城区基坑深孔控制爆破开挖

尹江健,郑卓渊,周俊珍

(国防科技大学指挥军官基础教育学院, 湖南长沙 410072)

城区基坑深孔控制爆破开挖

尹江健,郑卓渊,周俊珍

(国防科技大学指挥军官基础教育学院, 湖南长沙 410072)

某城区基坑采用深孔预裂爆破进行边坡轮廓线爆破、V型掏槽开设临空面、台阶爆破法进行基坑开挖的施工实践,对深孔松动微差控制爆破技术的爆破参数、起爆间隔时间、装药结构、非电微差起爆网络和安全防护措施等进行了设计和计算。

深孔松动爆破;微差爆破;爆破安全;预裂爆破;基坑开挖

1 工程概况

某基坑工程爆破开挖长 120 m,宽 85 m,深 9 m,边坡坡度为 1∶0.25,爆破总方量约 97572 m3,其纵断面和横断面如图1、图2所示。

图1 基坑纵断面

图2 基坑横断面

该地段位于城区人口密集地带,周围环境复杂,基坑东侧为高 70 m、坡度小于 30°的山丘;南侧距八层框架结构楼房 45 m;西侧距南北走向的主干道 10 m,距四层框架结构楼房 60 m,距五层砖混楼房 60 m;西北侧距六层框架楼房 85 m;北侧距四层框架结构楼房 38 m,距东西走向公路约 55 m,其环境具体情况如图3所示。本地段开挖层无地下水,仅有少量地表水和裂隙水;植被和覆盖层已清除,岩性为泥质砂岩,f=4～8,弱风化,层理、节理裂隙不发育。

图3 爆破基坑周围环境

该工程采用控制爆破法进行开挖,要求基坑边坡须保证平整和稳定,半孔痕迹率不小于 50%;基坑底部不得欠挖,超挖不得超过 1 m;岩块最大边长不得大于 50 cm。

2 爆破技术方案设计

2.1 总体方案设计

考虑到周围建筑物的安全,对边坡和周边岩体的保护,降低爆破振动、冲击波和飞石的影响,适应机械装运岩渣等要求,本工程的总体方案为:设置 2个作业区,从中间分别向南北两端推进,南、北端作业区各宽 85 m,长 60 m;边坡采用预裂爆破技术一次成型;V型掏槽爆破开设自由面;深孔台阶爆破开挖,第一层台阶高度为 5 m,第二层台阶高度为 4 m;严格控制单孔药量,采用非电导爆管雷管多段微差的起爆方式,以控制单段起爆药量。

2.2 深孔爆破技术参数设计

2.2.1 边坡预裂爆破设计

边坡采用预裂爆破,在主炮孔起爆前先行爆破,装药结构采用间隔线性非耦合装药。开孔位置在边坡线上,孔径 80 mm,倾斜角度与边坡设计要求一致。

(1)孔径 D与孔距 a。根据现有装备及工程需要选用D=80 mm的孔径;采用经验公式 a=ED计算,取孔间距系数 E=12,则 a=0.96 m。同时,在打孔时严格按照 1∶0.25的坡度比来打孔。

(2)平均线装药密度 QL。根据葛洲坝工程局和长江科学院提出的公式,分别计算出 QL=0.367σ0.5D0.86=374 g/m和 QL=0.03359a0.63α0.67=377 g/m。通过对比,取 QL=375 g/m。

(3)超深 h及孔深 L。根据工程地质情况,为克服底部岩石的夹制作用,取 h=1 m。孔深计算公式为:

式中:L为孔深,m;θ为预裂孔倾角,°;H为开挖层高,m;h为超深,m。

则L=10.28 m。

(4)不耦合系数ξ。边坡预裂爆破炮孔直径 D为 80 mm,药卷直径 d为 32 mm,则 ξ=D/d=80/32=2.5,符合合理取值范围。

(5)顶部装药量 Q预顶。为保证基岩保留区地表岩石的完整性,预裂孔顶部 1 m长的装药量应相应减少,顶部线装药密度计算公式为:

式中:QL2为顶部线装药密度,g/m;QL为平均线装药密度,g/m。

本工程岩石整体性较好,裂隙不发育,所以取:QL2=0.6QL=225 g/m。装药长度 1 m,则需总药量:Q预顶=225 g。

(6)底部装药量 Q预底。为了克服炮孔底部岩石的夹制作用,使开挖岩体与保留岩体分离开来,确保预裂缝到底,预裂孔底部装药量应适当增大。炸药增量应均匀分布在孔底 0.5～2 m的长度上。根据实践经验,在 8～14 m的深孔中,当岩石较破碎时(普氏坚固性系数 f＜8),装药量增加 2倍。所以QL1=2QL=750 g/m。由于本工程预裂孔较深,则取底部加强装药量在 0.8 m的范围内,则需底部装药量为:Q预底=600 g。

(7)中部装药量 Q预中。中间部分长度为10.28-1-0.8-0.88=7.6 m。炸药按平均线密度375 g/m布置,则中部装药量为:Q预中=7.6×0.375=2.85 kg。

综上所述,单孔总装药量为:Q预总=0.225+0.6+2.85=3.675 kg。

(8)填塞长度及填塞方式。此工程岩石较完整,孔口填塞长度取为 0.88 m。填塞方式用泥土填入孔内,稍加捣实即可。

(9)装药结构。在与孔深长度相适合的竹片上标定装药的位置,然后在竹片上依照标定的位置采用麻绳将药卷及导爆索固定在竹片上,并使导爆索贯穿整个装药卷,再使导爆管雷管连接导爆索。

2.2.2 掏槽爆破设计

由于在起始开挖段只有 1个向上的临空面,则在基坑中段断面采用小规模、强覆盖防护、深孔 V型掏槽形式的爆破,沿基坑南北方向,形成侧向临空面,从而对后续爆破的实施提供有利的条件。由于环境条件限制,爆破开挖采用台阶爆破,所以 V型掏槽爆破也分两层爆破,各层爆破深度随台阶爆破深度而定。

(1)掏槽孔参数。根据类似工程经验,选取 80 mm孔径。按经验公式,最小抵抗线 W=则 W=31D=2.48 m,取 W=2.5 m。孔距 a和排距 b经验公式为:a=mW,b=(0.5～1)W,式中:m为炮孔密集系数,取为 1.2。则:a=3 m,b=2.5 m。超深计算公式为:取:L超=12.5D=1 m。孔深按公式 L=H/sinθ+h计算,则第一层掏槽孔 L=5/sin75°+1=6.17 m,第二层掏槽孔 L=4/sin75°+1=5.14 m。

根据岩石坚固系数、地质情况和周边特殊环境,掏槽孔的炸药单耗取 q=0.43 kg/m3。单孔药量 Q计算经验公式为:Q=qaWH,则第一层掏槽孔 Q=16.125 kg,第二层掏槽孔 Q=12.9 kg。

在台阶爆破中,装药长度 L1由下式确定:

式中:Q为单孔装药量,kg;d为装药直径,m;ρ0为装药密度,kg/m3。装药直径为 0.075 m,对于 2号岩石硝铵炸药,可取ρ0=0.95 kg/m3,则第一层掏槽孔L1=3.84 m,第二层掏槽孔 L1=3.07 m。

填塞长度一般为炮孔直径的 15～30倍,即1.2～2.4 m。由下式确定:L2=L-L1,式中:L2为炮孔填塞长度,L为炮孔深度,L1为装药长度。则第一层掏槽孔 L2=2.33 m,第二层掏槽孔 L2=2.07 m。

(2)炮孔布置和装药结构。为施工方便且根据孔深及药卷长度,采用连续装药的形式。将装药固定在铁丝上,并使导爆索贯穿整个装药,再使导爆管雷管连接导爆索。掏槽孔沿基坑中心线两侧布置排距为 2.5 m,倾斜角度为 75°。

2.2.3 基坑开挖爆破设计

掏槽爆破完成后,创造了侧向临空面,后续基坑开挖采用台阶爆破法,第一层爆破开挖 5 m,第二层爆破开挖 4 m。为方便起见,主爆孔爆破,采用垂直打孔。

(1)开挖爆破主爆孔参数。钻孔孔径 D同上选用 80 mm孔径。由于第一次爆破形成的侧向临空面,在后续爆破打孔时,应考虑到钻孔的安全距离,即通常要≥2.5 m。本工程取最小抵抗线 W=2.5 m。在露天台阶深孔爆破中,炮孔密集系数 m(m=a/W)通常大于 1.0,一般取 m=1.0～1.4。在本工程中取孔距 a=3 m,,排距 b=W=2.5 m。超深 L超=1 m。

孔深 L=H+L超,式中,L为开挖爆破深度,m;H为台阶高度,m;L超为超深,m。则第一层主爆孔L=6 m,第二层主爆孔 L=5 m。

掏槽爆破后形成了新的自由面,为开挖爆破降低了难度,装药量应适当减小,考虑到地质影响和环境条件,结合工程要求,炸药单耗 q取 0.35 kg/m3。第一层主爆孔单孔药量 Q=qaWH=13.125 kg,第二层主爆孔 Q=10.5 kg。装药直径为 0.07 m,则第一层主爆孔装药长度 L1=4Q/3.14d2ρ0=3.6 m,第二层主爆孔装药长度 L1=2.9 m。填塞长度 L2=LL1,则第一层主爆孔填塞长度 L2=2.4 m,第二层主爆孔 L2=2.1 m。

(2)开挖爆破辅助孔参数。由于辅助孔的孔深均在 5 m以下,可考虑使用浅孔松散爆破,两层开挖爆破辅助孔参数相同。钻孔孔径 D选用 60 mm。最小抵抗线W取 2.5 m。孔距 a和排距 b同主爆孔,取 a=3 m,b=2.5 m。

松散爆破时,按照微量装药计算,单孔药量 Q=0.35AW3,式中:A为土石抗力系数,根据其地质情况取 A=1.10。则:Q=2.4 kg。辅助孔孔深 L为 4.5 m,装药长度 L1与单孔药量、装药方式、孔深有关,一般L12/3L。取L1=2 m。为了避免产生冲炮,应使填塞长度 L2≥W,取 L2=2.5 m。

(3)装药结构。考虑孔深及药卷长度,采用连续装药的结构形式,将装药固定在铁丝上,并使导爆索贯穿整个装药,再使导爆管雷管连接导爆索。

(4)开挖爆破方法。为加快施工进度,充分合理利用资源,本工程采用单循环作业法。掏槽爆破完成后,分 2个作业区由中间向南北两端同时作业。每个作业区分为 2个作业面,两作业面同时起爆,每区每次爆破 2排。主爆孔和辅助孔的炮孔布置见图4。

图4 炮孔布置形式

3 起爆网路设计

对边坡的预裂爆破采用分段微差起爆,对主爆区的起爆则采用孔内孔外延期分段微差起爆,提高爆破质量,确保爆破安全。

3.1 起爆方法及延时时间的确定

为确保施工安全,整个系统采用孔内使用导爆索引爆主装药,塑料导爆管进行延期依次引爆导爆索,起爆站用电雷管起爆。为使岩石充分破碎,大块率降低,并有效控制爆破震动强度,减少对未爆岩体的破坏作用,本工程采用分段延时起爆、段间微差的起爆技术。

微差间隔时间根据公式:

式中:W0为底盘抵抗线,m;f为矿岩的普氏系数;k为岩石裂隙系数,对于中等裂隙岩石 k=0.75。

则:Δt=0.75×2.5×(24-8)=30 ms,考虑到现有爆破器材,本工程取Δt=25 ms。

3.2 起爆顺序及起爆网络设计

由于周围环境复杂,必须控制一次起爆药量,因此采用分段起爆。起爆网路的具体做法是:每孔采用 1发导爆管雷管,导爆管雷管连接孔内的导爆索从而引爆装药。爆破时按照工程进度要求,先进行预裂爆破,然后进行掏槽爆破,最后采用单循环作业法分区进行开挖爆破。每次爆破时,相邻两段数之间的间隔时间为 25 ms,为了避免在爆破过程中出现导爆管被冲断而使某些炮孔不能起爆的事故,采取孔内孔外延期的措施。

4 结 论

本工程边坡采用预裂爆破,使基坑边线上形成一条贯穿的裂缝,有效地保护基坑边坡的稳定,并有效降低爆破振动向基坑外侧岩体的传播。在基坑中段断面,采用深孔 V型掏槽爆破,形成侧向临空面,从而对后续爆破的实施提供有利的条件。之后采用台阶法分两层爆破开挖,分 2个作业区由中间向南北两端同时作业。为加快施工进度,充分合理利用人力和机械资源,采用了单循环作业法作业,工程在1个月内安全、顺利完成。

方案对地震波、飞石、冲击波的安全距离进行了计算,通过严格控制单孔药量,爆破时确保了人员和周围建筑的安全,保证了山体的稳定,达到了设计要求。

[1] 张应力.工程爆破实用技术 [M].北京:冶金工业出版社,2005.

[2] GB 6722-2003.爆破安全规程[S].

2011-06-26)