)，開(kāi)挖區(qū)內(nèi)巖體主要物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。由于受到上層深孔梯段臺(tái)階爆破的影響，運(yùn)用庫(kù)區(qū)標(biāo)高4.8 m以下約0.5～1.5 m范圍內(nèi)的巖體受爆破荷載沖擊作用強(qiáng)烈，導(dǎo)致該部分巖體次生裂隙較發(fā)育、多松動(dòng)破碎、整體性較差。

2 溝槽爆破試驗(yàn)方案

赤灣停車(chē)場(chǎng)溝槽開(kāi)挖前期共進(jìn)行了9次生產(chǎn)性試驗(yàn)，以確定經(jīng)濟(jì)合理的溝槽爆破方案，這9次生產(chǎn)性試驗(yàn)可分為48 mm孔徑、76 mm孔徑以及76 mm孔徑含導(dǎo)向孔3類(lèi)爆破方案，每次爆破試驗(yàn)的具體爆破參數(shù)會(huì)根據(jù)前次爆破試驗(yàn)效果進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。溝槽設(shè)計(jì)開(kāi)挖深度為5.1 m，所有炮孔均鉆設(shè)為垂直炮孔，溝槽輪廓面成型采用預(yù)裂爆破技術(shù)，每次試驗(yàn)布置6～7排主爆孔，各次試驗(yàn)具體采用的爆破參數(shù)如表2所示。爆破方案中涉及到的導(dǎo)向孔是指兩相鄰預(yù)裂孔間的不裝藥空孔，其作用在于誘導(dǎo)預(yù)裂成縫[9-10]。此外，有3次爆破試驗(yàn)采用了復(fù)合消-聚能爆破技術(shù)，該技術(shù)的詳細(xì)原理、裝藥結(jié)構(gòu)以及實(shí)施方法等可參考文獻(xiàn)[11-12]。

表2 溝槽爆破方案分類(lèi)及具體參數(shù)

48 mm孔徑和76 mm孔徑爆破方案中，主爆孔均徑向不耦合、軸向連續(xù)裝藥，預(yù)裂孔則徑向不耦合、軸向不連續(xù)裝藥，且預(yù)裂孔底加強(qiáng)裝藥。76 mm孔徑含導(dǎo)向孔爆破方案中，與預(yù)裂孔相鄰的兩列主爆孔徑向不耦合、軸向分段裝藥，其余主爆孔及預(yù)裂孔的裝藥結(jié)構(gòu)與48 mm孔徑和76 mm孔徑爆破方案的裝藥結(jié)構(gòu)類(lèi)似。48 mm孔徑爆破方案均布置5列主爆孔，76 mm孔徑爆破方案均布置3列主爆孔，76 mm孔徑含導(dǎo)向孔爆破方案均布置4列主爆孔，典型的爆區(qū)炮孔橫剖面如圖2所示。主爆孔內(nèi)均采用雙發(fā)MS9導(dǎo)爆管雷管起爆，主爆孔段間采用MS3導(dǎo)爆管雷管延時(shí)，預(yù)裂孔采用導(dǎo)爆索傳爆，典型的起爆網(wǎng)路如圖3所示。

圖2 典型炮孔橫剖面(B2)

圖3 典型起爆網(wǎng)路(B1)

3 爆破試驗(yàn)效果

3.1 輪廓面成型效果

各次爆破試驗(yàn)出渣完成后，對(duì)溝槽南北兩側(cè)的輪廓面成型效果進(jìn)行宏觀檢測(cè)，主要檢查的項(xiàng)目包括輪廓面的半孔率、欠挖分布區(qū)域和上部巖體完整性。典型輪廓面成型效果如圖4所示?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)得到的各次爆破試驗(yàn)輪廓面成型效果如表3所示。

圖4 典型爆破試驗(yàn)輪廓面開(kāi)挖效果(C3)

表3 各次爆破試驗(yàn)輪廓面成型效果

由于受到上層深孔梯段臺(tái)階爆破的影響，溝槽上部巖體整體性較差，因此主要以輪廓面半孔率和欠挖區(qū)域大小評(píng)價(jià)溝槽爆破開(kāi)挖成型效果。比較表3中各次爆破試驗(yàn)輪廓面成型效果可知，A2、B3、C1、C3爆破試驗(yàn)的輪廓面成型效果較好。上述輪廓面成型效果較好的幾組試驗(yàn)中，預(yù)裂孔間距均較小或設(shè)置了導(dǎo)向孔，預(yù)裂孔間距減小0.15 m左右或設(shè)置導(dǎo)向孔，溝槽兩側(cè)輪廓面半孔率提高20%以上；且除48 mm孔徑爆破方案外，預(yù)裂孔單孔藥量均不低于1.95 kg，主爆孔超深0.7～0.9 m，預(yù)裂孔超深0.4～0.6 m。

3.2 底板超欠挖

各次爆破試驗(yàn)出渣完成后，采用RTK測(cè)量溝槽底板高程，由于受降雨天氣、現(xiàn)場(chǎng)排水條件以及欠挖清除作業(yè)等客觀條件限制，測(cè)量得到B1、B2、B3、C2、C3爆破試驗(yàn)的爆后底板高程，其結(jié)果如表4所示。

表4 各次爆破試驗(yàn)底板超欠挖測(cè)量結(jié)果

由表3、表4可知，對(duì)于76 mm孔徑爆破方案，在B1、B2、B3爆破試驗(yàn)中，B3爆破試驗(yàn)溝槽底板的開(kāi)挖效果最好，B2爆破試驗(yàn)溝槽底板的開(kāi)挖效果次之，B1爆破試驗(yàn)溝槽底板的開(kāi)挖效果不夠理想，這與B1、B2、B3爆破試驗(yàn)?zāi)媳眱蓚?cè)輪廓面成型效果相對(duì)應(yīng)，兩側(cè)輪廓面成型效果越好，其底板超欠挖控制得越好。上述認(rèn)識(shí)與現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行欠挖處理的經(jīng)驗(yàn)一致，溝槽兩側(cè)輪廓面成型效果在很大程度上反映了其底板的超欠挖狀態(tài)，因此，對(duì)于條件限制而未能進(jìn)行溝槽底板測(cè)量的其他試驗(yàn)區(qū)域，采用其兩側(cè)輪廓面成型效果表征其底板超欠挖狀態(tài)基本上是可行的。

根據(jù)表4，對(duì)于76 mm孔徑含導(dǎo)向孔爆破方案，C2爆破試驗(yàn)溝槽底板的開(kāi)挖效果較C3爆破試驗(yàn)溝槽底板的開(kāi)挖效果好，總體而言，兩者均較76 mm孔徑爆破方案的溝槽底板開(kāi)挖效果好，可見(jiàn)復(fù)合消-聚能爆破加強(qiáng)了孔底平面處局部應(yīng)力，增加了孔間巖體破碎，有助于獲得平整度滿足工程要求的水平建基面[11-12]。

4 爆破參數(shù)優(yōu)選

溝槽兩側(cè)輪廓面上部巖體的完整性主要與巖體本身性質(zhì)、上層深孔梯段爆破有關(guān)，因此評(píng)價(jià)溝槽爆破開(kāi)挖成型效果主要以南北兩側(cè)輪廓面半孔率、欠挖區(qū)域大小以及底板超欠挖情況為依據(jù)，為分析不同爆破參數(shù)對(duì)溝槽爆破開(kāi)挖成型效果的影響，已將各次試驗(yàn)的參數(shù)及效果統(tǒng)計(jì)于表2～表4中。分析表2～表4，可得到如下幾點(diǎn)：①預(yù)裂孔間距對(duì)溝槽兩側(cè)輪廓面成型有重要影響，預(yù)裂孔間距越小，溝槽輪廓成型效果越好，且在兩相鄰預(yù)裂孔間鉆設(shè)導(dǎo)向孔有利于改善輪廓面成型效果；②主爆孔超深在0.7 m以上才能取得較好的爆破效果，適當(dāng)增加主爆孔超深有利于改善爆破效果；③預(yù)裂孔底部加強(qiáng)段裝藥越大，溝槽爆破效果越好；④主爆孔單孔藥量對(duì)溝槽爆破效果影響不大。

實(shí)際上，在優(yōu)選爆破參數(shù)時(shí)，除了考慮爆破開(kāi)挖成型效果外，還需兼顧施工可行性、施工成本和施工效率,因此，有如下4點(diǎn)考慮。

1)由于采用48 mm直徑鉆桿鉆孔效率低下，成本較高[13]，在現(xiàn)場(chǎng)施工工期較為緊張的情況下，不考慮48 mm直徑炮孔的爆破方案。

2)對(duì)于鉆設(shè)導(dǎo)向孔，在取得相同爆破開(kāi)挖成型效果的條件下，預(yù)裂炮孔的鉆孔數(shù)量是不設(shè)置導(dǎo)向孔時(shí)的1.6倍，鉆孔成本和施工效率均受到影響，因此不建議采用鉆設(shè)導(dǎo)向孔的方式布置預(yù)裂孔。

3)對(duì)于主爆孔沿溝槽軸線方向布置3列和4列2種方案，在取得相同爆破開(kāi)挖成型效果的條件下，兩者炸藥消耗量基本相同，但是布置4列方案的鉆孔數(shù)量是布置3列方案的1.3倍，雷管用量也相應(yīng)提高0.3倍，且施工人員現(xiàn)場(chǎng)裝藥填塞聯(lián)網(wǎng)的工作量變大，施工成本和和效率均受到影響，因此建議采用主爆孔沿溝槽軸線方向布置3列的方案。

4)在取得相同爆破開(kāi)挖成型效果的條件下，考慮到復(fù)合消-聚能爆破能夠減小底板欠挖，且炮孔超深也可一定程度的減小，欠挖處理和鉆孔成本有相當(dāng)大幅的降低，而復(fù)合消-聚能爆破新增的成本相當(dāng)?shù)土瑢?duì)正常的爆破施工作業(yè)基本沒(méi)有影響，能節(jié)省一定的施工成本。

綜上所述，考慮現(xiàn)場(chǎng)鉆孔機(jī)械配置和溝槽開(kāi)挖寬度為5.9 m，在輪廓面成型效果較好的幾組爆破試驗(yàn)參數(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合施工效率和施工成本的考量，優(yōu)選2組爆破開(kāi)挖成型效果較好、施工成本相對(duì)較低、施工效率較高的爆破參數(shù)(見(jiàn)表5)。

表5 優(yōu)選的爆破參數(shù)

5 結(jié)語(yǔ)

1)深圳赤灣停車(chē)場(chǎng)溝槽爆破參數(shù)的確定是一個(gè)逐步試驗(yàn)優(yōu)化的過(guò)程，在對(duì)比分析爆后溝槽兩側(cè)輪廓面半孔率、欠挖區(qū)域以及底板超欠挖狀態(tài)的基礎(chǔ)上，考慮施工成本和效率，優(yōu)選出2種經(jīng)濟(jì)合理的爆破方案。這種試驗(yàn)優(yōu)選的過(guò)程可為類(lèi)似工程提供參考。

2)預(yù)裂孔間距、預(yù)裂孔底部藥量和炮孔超深對(duì)溝槽爆破開(kāi)挖成型效果起主要作用。預(yù)裂孔間距減小0.15 m左右或設(shè)置導(dǎo)向孔，溝槽兩側(cè)輪廓面半孔率提高20%以上；預(yù)裂孔底部加強(qiáng)段藥量大于1.2 kg和主爆孔超深適當(dāng)增加至0.7 m以上均能有效改善底板超欠挖效果。