楊 琳，付天杰，郭華杰

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

在城市快速發(fā)展建設中，經(jīng)常會遇到城市建筑密集區(qū)內(nèi)進行大型高邊坡、大方量開挖場平作業(yè)，運用傳統(tǒng)的機械破碎或淺孔爆破無法滿足施工工期要求[1-3]，進行大規(guī)模深孔爆破時又會遇到爆破振動、噪聲擾民等，需要從單響藥量、爆破規(guī)模、自由面大小和爆破振動疊加等方面進行爆破振動等有害效應的控制[4-12]。目前大規(guī)模高邊坡爆破主要采用深孔臺階加預裂和光爆的組合進行爆破開挖，采用經(jīng)驗方法確定爆破參數(shù)，并在實踐中進行修正，同時采用電子雷管實現(xiàn)單孔單響并通過設定延時進行孔間爆破振動疊加來達到減振的目的[13-14]，但成本較高。本文以深圳安托山大規(guī)模深孔爆破為例，經(jīng)3 300余次爆破摸索出了簡單適用的爆破網(wǎng)路，以期為類似工程提供借鑒。

1 工程概況與難點分析

1.1 地質(zhì)條件

安托山整治工程位于深圳市福田區(qū)北環(huán)路南安托山片區(qū)，開挖山體原始地貌為丘陵地帶，地形變化很大，山體以風化、中風化和微風化花崗巖為主，山體已開挖部分已露出風化石和表土，下部為微風化花崗巖，巖體節(jié)理發(fā)育，巖石結(jié)構(gòu)為中至細粒結(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。

根據(jù)勘探結(jié)果，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，邊坡有風化巖石和破碎巖石存在。開挖山體的最高位置+180.09 m、次高點+173.1 m均位于B21-2地塊，開挖后西側(cè)場地底標高為+41.0 m，東側(cè)場地標高為+56.0 m。最大開挖深度達138 m。

1.2 周圍環(huán)境

安托山山體爆區(qū)周圍的環(huán)境較復雜，距山體北面山腳約20 m處為北環(huán)大道輔路，北環(huán)路順山體坡腳延伸長度約120 m，邊坡坡度1∶0.75，邊坡頂高出北環(huán)路路面最高達26 m；山體南側(cè)距山腳14 m為美視電廠重油罐區(qū)圍墻，距山腳15～45 m為8個LNG儲氣罐及配套管線的圍墻，總儲量達1 200 m3，此處山體為高度30～92 m、長度120 m、坡度約51°～65°的巖石高邊坡，另山體南側(cè)緊臨建工村，其有數(shù)十棟房屋距離坡腳僅1 m，山體自然坡面大致成1∶0.75的坡度，坡頂高出地面18～30 m；山體東側(cè)為工業(yè)園區(qū)，其廠房距開挖邊界僅15～20 m，與爆區(qū)相鄰長度達190 m；山體西側(cè)坡腳距深云路約10 m，與深云路相鄰接長度約90 m，西北側(cè)距深云立交橋約40 m，與深云路至北環(huán)路的匝道緊靠。 安托山爆破分區(qū)位置如圖1所示。

圖1 安托山爆破分區(qū)位置

1.3 工程難點

1)工程量大、工期緊、環(huán)境極其復雜，爆破施工進度要求日均開采量達到7 000～1 0000 m3，總爆破方量達1 600 萬m3，而爆破振動的安全要求又非常嚴格，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。在不縮小爆破規(guī)模的前提下，需要選擇合理的深孔爆破起爆網(wǎng)路來解決安全與進度的矛盾。

2)地勢高、高度為15～90 m的高邊坡山體離電廠、建筑物和北環(huán)快速路較近，只有5～15 m的距離，坡面巖石風化破碎，爆破飛石、滾石的防治難度大，對高邊坡選擇合理的深孔爆破起爆網(wǎng)路可在不影響交通的前提下控制飛石和滾石。

2 爆破方案與參數(shù)設計

2.1 方案設計

1)山體分常規(guī)爆區(qū)和邊坡開挖區(qū)，山體全部采用自上而下分臺階鉆孔爆破方法進行，挖深超過5 m的常規(guī)爆區(qū)采用深孔臺階爆破，挖深小于5 m區(qū)域，實施淺孔臺階爆破。在距離北環(huán)路、電廠、居民建筑物100 m范圍內(nèi)采用孔徑d=76 mm的深孔和淺孔臺階控制爆破，深孔臺階爆破主體臺階高度為10 m，挖深超過14 m時采用2個臺階爆破，小于14 m時采用一個臺階，超過100 m的區(qū)域采用孔徑76 mm和115 mm的深孔臺階控制爆破，地塊西區(qū)分為1～2個臺階作業(yè)，中區(qū)分2～3個臺階作業(yè)，東區(qū)分9～10個臺階作業(yè)，每個臺階作業(yè)面的寬度不小于20 m，分區(qū)以控制爆破振動的同時加快爆破進度為原則。

2)爆破最小抵抗線方向背向或側(cè)向爆區(qū)周圍保護物，在鄰近電廠、地鐵、房屋等邊坡開挖區(qū)域爆破時采用預留巖墻的側(cè)向無逸出深孔爆破技術。為加快爆破進度，利于爆堆開挖，故將邊坡開挖區(qū)與深孔爆破區(qū)臺階高度一致，同步下降。另外邊坡開挖區(qū)前2排裝銨油炸藥加強松動，靠邊坡孔裝乳化炸藥以預裂為主。邊坡開挖區(qū)應滯后深孔爆破區(qū)1～2個循環(huán)，滯后量不宜過大。

3)深孔和淺孔爆破區(qū)采用分區(qū)接力起爆網(wǎng)路和多排毫秒延時起爆網(wǎng)路，邊坡開挖區(qū)采用多排毫秒延時起爆網(wǎng)路，每個爆區(qū)選取合理的起爆方向、排數(shù)、單段起爆藥量和填塞長度，嚴格控制爆破有害效應(飛石、振動)的危害。

4)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。

2.2 參數(shù)設計

深孔臺階爆破參數(shù)和淺孔臺階爆破參數(shù)如表1、表2所示。

表1 深孔臺階控制爆破參數(shù)

表2 淺孔臺階鉆孔控制爆破參數(shù)

鉆孔孔徑的選擇直接影響到鉆爆成本，一般孔徑越大，鉆爆成本越低，但對爆破振動控制不利，故距離被保護物小于100 m區(qū)域內(nèi)的深孔臺階爆破鉆孔直徑以d=76 mm為主，距離被保護物大于100 m區(qū)域可以用直徑d=115 mm的鉆孔，淺孔臺階鉆孔爆破采用直徑d=76 mm的鉆孔，鉆孔深度不小于3 m。填塞長度和裝藥長度隨孔徑和炸藥種類變化，裝銨油炸藥和乳化炸藥時線裝藥密度4.0 kg/m和3.0 kg/m，按單耗q=0.4～0.55 kg/m3確定藥量。邊坡開挖區(qū)采用d=76 mm的鉆孔直徑，其他參數(shù)同上。

在工程開工不久，為準確確定安托山片區(qū)深孔爆破振動效應的有關系數(shù)和衰減指數(shù)，進行了多次測振試驗。采用TOPBOX爆破振動自記儀和CD-21型磁電式速度傳感器。對測試數(shù)據(jù)進行最小二乘法回歸后得：K=87.3；α=1.41。(相關系數(shù)R=0.880 2)。

即：安托山片區(qū)爆破振動的衰減規(guī)律為

(1)

3 爆破網(wǎng)路

深孔臺階爆破采用毫秒延時起爆網(wǎng)路，通過設置排、孔間延時時間對單段齊發(fā)藥量進行控制來降低爆破振動強度，合理的延時時間可有效降低爆破振動強度并避免飛石。延時起爆網(wǎng)路的正確選擇，可減少爆破時的地震波、空氣沖擊波的強度和爆破碎塊的飛散距離，可以控制爆堆的堆積位置、減少爆后巖石的大塊率、改善爆堆的松散程度，有利于爆區(qū)周圍各類建(構(gòu))筑物和人員、財產(chǎn)的安全防護。

瑞典諾貝爾公司的研究認為：理想的延時時間應該是在后爆炮孔起爆之前必須保證先爆巖體已經(jīng)向前移動了三分之一的抵抗線距離。這時候的延時時間，與先爆炮孔的底盤抵抗線成正比，即：

Δt=k·W1

(2)

式中：k為系數(shù)，在硬巖中k=10 ms/m，在軟巖中k=30 ms/m，一般情況下k=15 ms/m；W1為先爆炮孔的底盤抵抗線，m。

孔間延時時間不要太長，以避免個別炮孔抵抗線變小。在多排孔爆破中，排間延時時間要大于孔間延時時間。對安托山工程，當鉆孔直徑d=76 mm時，取W1=2.5 m，合理的延時時間應為25～40 ms。

在網(wǎng)路設計時，各段雷管延時時間計算采用的是均值td(標稱起爆時間)，而每發(fā)雷管實際都有延遲時間偏差，可能較td提前或推后。又由于雷管段位的有限，故現(xiàn)場設計了2套起爆網(wǎng)路：分區(qū)接力起爆網(wǎng)路和多排毫秒延時起爆網(wǎng)路。

3.1 分區(qū)接力起爆網(wǎng)路

分區(qū)接力起爆網(wǎng)路采用孔內(nèi)導爆管毫秒延時起爆網(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，當孔內(nèi)導爆管起爆網(wǎng)路的分段數(shù)不足時，孔外采用毫秒電雷管接力，如仍不能滿足分段要求，則進一步采用導爆管毫秒雷管接力網(wǎng)路(見圖2)。

注：數(shù)字表示雷管段別。

3.1.1 布置原則

1)分區(qū)接力起爆網(wǎng)路的設計原則?，F(xiàn)場受場地、機械和工期的限制，部分深孔爆破工程往往不能按部就班進行，往往需要未爆區(qū)的鉆孔和已爆區(qū)的開挖同步進行，由于爆破方量大，在上一循環(huán)的爆堆還未清理干凈的清況下未爆區(qū)的臨空面狀況無法清楚掌握，為盡可能加快鉆孔和爆破進度。網(wǎng)路設計只能根據(jù)爆破區(qū)的位置、高程及周圍建筑物對爆破振動的控制要求臨時安排。首先確定該爆區(qū)單段最大藥量，再依照該次爆破的總孔數(shù)，確定分段數(shù)。如果分段數(shù)超過導爆管毫秒雷管的段別數(shù)，則應安排孔外電雷管和導爆管雷管的接力網(wǎng)路，且電雷管一般只能安排一次接力網(wǎng)路。

2)雷管的布置原則。首段雷管應選擇布置在臺階臨空面條件比較好的部位，同時使鉆孔處最小抵抗線應盡可能與結(jié)構(gòu)面(斷層、破碎帶、節(jié)理面等)垂直或成較大的角度，中區(qū)雷管的布置應盡可能縮短前排孔到末排孔之間的分段數(shù)，末排孔每2～3孔布置同一段別的雷管，使爆后邊界比較齊整，有利于下一循環(huán)的炮孔布置和鉆孔。

3.1.2 接力雷管段別的選擇和布置

1)接力區(qū)孔內(nèi)首段雷管段別的選擇。如果毫秒導爆管雷管和毫秒電雷管都僅有1～15段(見圖2)，首爆區(qū)用1段毫秒電雷管激發(fā)起爆，考慮極限情況，則首爆區(qū)15段毫秒導爆管雷管的最遲起爆時間應為其上規(guī)格限之和：12.5+950=962.5 ms，與第1接力區(qū)激發(fā)用15段毫秒電雷管最早起爆時間(下規(guī)格限)820 ms之間差142.5 ms，依據(jù)順序起爆的原則，為保證不發(fā)生跳段，故第1接力區(qū)的孔內(nèi)首段導爆管雷管，其下規(guī)格限應不低于142.5 ms，即不能低于7段。

同樣，如果第1接力區(qū)采用14、13、12、11段毫秒電雷管激發(fā)起爆，其激發(fā)雷管的最早起爆時間(下規(guī)格限)分別為705、600、505、420 ms，與962.5 ms之差分別為257.5、362.5、457.0、542.5 ms，即該區(qū)孔內(nèi)首段導爆管雷管應不低于9、11、12、13段。

第2、第3……接力區(qū)的首段雷管段別選擇與第1接力區(qū)相同。

2)接力區(qū)激發(fā)雷管段別的選擇。在選擇接力雷管的段別時，必須保證在首爆區(qū)各炮孔內(nèi)炸藥被引爆并處于爆轟狀態(tài)時，接力區(qū)中與其緊相鄰的炮孔應處于孔外雷管被引爆，孔內(nèi)雷管已點燃但未爆的狀態(tài)，或孔外雷管已點燃的狀態(tài)。

3)分區(qū)接力起爆網(wǎng)路的分段數(shù)量。當擬爆破排數(shù)大于4排時，如果毫秒導爆管雷管和毫秒電雷管都僅有1～15段，則首爆區(qū)孔內(nèi)安排1～15段毫秒導爆管雷管，共分15段，用1段毫秒電雷管激發(fā)；第1接力區(qū)孔內(nèi)安排7～15段毫秒導爆管雷管，共分9段，用15段毫秒電雷管激發(fā)，即一次接力最多可分24個段別。第2接力區(qū)孔內(nèi)也安排7～15段毫秒導爆管雷管，共分9段，用15段毫秒導爆管雷管激發(fā)，以下各接力區(qū)可依次類推。

由圖2可知，因為只有3排孔，為避免孔間爆破振動疊加，首爆區(qū)孔內(nèi)前9段跳段裝，其余孔按雷管段別依次裝，即首爆區(qū)孔內(nèi)按1、3、5、7、9、10、11、12、13、14、15段毫秒導爆管雷管起爆，用1段毫秒電雷管激發(fā)，第1接力區(qū)孔內(nèi)裝10～15段毫秒導爆管雷管起爆，用14段毫秒電雷管接力，共分16個段別，第2接力區(qū)除用14段毫秒導爆管雷管接力外其余同第1接力區(qū)。

4)分區(qū)接力混合起爆網(wǎng)路的施工要點及應用。應重視首段雷管和邊界處雷管的布置，這是關系到爆破效果和安全的關鍵；在每個接力段的交接處，先爆區(qū)炮孔內(nèi)應布置最高段雷管，后爆區(qū)可以布置低段位雷管，也可以布置高段雷管；如果交接處孔比較多，無法滿足先爆區(qū)全部布置最高段雷管的要求，則應考慮降低后爆區(qū)激發(fā)雷管的段位，提高后爆區(qū)首段雷管的段位，以防止出現(xiàn)跳段情況；第1接力區(qū)可以用毫秒電雷管激發(fā)，到第2接力區(qū)以后就要采用毫秒導爆管雷管接力激發(fā)，這時應采用復式接力網(wǎng)路，以確保準爆；在安排接力區(qū)時，如果整個爆區(qū)比較長，應盡可能使每個接力區(qū)都有臨空面，這樣有利于改善接力區(qū)內(nèi)的巖體爆破效果；安托山B21-1地塊采用分區(qū)接力起爆網(wǎng)路在建筑物旁進行的深孔爆破爆花，從爆花可清楚看出首爆區(qū)和接力區(qū)順序起爆情景(見圖3)。

圖3 分區(qū)接力深孔爆破效果

3.2 多排毫秒延時起爆網(wǎng)路

多排深孔毫秒延時爆破是指一次起爆排數(shù)在10排以上，孔深6 m以上，孔徑一般為φ76～φ115 mm，前后排起爆時差在50～250 ms。多排毫秒延時起爆網(wǎng)路仍然采用普通導爆管毫秒雷管和電雷管組合，當排數(shù)太多孔內(nèi)導爆管起爆網(wǎng)路的分段數(shù)不足時，孔外采用導爆管雷管接力，孔外雷管簇聯(lián)激發(fā)導爆管網(wǎng)路(見圖4)。這種多排起爆網(wǎng)路每個接力區(qū)中包含有多段孔內(nèi)毫秒延時雷管，可以實現(xiàn)無窮多排炮孔逐排起爆。與常用的接力起爆網(wǎng)路相比，分區(qū)接力混合起爆網(wǎng)路和多排毫秒延時起爆網(wǎng)路是地表簇聯(lián)接力，使連接雷管減少很多，且在深圳多雷爆天氣下能安全起爆，起爆成本得到有效降低。

注：數(shù)字表示雷管段別。

1)首段接力區(qū)孔內(nèi)雷管段別的選擇。采用多排毫秒延時起爆網(wǎng)絡時，為延長孔間爆破時差，避免爆破振動波形發(fā)生疊加，要求前3排按照2、4、6段雷管逐排起爆，第4～10排按6～13段的雷管起爆，各排延時間隔為50～100 ms，比較適合孔徑76 mm和115 mm逐排起爆，有利于改善爆破效果。

2) 接力區(qū)激發(fā)雷管段別的選擇。根據(jù)接力起爆網(wǎng)路點燃陣面的概念[15]，要求前排炮孔爆炸時，后面4排以上的地表激發(fā)雷管已被引爆，炮孔內(nèi)雷管被點燃，即點燃陣面達到4排以上和每隔3排增大一次排間起爆時差的要求，通過實踐摸索，發(fā)現(xiàn)孔內(nèi)采用11、12、13 段，孔外采用9段接力，再看孔外9段加孔內(nèi)11段的延時為310+460=770 ms，比前面13段650 ms延時120 ms，滿足了每隔3排增大一次排間起爆時差的要求。因為2次9段孔外接力的延時為310+310=620 ms，而后排13段引爆延時為650 ms，所以后排13段引爆前，向后已經(jīng)引爆了2次9段雷管，點燃陣面達到6排以上，網(wǎng)路安全性有保證。

大量實踐結(jié)果證明20～40排的爆破松動效果相當滿意，挖裝很輕松，大塊率很低。

3)多排深孔毫秒延時爆破破巖機理分析。多排毫秒延時爆破的破巖機理，首先是前排臨空面(實際是一定寬度的破裂面)和頂面的應力波產(chǎn)生反射拉伸破裂，而后爆生氣體的膨脹壓力本可產(chǎn)生較大拋擲動能，但受前排阻擋，只能產(chǎn)生擠壓碰撞，所以爆后巖塊受壓碎裂更嚴重，增加了巖塊的破碎程度，爆炸破巖能量比例增大，類似壓碴爆破效果。表現(xiàn)出多排毫秒延時爆破,除頂面有少量大塊之外，爆堆內(nèi)部大塊率極低，幾乎沒有需二次破碎的大塊。此外在深孔爆破中出現(xiàn)大塊最多的位置是最前排和最后排，在爆破區(qū)一次起爆排數(shù)越多，最前排和最后排所占比例就越小，相應大塊率也得到降低。

4)多排毫秒延時起爆網(wǎng)路應用與爆破振動分析。2001年在安托山采石場曾多次應用多排毫秒延時起爆網(wǎng)路，取得了相當滿意的爆破效果，最大的一次爆破總裝藥量達9.8 t，一次起爆35排，400個炮孔，孔徑為φ76 mm，孔深為8.5 m左右，孔距2.5 m，排距2.2～2.3 m，填塞2 m，爆破方量達2.5 萬m3，炮孔布置及雷管分段情況如圖5所示。

圖5 一次起爆400炮孔的多排毫秒延時起爆網(wǎng)路

爆后爆堆表面松散，向上隆起約3 m，開挖過程中爆堆內(nèi)幾乎無大塊解炮。在距爆區(qū)北側(cè)面50 m的北環(huán)路，北側(cè)面40 m的高壓電線及路燈，距爆區(qū)南側(cè)200 m的廠房，爆破側(cè)向飛石僅10 m左右，未發(fā)生任何安全事故。用前面得到的爆破振動衰減公式計算知，在距最后排150 m處測得的地表最大振動速度未超過0.7 cm/s，說明多排毫秒延時爆破降振效果顯著。在炮孔較多、對降振要求不高的情況下，采用這種多排毫秒延時爆破網(wǎng)路可以提高爆破效率、降低大塊率，同時爆破振動也能得到有效控制。減振要求更高時可以對此網(wǎng)路加列間(每3排)短延時接力，進一步優(yōu)化爆破網(wǎng)路。

在振動要求較嚴格的地區(qū)爆破，如果多排毫秒延時起爆網(wǎng)路達不到振動控制的要求，就應改為分區(qū)接力起爆網(wǎng)路。分區(qū)接力起爆網(wǎng)路的振動控制更為方便，因其臨空面條件好、單段起爆孔數(shù)少，可以將爆破振動控制在相當?shù)退健Ｅc分區(qū)接力起爆網(wǎng)路相比，多排毫秒延時爆破網(wǎng)路在降低大塊率、提高爆破效率方面更有優(yōu)勢。

4 結(jié)語

1)在山體大規(guī)模深孔爆破中，采用分區(qū)接力起爆網(wǎng)路和多排毫秒延時起爆網(wǎng)路，邊坡開挖區(qū)采用多排毫秒延時起爆網(wǎng)路，二者在既不增加成本，又不增加工作量的情況下，利用現(xiàn)有的普通導爆管起爆器材，增加了延時網(wǎng)路中的起爆段別，為解決城市復雜環(huán)境下大量石方深孔爆破的振動安全和破碎質(zhì)量問題提供了一個便利的方法，在實踐中具有一定的應用前景。

2)在振動要求比較嚴格的地方需考慮毫秒導爆管雷管的上下規(guī)格限，最大程度地避免區(qū)間孔內(nèi)雷管延時疊加，減小爆破振動。

3)采用多排毫秒延時起爆技術時，前3排按照2、4、6段導爆管雷管逐排起爆，第4～10排依次用7～13段導爆管雷管起爆，在接力區(qū)孔內(nèi)采用11、12、13 段，孔外采用9段接力，可以使點燃陣面達到6排以上，網(wǎng)路安全性有保證。

4)多排毫秒延時起爆網(wǎng)路達到類似壓碴爆破效果，增加了巖塊的破碎程度，爆炸破巖能量比例增大，同時大量實踐結(jié)果證明20～40排的爆破松動效果最好，挖裝容易，大塊率低。