楊紅霞，廖健都，曹玉敏

(1.云南省滇中引水工程建設(shè)管理局，昆明 650051； 2.中國水利水電第十四工程局有限公司，昆明 650000)

目前，加強(qiáng)水利水電工程建設(shè)、加強(qiáng)中西部地區(qū)、沿江沿海沿邊戰(zhàn)略骨干通道建設(shè)成為我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的推進(jìn)重點(diǎn)，隧洞(道)建設(shè)進(jìn)入急速發(fā)展期。高陡邊坡開挖則是其中的一項(xiàng)重要內(nèi)容。以滇中引水工程為例，其地域覆蓋范圍廣，洞線多呈直線型，難以避免地會遭遇高陡地形。這些地區(qū)堆積體較厚、穩(wěn)定性較差，自然邊坡陡峭，工作面狹小，采用何種措施施工，才能既保證開挖邊界的整齊度，又能保證開挖后邊坡的穩(wěn)定性，并盡可能地節(jié)約成本，成為了一個施工難題。

松動爆破技術(shù)[1-3]正好能夠滿足這一要求。丁成蕓等[2]在礦山開采中，采用松動爆破和各種減震控制技術(shù)，降低了炸藥單耗，達(dá)到了預(yù)期的爆破效果。孫照會[4]在高陡路塹爆破開挖中，采用預(yù)裂深孔松動爆破技術(shù)、微差起爆技術(shù)，降低了爆破振動，減輕了累積爆破損傷效應(yīng)。松動爆破技術(shù)的裝藥量只有標(biāo)準(zhǔn)拋擲爆破的40%～50%，且可以有效控制邊坡爆破飛石、粉塵等，保障施工安全，在采礦、邊坡工程施工中得到了廣泛應(yīng)用[5-10]。

本文基于陡邊坡、厚層堆積體條件，提出了陡邊坡“內(nèi)-外”延遲松動爆破技術(shù)，并在滇中引水工程中取得了良好的應(yīng)用效果。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)特點(diǎn)分析

滇中引水工程蔡家村隧洞總長23.433 km，出口段邊坡設(shè)在昆明市富民縣境內(nèi)，設(shè)計(jì)開口線高程1 944.000 m，底板高程1 906.174 m，最大高差約38 m，開挖邊坡坡比為1∶0.3，坡頂距離開口線3～5 m(水平距離)范圍內(nèi)設(shè)有截水溝，1 920.000、1 927.000 m高程處設(shè)有2 m寬馬道，在人行馬道內(nèi)側(cè)設(shè)有下水道。圖1為隧洞出口邊坡縱剖面圖。

圖1 蔡家村隧洞出口邊坡縱剖面圖Fig.1 Longitudinal profile of slope at the exit of Caijiacun tunnel

出口邊坡表層為第四系坡崩積層(Q4dl+col)，其組成物質(zhì)為塊石、孤石、碎石加粉土，厚度約8.0 m，結(jié)構(gòu)較為松散，有架空現(xiàn)象。下伏基巖為震旦系燈影組(Zbdn)薄—互層狀白云巖，以表層強(qiáng)溶蝕風(fēng)化為主，巖體中存在較大的溶蝕深槽，斜坡巖體存在寬大張開的卸荷裂隙。邊坡屬于巖土混合邊坡，坡體開挖暴露后風(fēng)化加劇、遇水軟化，邊坡開口線外圍分布有多個大小不一的不穩(wěn)定危巖體，在爆破振動及強(qiáng)降雨等極端條件下容易產(chǎn)生崩塌破壞。

本項(xiàng)目爆破開挖面臨的挑戰(zhàn)是：①本項(xiàng)目開挖工程量大，線路長，且邊坡設(shè)計(jì)陡峭，坡比為1∶0.3；②地質(zhì)情況復(fù)雜，巖體受風(fēng)化嚴(yán)重，裂隙發(fā)育；③邊坡表層堆積層達(dá)到8 m，有大量的孤石、碎石等，為施工的安全性帶來了極大的威脅。

1.2 爆區(qū)周圍環(huán)境

該邊坡上部貼坡混凝土距爆破工作面約22 m，需控制爆破振動安全允許距離；邊坡下方為安富公路，高差約170 m，車輛與行人過往頻繁；距爆破工作面約200 m處有座當(dāng)?shù)刈越ǖ奶厣r(nóng)莊，游客眾多。因此，周圍復(fù)雜的環(huán)境條件對此處爆破開挖的安全性提出了極高的要求，尤其要避免落石風(fēng)險，并嚴(yán)格控制爆破飛石和粉塵。

2 陡邊坡松動爆破技術(shù)

2.1 陡邊坡“內(nèi)-外”延遲松動爆破技術(shù)

傳統(tǒng)的孔內(nèi)延遲爆破技術(shù)通過非電毫秒雷管達(dá)到分段爆破的目的。但由于炮孔較多，該技術(shù)需要受到雷管段位的限制。

孔內(nèi)外聯(lián)合延遲爆破技術(shù)通過控制時間差，在孔內(nèi)利用同一段高段位雷管延遲起爆，孔外用低段位雷管分段傳爆，確保孔外雷管全部爆破后，孔內(nèi)雷管方可爆破，有效避免了先爆孔的飛石擊中孔外雷管的引線而造成拒爆現(xiàn)象[11]。該技術(shù)理論上可以無限制地增加爆孔，滿足分段少藥量爆破的要求。爆破網(wǎng)路連接簡潔、便于區(qū)分，且能實(shí)現(xiàn)所需要的兩孔一響和分左右兩個區(qū)域微差同步間隔起爆，最終實(shí)現(xiàn)單段藥量不超標(biāo)且減少爆破次數(shù)的目的。

據(jù)此，以低單響、低單耗為控制基礎(chǔ)，以加長爆孔和分段堵塞炮孔為關(guān)鍵技術(shù)，以修正預(yù)裂孔線裝藥密度、設(shè)計(jì)孔內(nèi)外聯(lián)合爆破網(wǎng)路為核心，以表面防護(hù)等方法為保障后盾，構(gòu)建了孔內(nèi)炸藥藥量控制、裝藥結(jié)構(gòu)升級、孔內(nèi)外聯(lián)合延遲爆破設(shè)計(jì)、預(yù)留巖埂等外部防護(hù)為一體的陡邊坡“內(nèi)-外”延遲松動爆破技術(shù)，如圖2所示。

圖2 陡邊坡“內(nèi)-外”延遲松動爆破技術(shù)Fig.2 Loosening delay blasting technology for steep slope combining inter-hole and inter-row blasting and protection

具體方案設(shè)計(jì)如下：

(1)采用深孔爆炸技術(shù)，造孔設(shè)備以HCR1200-ED履帶潛孔鉆頭為主，以KQJ-100B輕型潛孔鉆頭為輔。

(2)采用低單響、低單耗的松動爆破以及相關(guān)表面防護(hù)措施，減少爆破有害效應(yīng)[12]，特別是減少爆破振動，以及不產(chǎn)生飛石、落石、粉塵，實(shí)現(xiàn)安全爆破。

(3)采用預(yù)裂爆破，保證爆后邊坡的穩(wěn)定性。

(4)采用多排孔，實(shí)現(xiàn)深孔大方量爆破。

(5)采用孔內(nèi)外聯(lián)合延遲、微差爆破，并爭取將不利影響因素降至最低。

(6)按照爆破渣堆要求，采用松動爆破，要求爆破作用指數(shù)n<0.75，此處n取0.5，屬于一般松動爆破，并使爆破后的巖塊基本松散，能夠使用機(jī)械裝卸。

2.2 松動爆破監(jiān)測與安全防護(hù)

為觀察爆破振動效應(yīng)，評估爆破效果，針對爆破過程需要進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)測。在保護(hù)體上多個位置設(shè)置爆破質(zhì)點(diǎn)振動監(jiān)測點(diǎn)，使用爆破測振儀監(jiān)測爆破振動實(shí)況。在邊坡上布設(shè)錨索應(yīng)力計(jì)、多點(diǎn)位移計(jì)等，直觀監(jiān)測錨索受力情況及邊坡變形情況，通過數(shù)據(jù)變化判斷邊坡是否穩(wěn)定。

松動爆破不允許產(chǎn)生飛石、落石、粉塵等，理論上不需要進(jìn)行表面防護(hù)。但為了保證施工安全，設(shè)計(jì)通過預(yù)留巖梗、砂袋墊底、機(jī)編網(wǎng)固定等施工措施，以及加強(qiáng)施工管控、規(guī)范作業(yè)程序、設(shè)立安全警戒等管理措施為爆破施工提供強(qiáng)有力的安全保障。

3 松動爆破工程實(shí)例

為保證滇中引水蔡家村出口邊坡爆破工程的安全性及爆破后邊坡的穩(wěn)定性，決定在邊坡下部或上部的錨索及支護(hù)工作完成后，采用低單響、低單耗、孔內(nèi)外聯(lián)合延遲爆破的松動爆破技術(shù)進(jìn)行開挖，力求最大程度減小爆破有害效應(yīng)。

3.1 松動爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1.1 主爆孔參數(shù)

(1)梯段高度。根據(jù)現(xiàn)場綜合因素、周邊環(huán)境、需保護(hù)體、爆破效率、建基面保護(hù)等情況考慮，梯段高度選擇為7 m。

(2)布孔方式。布孔方式采用梅花式，垂直孔，梅花式可以充分利用爆破能量，減小塊徑，比方形布孔能減少炸藥用量。

(3)炮孔直徑。炮孔直徑為Φ91 mm。

(4)裝藥結(jié)構(gòu)。主爆孔采用Φ70 mm藥卷連續(xù)裝藥，預(yù)裂孔則采用Φ32 mm小藥卷結(jié)合竹片間隔裝藥，炸藥選用Φ70 mm的2#巖石乳化炸藥[13]。

(5)最小抵抗線W本邊坡為白云巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖石硬度以中硬度為主，巖石的普氏系數(shù)為5～6。W=(30～40)d=(30～40)×0.091=2.7～3.6 m，取2.8 m。

(6)孔間距a與孔排距b。a=系數(shù)×W，系數(shù)一般取1～1.25;b=(0.8～1.0)m,a=2.4～3.0 m，取2.5 m。

(7)炮孔長度L的表達(dá)式為

L=H+L。

(1)

式中:H為梯段高度;L為超深，一般取0.5～2 m，堅(jiān)硬巖石取較大值，反之宜取較小值。由于開挖巖石為白云巖，且需減小爆破影響范圍，因此L取0.5 m，L=7+0.5=7.5 m。

(8)堵塞長度L1。一般情況下，堵塞長度宜為最小抵抗線的0.80～1.25倍，L1=系數(shù)×W=2.2～3.5 m。但本工程地質(zhì)條件復(fù)雜，上方堆積體較厚，且不能產(chǎn)生飛石，因此必須結(jié)合實(shí)際情況和以往爆破經(jīng)驗(yàn)，突破常規(guī)，在孔間排距計(jì)算取值時取小值的前提下，增加堵塞長度。經(jīng)反復(fù)核算、比對，本工程堵塞長度取值為4.5 m，并為了降低塊徑、提高爆破效率，采用分段堵塞的方式，第一段堵塞1 m，第二段堵塞3.5 m。

為了提高炮泥的摩擦力，炮泥一般按土∶砂∶水=5∶4∶1的比例進(jìn)行拌和，做到剛好能捏成團(tuán)為宜。

(9)單孔裝藥量Q的表達(dá)式為

Q=qaWH。

(2)

式中:q為單位炸藥消耗量(kg/m3)。結(jié)合巖石情況，松動爆破q=0.25 kg/m3，則Q=0.25×3×3×7=15.75 kg，Φ70 mm藥卷單節(jié)重20 kN，Q取值為16 kg。

3.1.2 周邊預(yù)裂孔參數(shù)

炮孔直徑為Φ91 mm，采用Φ32 mm小藥卷竹片間隔裝藥。為了克服預(yù)裂孔底部巖石的夾制力，確保預(yù)裂縫貫通，孔底采用3節(jié)Φ32 mm藥卷進(jìn)行加強(qiáng)[14]。

(1)孔間距a。a=(8～12)d=72～108 cm，一般質(zhì)量要求高、巖質(zhì)軟弱、裂隙發(fā)育者取較小值，反之取較大值。此處取80 cm[15]。

(2)不耦合系數(shù)Dr。即造孔半徑與藥卷半徑的比值，一般為2～5，巖石強(qiáng)度較大時取較小值，本工程巖石屬中等硬度，Dr=91/32=2.84，裝藥直徑選32 mm，滿足要求。

(3)炮孔長度L和堵塞長度L1。L的表達(dá)式為

(3)

式中α為傾角。

坡比1∶0.3，炮孔長度L=(7+0.5)×1.044=7.8 m。

堵塞長度L1=(10～20)d=0.91～1.82 m，取值1.25 m。

(4)線裝藥密度Δx。裝藥需保證起爆威力能貫通相鄰炮孔，同時又不損傷孔室，該裝藥密度可通過工程類比法或經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，巖石極限抗壓強(qiáng)度σ為10～150 MPa時，有

Δx=9.32σ0.53r0.38。

(4)

經(jīng)檢測，巖石極限抗壓強(qiáng)度R約為50 MPa，預(yù)裂孔半徑r為46 mm。

線裝藥密度Δx=9.32σ0.53r0.38=317 g/m。

預(yù)裂孔間距為0.8 m，修正系數(shù)采用0.8/1=0.8，線裝藥密度Δx取值317×0.8=254 g/m。

(5)單孔裝藥量Q的表達(dá)式為

Q=Δx×L=254/1 000×7.8=2 kg。

3.1.3 爆破振動安全驗(yàn)算

根據(jù)相關(guān)規(guī)范，爆破振動安全允許距離[16]按下式計(jì)算，即

(5)

式中：R為爆破振動安全允許距離，本工程為22 m；Q為炸藥量，齊發(fā)爆破時為總裝藥量，延時爆破時為最大單段藥量(kg)；V為保護(hù)對象所在地安全允許質(zhì)點(diǎn)振速(cm/s)；K，α分別為與爆破點(diǎn)至保護(hù)對象間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)，應(yīng)通過現(xiàn)場試驗(yàn)確定，在無試驗(yàn)數(shù)據(jù)的條件下，可參考表2選取。

在正式進(jìn)行爆破施工前，在出口邊坡選取了10 m×10 m×5 m段進(jìn)行爆破試驗(yàn)及爆破振動監(jiān)測。結(jié)合邊坡巖性，初取K=210，α=1.70進(jìn)行爆破設(shè)計(jì)，通過3個測點(diǎn)的爆破振動監(jiān)測數(shù)據(jù)反算，最終選取K=200，α=1.65。

單響最大裝藥量的計(jì)算式為

(6)

依據(jù)《爆破安全規(guī)程》，安全允許質(zhì)點(diǎn)振動速度見表1，表中f為頻率，結(jié)合本工程的地質(zhì)條件，此處安全允許質(zhì)點(diǎn)振速取8 cm/s。爆區(qū)不同巖性參數(shù)見表2[16]。

表1 爆破振動安全允許標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Allowable safety standard for blasting vibration

表2 爆區(qū)不同巖性的K、α值[16]]Table 2 Values of K and α of different lithology in explosion area[16]]

通過計(jì)算得允許單響最大裝藥量Q=38 kg，因此，當(dāng)實(shí)際單段雷管起爆藥量<38 kg時，爆破振動在理論上是滿足安全要求的。

3.2 起爆網(wǎng)路設(shè)計(jì)

出口邊坡總高度為38 m，上部約10 m范圍為堆積體覆蓋層，覆蓋層性狀主要為大塊石夾土，整體穩(wěn)定性差；10 m以下范圍自然邊坡和設(shè)計(jì)開挖坡度都較陡，所揭露的巖石厚度過小，不具備爆破的排數(shù)條件。因此出于安全考慮，高程1 914.674 m以上邊坡采用破碎錘機(jī)械開挖，具備條件后，高程1 907.174～1 914.674 m邊坡采用松動爆破施工，底部預(yù)留1 m保護(hù)層。

本次爆破為本項(xiàng)目的第一次松動爆破，其成功實(shí)施對于該技術(shù)在厚層堆積體條件下的應(yīng)用具有一定的參考價值。根據(jù)爆區(qū)組織規(guī)模，本次爆破每區(qū)共設(shè)6排炮孔，每排8～12個孔，起爆順序?yàn)镃1→C2→C3→C4→C5→C6，孔內(nèi)外雷管均采用非電毫秒雷管，起爆雷管采用電雷管。受允許單響最大裝藥量影響，單排孔不能一次爆破，需利用孔內(nèi)外聯(lián)合延遲爆破技術(shù)[17]，即孔內(nèi)高段位雷管(MS15)、孔外低段位雷管(MS3、MS5)，孔外單段雷管起爆藥量選用2個孔裝藥量32 kg<38 kg，詳細(xì)見圖3、圖4。

圖3 松動爆破平面圖及縱剖面圖Fig.3 Plan and longitudinal section of loosening blasting

圖4 松動爆破裝藥結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Sketch of charge structure for loosening blasting

3.3 爆破監(jiān)測與安全防護(hù)措施

3.3.1 爆破監(jiān)測

為驗(yàn)證爆破計(jì)算過程與評估爆破效果，針對本次爆破過程采取以下監(jiān)測措施，如圖5所示。

圖5 松動爆破平面布置示意圖Fig.5 Plane layout of loosening blasting

(1)爆破振動監(jiān)測。在保護(hù)體上設(shè)置3個爆破質(zhì)點(diǎn)振動監(jiān)測點(diǎn)，采用成都中科測控研發(fā)的TC-4850爆破測振儀進(jìn)行爆破振動監(jiān)測。

(2)邊坡穩(wěn)定監(jiān)測。在蔡家村出口邊坡布設(shè)3套1 000 kN錨索應(yīng)力計(jì)和3套多點(diǎn)位移計(jì)，直觀監(jiān)測錨索受力情況及邊坡變形情況，判斷爆破對邊坡穩(wěn)定性造成的影響。

3.3.2 安全防護(hù)

為保證施工安全，本次爆破設(shè)計(jì)時采取如下表面防護(hù)措施：

(1)在最外側(cè)預(yù)留不小于最小抵抗線的巖埂，不鉆孔、不裝藥，作為外側(cè)保護(hù)層，本工程預(yù)留距離3.5 m，后期采用機(jī)械開挖處理。

(2)在巖體表面先滿鋪一層25 cm厚的砂袋。

(3)在砂袋上鋪一層機(jī)編網(wǎng)，使砂袋形成整體受力，機(jī)編網(wǎng)利用直徑20@3×3 m，L=1 m的插筋固定。

4 爆破效果分析與評價

蔡家村出口邊坡采用孔內(nèi)外聯(lián)合延遲松動爆破技術(shù)，嚴(yán)格按照爆破設(shè)計(jì)參數(shù)施工，取得了較好的爆破效果，保證了爆破施工的安全性與爆破后邊坡的穩(wěn)定性。

本次爆破主爆孔總孔數(shù)為106孔，總裝藥量為1 536 kg，爆破方量5 900 m3，炸藥單耗0.26 kg/m3，與理論設(shè)計(jì)基本相符。爆破后無拒爆盲炮，巖石向上隆起，預(yù)裂面未出現(xiàn)明顯的爆破裂隙，基本無爆破飛石、粉塵等。邊坡爆破前后如圖6所示。

圖6 邊坡松動爆破前后效果Fig.6 Photos of slope before and after loosening blasting

與設(shè)計(jì)建議的破碎錘靜態(tài)開挖相比，松動爆破開挖工期僅為靜態(tài)開挖的1/5，成本節(jié)約137.8萬元。雖然最大粒徑約為60 cm(白云巖)，大塊率比靜態(tài)開挖高，但是滿足裝車要求，綜合而言具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

爆破振動監(jiān)測數(shù)據(jù)為2.3 cm/s，遠(yuǎn)小于安全允許質(zhì)點(diǎn)振動速度8 cm/s，如表3所示。爆破振動波形如圖7所示。蔡家村出口邊坡錨索測力計(jì)、多點(diǎn)位移計(jì)數(shù)據(jù)均無異常，邊坡安全穩(wěn)定，本次爆破達(dá)到了預(yù)期效果。

表3 爆破振動監(jiān)測峰值Table 3 Monitored peak values of blasting vibration

圖7 爆破振動監(jiān)測波形圖Fig.7 Waveform of monitored blasting vibration

5 結(jié) 論

(1)本文基于陡邊坡、厚層堆積體條件，提出了以低單響、低單耗為控制基礎(chǔ)，以加長爆孔和分段堵塞炮孔為關(guān)鍵技術(shù)，以修正預(yù)裂孔線裝藥密度、設(shè)計(jì)孔內(nèi)外聯(lián)合爆破網(wǎng)路為核心，以預(yù)留巖埂等防護(hù)方法為保障后盾的陡邊坡“內(nèi)-外”延遲松動爆破技術(shù)。

(2)以滇中引水工程蔡家村隧洞出口邊坡為例，驗(yàn)證了陡邊坡“內(nèi)-外”延遲松動爆破技術(shù)的良好應(yīng)用效果。通過采用松動爆破技術(shù)，嚴(yán)格執(zhí)行爆破設(shè)計(jì)參數(shù)，大大提高了陡邊坡厚層堆積體條件下爆破施工的安全性與穩(wěn)定性，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

(3)研究結(jié)果為類似工程施工提供了一定的參考經(jīng)驗(yàn)，尤其是對陡邊坡厚層堆積體條件下的松動爆破技術(shù)實(shí)踐具有較強(qiáng)的指導(dǎo)作用。