楊 琳，付天杰，郭華杰

(1.深圳市安托山投資發(fā)展有限公司，深圳 518040；2.中國鐵道科學研究院，北京 100081)

爆破是城市發(fā)展中快速擴建的重要手段，在緊鄰工廠建筑物旁進行高邊坡場平作業(yè)時運用傳統(tǒng)的機械破碎或淺孔爆破無法滿足城市發(fā)展的進程和工期要求[1-3]，進行高邊坡爆破作業(yè)時，需要運用多種技術(shù)控制好高邊坡飛石、振動和噪聲影響等多種爆破有害影響[4-6]。針對高邊坡危巖爆破國內(nèi)以采用預(yù)裂、松動控制爆破為主[7-9]，興起于20世紀50年代，目前國內(nèi)外針對城市高邊坡運用電子雷管進行預(yù)裂爆破的同時控制爆破振動安全[10]，并進行了損傷規(guī)律和振動規(guī)律研究[11,12]，但此方法嚴重影響爆破進度且成本高，本文針對安托山電廠旁高危邊坡爆破，從進度與安全和成本相結(jié)合的角度出發(fā)提出了新的高危邊坡深孔爆破控制技術(shù)。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)條件

深圳美視電廠北側(cè)高危邊坡整治工程位于深圳市安托山整治工程B21-2A地塊和美視電廠之間，計劃場地初平后作為城市居住用地。山體以風化、中風化和微風化花崗巖為主，巖體節(jié)理發(fā)育，中至細粒結(jié)構(gòu)，大部分為灰色，局部肉紅色，巖石堅固性系數(shù)f=6～14。一般三、四類土和強風化至中風化的次堅石層厚在8 m以內(nèi)，局部達20 m左右，其余即為比較堅硬的弱～微風化花崗巖。經(jīng)長期風化和附近巖石開挖爆破震動的影響，山體南側(cè)高邊坡坡面上巖石裂隙張開，部分松散巖塊懸浮在坡面，存在山體不穩(wěn)定，滾石，潰坡等地質(zhì)災(zāi)害隱患。

1.2 周圍環(huán)境

電廠開挖區(qū)域東西長190 m，南北底寬102.6～118.8 m，總面積21 161.5 m2。最高點標高133.97 m，要求開挖至42.0 m，最大挖深約92 m，總開挖方量884 685.6 m3。美視電廠廠區(qū)位于山體南側(cè)和東側(cè)，其中東側(cè)坡度較緩，坡面植被發(fā)育，坡腳距美視電廠重油罐區(qū)圍墻14 m。南側(cè)為相對高度30～92 m，坡度約51°～65°的巖石高邊坡，長120 m，坡腳為美視電廠，其配有二排共8個LNG儲氣罐及配套管線，每個氣罐直徑4 m、高30 m、容量150 m3，總儲量1200 m3。坡腳距罐群圍墻15～45 m，距消防通道約12～42 m，再往南為24萬kW燃氣發(fā)電機廠房。山體與罐區(qū)的相對位置見圖1。南側(cè)東段(約70 m長)已開挖成高20余m的邊坡，坡腳是正在建設(shè)的電廠9E燃氣發(fā)電機組，一些管線和建筑直接靠近需開挖的山體。

圖 1 天然氣罐區(qū)與開挖山體的相對位置平面圖Fig. 1 The plane of the relative position between the natural gas tank area and the excavated mountain

2 工程難點

(1)工程量大、工期緊、環(huán)境極其復(fù)雜，整治工程總開挖土石方工程量達3000萬m3以上，爆破石方量在2400萬m3以上，十年的爆破施工進度要求日均開采量達到7000～10 000 m3，而電廠的發(fā)電機組、中心控制室和天然氣儲氣罐、管線對爆破振動都有嚴格的要求整個電廠在爆區(qū)的警戒范圍(200 m)以內(nèi)，距離爆破區(qū)20 m的發(fā)電機組峰值振速不能超過1 cm/s。為降低爆破震動必須嚴格控制爆破作業(yè)的最大單響藥量和爆破規(guī)模，而爆破安全與施工進度的矛盾非常突出、尖銳，對爆破施工提出了極高的技術(shù)要求。

(2)地勢高、四周全部有保護物，爆破飛石、滾石的防治難度很大。高邊坡區(qū)坡面巖體破碎，機械開挖和爆破時極易出現(xiàn)滾石，特別是美視電廠處于山體下方，距離僅5～15 m。該段山體陡峻，下部為近乎直立的巖壁(高度為15～90 m)，上部為陡坡，表面有大量的松動孤石，防護難度極大。美視電廠廠區(qū)內(nèi)有變電站、液化氣體罐，距離在15～30 m，一旦爆破飛石或滾石擊中罐體，有可能引起爆炸并發(fā)生連鎖反應(yīng)，后果不堪設(shè)想。

3 爆破方案

(1)在如此復(fù)雜的環(huán)境下進行大方量石方的爆破開挖，一律采用深孔臺階爆破方法，將整個爆區(qū)分成常規(guī)爆區(qū)、控制爆區(qū)和邊坡開挖區(qū)三部分。后排孔與坡頂線的距離超過20 m的爆區(qū)劃作常規(guī)爆區(qū)，按一般臺階深孔爆破技術(shù)進行設(shè)計施工；邊坡開挖區(qū)在臨近邊坡陡壁部分爆破時預(yù)留一定厚度的巖墻，采用巖墻深孔控制爆破技術(shù)施工，在進行內(nèi)側(cè)深孔爆破時巖墻起防爆堆逸出或防坡面滾石的作用，從而將復(fù)雜環(huán)境下的大規(guī)模石方深孔控制爆破的安全問題縮小到只對巖墻爆破進行重點控制，從而更容易控制飛石和滾石；其余部位稱為控制爆區(qū)，采用深孔控制爆破技術(shù)施工。控制爆區(qū)、巖墻爆區(qū)隨常規(guī)爆區(qū)同步下降，有利于爆堆的開挖。巖墻爆區(qū)應(yīng)滯后深孔爆破區(qū)一到二個循環(huán)，滯后量不宜過大。三個爆區(qū)均采用梅花形布孔。

(2)起爆藥和水孔中的防水炸藥使用乳化炸藥，中深孔主爆炸藥使用散裝銨油炸藥，特大塊二次爆破使用管狀乳化炸藥。

4 爆破參數(shù)設(shè)計

4.1 常規(guī)爆區(qū)

采用兩種鉆孔直徑，孔網(wǎng)參數(shù)見表1。

4.2 控制爆區(qū)

孔網(wǎng)參數(shù)見表2。

4.3 巖墻爆區(qū)

爆破參數(shù)見表3，爆區(qū)圖見圖2。

表 1 常規(guī)爆區(qū)爆破參數(shù)表Table 1 Conventional blasting zone blasting parameter table

表 2 控制爆區(qū)爆破參數(shù)表Table 2 Controlled blasting zone blasting parameter table

表 3 巖墻爆區(qū)爆破參數(shù)表Table 3 Blasting parameter table of rock wall blasting zone

(1)巖墻厚度的確定

巖墻厚度盡量薄，考慮到巖墻頂部鉆機作業(yè)的安全，巖墻頂部宜留6～8 m的寬度。為減小孔底爆破時的巖石阻力，要求巖墻靠山體內(nèi)側(cè)臨空面底部挖深挖凈，使前排巖石完全拋出，孔底巖石受夾制力減少，有利于飛石和振動控制。

(2)巖墻爆破的裝藥要求

前排孔和第二排孔按松動爆破設(shè)計，孔內(nèi)可裝銨油炸藥，同時適當增加填塞長度；靠邊坡孔裝φ60 mm乳化炸藥，填塞長度據(jù)現(xiàn)場爆破位置坡度、爆心距電廠的距離、坡面巖石破碎程度來確定，當電廠與爆心之間有一定距離、且有綜合防護體系時，可以適當減少填塞長度，增加裝藥高度。同時要保證邊孔孔內(nèi)炸藥頂?shù)撞颗c水平向?qū)?yīng)坡面的距離分別不小于1.5倍抵抗線和2倍抵抗線(排距)。爆區(qū)剖面圖如圖2。

圖 2 爆區(qū)剖面圖(單位：m)Fig. 2 Section of the explosion zone(unit:m)

(3)巖墻爆破起爆網(wǎng)路

巖墻爆區(qū)采用排間毫秒延時起爆網(wǎng)路，前兩排孔爆破時巖體順利拋出，以減少作用在坡面上的后沖力。網(wǎng)路設(shè)計中考慮排間延時達到100 ms，孔間延時25 ms以上即可。

(4)巖墻爆破后的開挖

由于巖墻較薄，內(nèi)側(cè)臨空面采用松動爆破，爆破后重點控制巖墻靠邊坡一側(cè)土石方的開挖。正常爆破后坡面應(yīng)有較多裂縫，便于用挖掘機械向內(nèi)開挖。巖墻爆前和爆后圖見圖3。

5 起爆網(wǎng)路

本次高邊坡爆破內(nèi)側(cè)山體采用分區(qū)接力起爆網(wǎng)路聯(lián)結(jié)模式，分首爆區(qū)和接力區(qū)，連接方式及雷管段別見圖4。巖墻采用多排毫秒延時起爆網(wǎng)路，兩種起爆網(wǎng)路采用孔內(nèi)導爆管毫秒起爆網(wǎng)路和孔外電雷管串聯(lián)網(wǎng)路簇聯(lián)激發(fā)導爆管網(wǎng)路的混合起爆網(wǎng)路形式。當巖墻高度降低，可增加排數(shù)，為增大排間起爆時差，控制爆破振動，前三排孔內(nèi)裝2、4、6段導爆管雷管，第四排到第十排孔內(nèi)裝7～13段導爆管雷管，從第十一排起每隔三排孔內(nèi)裝11、12、13段導爆管雷管，孔外用9段導爆管雷管接力，最后由1段電雷管激發(fā)。多排毫秒延時起爆網(wǎng)路圖如圖5。

圖 3 巖墻臨空面及裝藥Fig. 3 Rock wall surface and charge

圖 4 分區(qū)接力混合起爆網(wǎng)路示意圖(圖中：數(shù)字表示雷管段別)Fig. 4 Schematic diagram of the “zone relay” mixed initiation network (in the figure:the number indicates the detonator section)

圖 5 多排毫秒延時起爆網(wǎng)路示意圖(圖中：數(shù)字代表雷管段別)Fig. 5 Schematic diagram of multi-row millisecond delay initiation network (in the figure:the number indicates the detonator section)

6 爆破振動

2006年4月20日至2006年7月17日間，采用ZCC-20型速度拾振器、低噪聲屏蔽電纜、IDTS-3850型便攜式測振儀和計算機組成的監(jiān)測系統(tǒng)在美視電廠的貯汽罐場區(qū)，南、北主廠房，辦公樓下和樓上分別設(shè)5個振動監(jiān)測點，美視電力北側(cè)地塊最大挖深達92 m，分臺階開挖，現(xiàn)場分別對100 m、93 m、82 m、70 m、60 m和50 m六個高程的深孔爆破進行測試，進行了爆破振動速度隨高程變化規(guī)律的研究。期間共進行了50余次爆破振動監(jiān)測，取得爆破振動監(jiān)測數(shù)據(jù)500余點，得到六個平臺的爆破振動監(jiān)測數(shù)據(jù)。

將各臺階爆破振動數(shù)據(jù)按下式(1)進行回歸分析，可以得到各臺階的爆破振動傳播規(guī)律經(jīng)驗公式中的K和α值(表4)。

(1)

表 4 各臺階爆破振動傳播規(guī)律K、α值Table 4 The propagation law of blasting vibration of each step K,α value

并可得到如下規(guī)律：隨著爆破臺階高度降低，系數(shù)K逐漸增大；衰減指數(shù)α隨爆破臺階高度降低也有增加的趨勢。

不同高程時將式(1)按線形關(guān)系進行修正

(2)

式中，K1、α1為隨高程差變化振動速度衰減規(guī)律的修正系數(shù)。

以最底層50 m臺階(系指臺階頂面高程，臺階地面高程與測點高程基本在同一水平上)統(tǒng)計回歸得到的K為1，可以計算得到個臺階的K1值，并經(jīng)統(tǒng)計計算得到K1與Δh間的關(guān)系，統(tǒng)計結(jié)果見表5。

表 5 K、K1值及Δh的統(tǒng)計表Table 5 Statistical table of K,K1 value and Δh

進行回歸分析后，可得：K1值與Δh間按線性關(guān)系變化時，滿足下列關(guān)系式

K1=(-0.0156Δh+0.857)K

相關(guān)性系數(shù)r=0.9483

同樣經(jīng)統(tǒng)計計算可以得到α1與Δh間的關(guān)系，統(tǒng)計結(jié)果見表6。

表 6 α、α1值及Δh的統(tǒng)計表Table 6 Statistical table of α,α1 value and Δh

進行回歸分析后，可得：α1值與Δh間按線性關(guān)系變化時，滿足下列關(guān)系式

α1=-0.0045Δh+0.9909

相關(guān)性系數(shù)r=0.9177

從而得到爆破振動隨高程變化的線形修正公式

式中：Δh為爆心與測點間的高程差，Δh>0。

若按指數(shù)關(guān)系變化，可得爆破振動隨高程變化的線性修正公式

式中：Δh為爆心與測點間的高程差，Δh>0。

7 巖墻爆破時的防護

7.1 坡面滾石的控制

在常規(guī)爆區(qū)與巖墻爆區(qū)之間設(shè)立控制爆區(qū)，其裝藥量、布孔排數(shù)均小于常規(guī)爆區(qū)，可以減少對坡面的振動影響，防止?jié)L石產(chǎn)生，同時嚴格控制巖墻爆區(qū)靠坡面一排孔的側(cè)向抵抗線和裝藥量。為防滾石，在高危邊坡坡腳外一定距離處設(shè)置以集渣坑、排架和擋墻組成的綜合防護體系。排架用三排鋼管腳手架搭設(shè)，寬3.0 m，高12～18 m，并在內(nèi)側(cè)懸掛一到二層竹排，外側(cè)覆安全網(wǎng)；緊靠排架底部設(shè)置頂寬3.0 m、底寬4.0 m、高3.0 m的砂袋擋墻，同時開挖集渣坑，見圖6。排架主要防邊坡滾石和個別飛石，擋墻主要對邊坡滾落石塊起柔性阻擋作用，不至于破壞排架；集渣坑則主要容納滾石。同時在排架處加設(shè)垛柱，增加其穩(wěn)定性。

圖 6 防護排架Fig. 6 Protective shelf

7.2 爆破飛石的控制

在巖墻深孔爆破中，控制飛石的技術(shù)措施主要有：

(1)控制前排孔最小抵抗線的方向，注意地質(zhì)薄弱面。

(2)加強現(xiàn)場監(jiān)管，保證堵塞質(zhì)量。填塞料使用粒徑4～9 mm的砂和礫石，要避免填塞長度小于抵抗線，填塞長度太小將會產(chǎn)生臺階頂部的漏斗作用，從而引起飛石過遠。

(3)清理臺階面上的松動石塊，特別是炮孔附近的石塊，它們在爆炸氣體由孔口沖出時較易飛射出去。

(4)正確布置起爆網(wǎng)路，確定合理的毫秒延時間隔。理想的延遲時間應(yīng)該在為被爆巖體向前移動準備足夠的時間、以空出接納后爆巖體的充足空間的同時，先爆巖體可以對后爆巖體有一定的保護作用。延遲時間過短，后爆巖體無水平膨脹的空間，勢必會向上運動，出現(xiàn)上向飛石；延遲時間過長，因先爆巖體移動距離過大，造成它對后爆巖體保護作用消失，就可能產(chǎn)生飛石、空氣沖擊波和大塊。經(jīng)多次爆破試驗證明圖4和圖5的起爆網(wǎng)路及延期時間最佳。

8 結(jié)論

針對市內(nèi)復(fù)雜環(huán)境下大規(guī)模深孔控制爆破得到如下結(jié)論：

(1)考慮工期與振動安全，針對復(fù)雜環(huán)境的高邊坡爆破提出了常規(guī)爆區(qū)、控制爆區(qū)和巖墻爆區(qū)的分區(qū)域爆破，并通過實踐經(jīng)驗提出了每個爆區(qū)的深孔控制爆破參數(shù)，尤其是巖墻爆區(qū)孔底與邊坡面水平距離不小于2倍抵抗線，裝藥頂部與坡面水平距離不小于1.5倍抵抗線。

(2)針對高邊坡深孔控制爆破提出了內(nèi)側(cè)巖體用分區(qū)接力起爆網(wǎng)路，巖墻用多排毫秒延時起爆網(wǎng)路，較常規(guī)的排間順序起爆網(wǎng)路簡單，準爆性高，經(jīng)濟成本低，并在現(xiàn)場驗證了其可靠性，同時保證了爆破振動和飛石的安全。

(3)針對高邊坡進行了爆破振動速度隨高程變化規(guī)律的研究，提出了線形修正公式，為類似工程施工提供了借鑒。

(4)對高危邊坡底設(shè)置了防護排架、集渣坑和擋墻組成的防護體系，進行了爆破滾石和飛石的控制，并用實踐證明了其可靠性，為類似工程提供了借鑒。