石方爆破结构面预裂开挖方案分析

谭顺利

摘要：本文结合实际施工项目，对石方爆破结构面预裂开挖方案进行了详细分析。

关键词：石方爆破；结构面；预裂开挖

一、工程概况

DBDP为印度河梯级规划的第四级水电站，总装机4500MW。大坝为碾压混凝土重力坝（含2个低位泄水孔、5个排沙孔、14个泄洪表孔），最大坝高272m，轴线长度1030m，左、右岸各设置地下引水发电系统和冲砂洞。右岸布置两条导流洞用于施工期导流。左右岸各设两条发电引水洞，一洞三机，两岸调压井、地下厂房、地下开关站、尾水洞。大坝下游建设一座永久跨河交通桥和一座悬索桥，上游建设三座悬索桥，下游支流Tangir河上设计21MW唐吉附属小水电站。

DBDP主体内容划分为六个项目，目前开始的第一项目（MW-1）为大坝标（包括导流工程）及其附属工程（电站进水口、永久交通桥、发电冲砂洞、发电引水洞进口段）的土建内容和Tangir河小水电站EPC+运维。三工区主要负责大坝标段右岸导流洞、引水洞进口边坡+右岸坝肩+导流明渠中段（CH230-640段）土石方开挖与支护和25#-36#坝段主体混凝土施工。

右岸边坡开挖高度EL.950m～EL.1190m，高差240m，坝肩分别于EL.1170m、EL.1135/1130m、EL.1100m设平台，坝肩槽中区为连续边坡，其中部为倒梯形结构，槽两侧每15m一级设5m宽马道。明渠底宽约90m，右侧与坝肩相连，为1:0.2坡面梯级布置，坡面高度15m，每级设5m宽马道，原始地形呈右高左低状，右侧靠山体方向，最多达7级边坡，左侧靠河谷方向，多为1-2级边坡。进水口部位包括引水洞进口和1#、2#导流洞进口的明挖，最大高程约EL.1145m，最小高程EL.951m,开挖高度约194m，自上而下以1:0.2边坡梯级布置，边坡梯级高度15米，每级设5米宽马道。其中引水洞进口在高程EL.1085m处设计有45m宽施工平台，平台以下为70m连续边坡，坡比约为1:0.2。

二、结构面石方开挖方案

导流洞进口、引水洞进口、右岸坝肩、导流明渠两侧等部位均为永久性边坡或控制结构面，采用预裂（光面）爆破作业。预裂爆破按标准的预裂孔、缓冲孔、主爆孔进行搭配设计，杰亚B6一体机或YQ-100B型潜孔钻机（特殊区域）钻孔。预裂孔和缓冲孔采用Φ89mm孔径，不耦合间隔装药结构，主爆孔采用Φ102mm孔径钻孔，耦合连续装药结构。

边坡马道预留1.5-2.0m厚度保护层，待下级台阶爆破后清理出半台阶作为钻机施工平台，通过Φ89mm水平孔进行水平光面爆破或采用垂直孔孔底复合消-聚能爆破技术成形，再剥离出马道平面。

结构面开挖重点做好结构面钻爆施工设计和规划，严格钻爆施工工艺和过程控制，尤其是钻孔精准度和线装药密度的控制，保证结构面开挖质量。

具体详见图1结构面开挖钻爆示意图。

图1 结构面开挖钻爆示意图

三、爆破安全控制标准

3.1 爆破振动安全控制标准

根据《爆破安全规程》GB6722-2014相关规定“评价爆破对不同类型建（构）筑物、设施设备和其它保护对象的振动影响，应采用不同的安全判据和允许标准”，考虑到本工程大体积深孔台阶梯段爆破频繁，初步确定本工程的爆破安全控制标准（见表1）。

表1 爆破振动安全允许标准

序号	保护对象类别	安全允许质点振动速度v（cm/s）
1	水工隧洞	8～10
2	永久性岩石高边坡	8～12
3	新浇大体积混凝土（C20）； 龄期：初凝～3天 龄期：3天～7天 龄期：7天～28d	2.0～2.5 4.0～4.5 8～10

根据《水工建筑物岩石基础开挖工程施工技术规范》（DL/T 5389-2007）规定的部分振动安全允许标准如下表2。

表2 灌浆及预应力锚杆（索）爆破振动安全允许标准

序号	部位	龄期			备注
		1～3天	3～7天	7～28天
1	灌浆区	-	0.5～2.0	2.0～2.5	3天内不能受振
2	预应力锚索（锚杆）	1.0～2.0	2.0～5.0	5.0～10.0	锚杆孔口附近、锚墩
3	喷射混凝土	1.0～2.0	2.0～5.0	5.0～10.0	距爆区最近喷射混凝土

注：地质缺陷部位一般应进行临时支护后再进行爆破，或适当降低控制标准值。

爆破振动安全允许距离计算：

即： 或 来计算。

式中：

R—爆破振动安全允许距离，单位为m；

Q—装药量，齐发爆破为总药量，延时爆破为最大单段药量，单位为kg；

V--保护对象所在地安全允许质点振速，单位为cm/s；

K，a—与爆破点至保护对象间的地形、地质条件有关的系数和衰减指数；施工时通过现场试验确定；方案设计先参考下表3选取。

表3 爆区不同岩性的K、a值

岩性	K	a
坚硬岩石	50～150	1.3～1.5
中硬岩石	150～250	1.5～1.8
软岩石	250～350	1.8～2.0

辉长岩属特坚石，选取K=65，a=1.3验算，结果如下表4.1-4 不同控制标准下各保护对象允许的最大单段起爆控制药量Q值表，施工时，爆破区按要求需要每炮进行爆破安全质点振动速度监测，和本工程涉及的以上六个施工部位爆破安全允许质点振动速度标准，根据表中计算结果控制选取。

3.2 爆破个别飞散物安全距离

台阶深孔爆破估算飞石距离S：

式中：

K1—深孔密集（邻近）程度系数（见表4）；

K2—炸药能量与底抗线相关系数（见表4.1-6）；

r—深孔半径，cm；

W—第一排炮孔的最小底抗线，m。

表4 深孔密集程度系数K1

K1	2	1.5	1	0.7	0.6	0.5	0.4	0.3
深孔密集系数/m	0.5	1	2	3	4	5	6	7

表5 炸药爆破能量与抵抗线相关系数K2

K1	0.3	0.5	0.9	1.1	1.3	1.5	1.7	1.9	2.0
抵抗线/m	1	2	3	4	5	6	7	8	9

注：当计算值小于爆破安全规定的安全距离时，按规程规定选定。

即：台阶深孔爆破估算飞石距离：

或者根据孔径公式计算台阶深孔爆破飞石距离：Rf=(40/2.54)D,式中Rf为飞石最小距离，单位为m；D为炮孔直径，单位为cm。

即：Rf=(40/2.54)×10.2≈161m

沿山坡爆破时，下坡方向的飞石安全距离按增加50%控制，即沿上坡下坡方向警戒范围R=310×1.5≈465m控制。

四、预裂（光面）爆破参数设计

分级开挖高度在15m以内的，采用杰亚B6一体机钻孔直径D=89mm，分级开挖高度在15m以上的连续高边坡和有特殊要求结构面，结合现场地形地貌和施工条件，采用B6一体机微调坡比和错台距（1.0m）钻孔，或者采用YQ-100B型潜孔钻微调坡比和错台距（0.5m）钻孔。

预裂孔间距a=（7～12）D≈0.6～1.0m；

线装药密度q_线，先根据经验公式计算法和相似工程类比法选取，再根据现场爆破试验结果调整。武汉水利电力学院计算法q_线=0.127×（σ_压）^0.63×a^0.84×（D/2）^0.24，式中：

q_线为炮孔线装药密度，单位kg/m，q_线=0.35～0.55kg/m；σ_压为岩石的极限抗压强度，单位MPa，σ_压=100～200MPa；D为炮孔直径，单位m，D=0.089m。

装药结构：采用导爆索传爆，竹片辅助固定的方式，φ89mm的孔径采用φ32mm的药卷，间隔不耦合装药结构，不耦合系数m＞2。间隔不耦合装药结构分为底部加强装药段（2～4倍）、中部正常装药段、顶部减弱装药和堵塞段，在保证填充长度的条件下，加强装药段长度L

₃=0.2L，正常装药段长度L₂=0.5L，减弱装药和堵塞段长度L₁=0.3L。

缓冲孔的布孔和装药原则：为确保永久边坡的长期稳定、完整，在紧邻设计边坡预裂孔和主爆孔间布置1排缓冲孔，缓冲孔采用杰亚B6一体机钻孔直径D=89mm，钻孔角度同预裂孔，缓冲孔孔距为主爆孔孔距的1/2，距预裂孔排距1.5～2.0m，距主爆孔距离2.5m，缓冲孔孔内采用导爆索传爆，φ50mm乳化药卷分段间隔不耦合装药，缓冲孔区炸药单耗与前排主爆孔相同，单孔装药量为主爆孔的1/3～1/2。

起爆顺序：光面爆破分预留光爆层法和一次分段延期起爆法，光面爆破孔和主爆孔用毫秒延期雷管同次分段起爆时，光爆孔迟后主爆孔150～200ms起爆。预裂爆破分预裂孔先行爆破法和一次分段延期爆破法，预裂孔和主爆孔用毫秒延期雷管同次分段起爆时，预裂孔先于主爆孔100～150ms，且预裂孔的布孔界限向主体爆破区两侧各延伸5～10m。

高边坡开挖爆破的稳定控制：一是合理安排施工工序，自上而下分层开挖，适时及时支护；二是根据现场爆破试验结果优化爆破施工方案，单响最大药量按《水工建筑物岩石基础开挖工程施工技术规范》（DL/T.5389-2007）要求标准执行，即：“邻近保护层不得大于100kg，永久边坡光面、预裂爆破不得大于50kg”。三是安全监测，制定监控标准，台阶顶部的爆破振动速度控制在10cm/s以内。

表6 预裂孔爆破参数设计表

孔径（mm）	台阶高度（m）	钻孔 角度 （°）	孔深(m)	孔距(m)	线装药密度(g/m)	加强装药段长度和药量（kg/m）	正常装药段长度和药量（kg/m）	减弱装药段长度和药量（kg/m）	堵塞长度 (m)	药卷直径（mm）
Φ89	15.0	79.0	15.3	0.8	400	3.6/3.0	3.2/7.8	0.6/3.0	1.5	φ32
Φ89	12.0	84.7	12.1	0.6	350	2.4/2.5	2.2/6.0	0.4/2.4	1.2	φ32

表7 缓冲孔爆破参数设计表

孔径（mm）	台阶高度（m）	钻孔 角度 （°）	孔深(m)	孔距(m)	单耗 (kg/m³)	距预裂孔距离 (m)	距主爆孔距离 (m)	药卷 直径（mm）	堵塞长度 (m)	单孔药量（kg）
Φ89	7.5	79.0	8.4	1.5	0.74	2.0	2.5	φ50	2.0	14.4
Φ89	12.0	84.7	12.1	2.0	0.62	2.0	2.0	φ50	2.5	24.0

注：以上参数为初拟爆破试验参数，施工时根据爆破试验结果，结合现场实际进行调整。

图2 深孔台阶梯段爆破装药结构示意图

五、施工工艺

5.1 石方钻爆施工工艺流程

图3石方钻爆施工工艺流程图

5.2预裂（光面）爆破施工工艺流程

图4石方明挖预裂（光面）爆破施工工艺流程图

5.3预裂（光面）爆破作业方法

5.3.1测量放点及钻孔定位

1）根据已审批的爆破设计方案，测量确定各孔位位置、高程。放样前必须将每个孔位前后1.0～1.5m范围内浮渣清除，确保孔口落在基岩上，并用红漆设置醒目标志。

2）放点时逐孔跟踪，对孔编号、孔口高程、方位角、倾角进行详细记录。

3）预裂线3m范围内起伏差控制在20cm以内，采用全站仪逐孔测放预裂孔位及对应方位点，并制作样架现场标识。

图5找平清面及测量放点

5.3.2钻孔作业

钻孔机械主要采用杰亚B6一体钻机、YQ-100B潜孔钻机。

钻孔工艺步骤：清除四周浮渣→钻孔定位→钻机就位→钻进30～50cm检查方位、倾角→钻进→钻进过程检查。

1）钻孔前清除炮孔周围浮石、松石等，并了解炮孔钻凿深度、倾角。

2）钻机架设。要求：对位准、方向正、角度精。

3）加强操作手钻孔操作要领培训，采取“小冲击，慢钻进”的钻孔方式，遵照“软岩慢打，硬岩快；小风压顶着打，不见硬岩不加压；勤看勤听勤检查”的钻孔基本要领。

4）严格按照“三次校钻法”操作和检查，通过样架比对，坡度尺每米、每杆检查校核。根据钻孔深度对钻杆长度进行统一计算选取标识，使其到达统一孔底高程。

5）制定钻孔“三定”制度，即：定机，对每台钻机进行编号；定人，固定每台钻机操作手；定检查，将每个孔的钻孔质量控制落实到个人。

6）已完成的钻孔，及时清除孔内石渣和岩粉，并做好孔口封盖。

5.3.3钻孔检查

1）在软尺系上重锤测量钻孔深度是否符合爆破设计，检查过程中如发现孔深不够及时进行补钻。

2）检查孔内是否堵塞、孔壁是否掉块。

3）用一块小石块丢入孔中听是否有水声检查孔内是否有积水，如果有水，用皮尺测量水的深度，采取防水措施。

4）钻孔完成后，用3m平直的靠尺紧贴内侧孔壁、坡度尺检查钻机角度，并报监理工程师审批。

（4）装药与堵塞

预裂孔选用Φ32mm乳化炸药不偶合间隔装药，底部为加强装药段、中部为正常装药段、顶部为减弱装药和堵塞段。

采用将药卷与导爆索一起绑在竹片上，形成药串，多人将加工好的药串轻轻抬起，慢慢放入孔内，使竹片一侧靠在保留区的一侧，药串到位后，用编织袋紧塞在药柱上，然后用砂、岩粉逐层填塞密实。

六、施工过程质量控制措施

（1）严格按设计图纸、设计修改通知及相关技术规范进行施工。施工过程中根据开挖要求和地形地质条件进行详细的爆破设计，并在现场进行生产性试验，优选合理的爆破参数，并根据爆破效果，不断修正完善以达到更好的效果。

（2）对所有施工部位的钻孔、装药等工序进行全过程的质量检查和监督管控。

（3）配备足够的钻爆设备，加强施工人员系统业务培训，熟练掌握钻爆技术，严格按照确定的爆破参数进行施工，保证爆破监测结果。

（4）开挖前认真做好爆破方案设计，做好爆破参数设计，总结经验并进行爆破试验，以确定合理的爆破参数。

（5）钻爆作业前进行爆破设计，经审批后严格实施，并认真做好钻爆施工现场记录。对所有施工部位的钻孔、装药等工序进行全过程的质量检查，严格按爆破试验确定的钻爆参数控制。

（6）对全部施工过程，进行严格的全面质量管理，质检部门随时对施工质量进行检查，杜绝质量事故的发生。

结束语

土石方工程施工工程量大、任务重、工期紧这就要求各级领导齐抓共管各职能部门紧密配合组织安排好各道工序加强质量意识保证路基整体质量为祖国的交通事业做出贡献。

参考文献：

[1]吕亮,安海义,黄振宇. 无声膨胀剂静力爆破在石方路基开挖中的应用[C]. 中国建设科技集团股份有限公司、中国建筑学会工程建设学术委员会、《施工技术》杂志社.第四届全国地基基础与地下工程技术交流会论文集.中国建设科技集团股份有限公司、中国建筑学会工程建设学术委员会、《施工技术》杂志社:施工技术编辑部,2015:368-370.

[2]孙新,黎韶梁. 石方爆破施工安全管理[C]. 中国公路学会、国际道路联盟(IRF)、美国交通研究委员会(TRB).第六届中国公路科技创新高层论坛论文集（下册）.中国公路学会、国际道路联盟(IRF)、美国交通研究委员会(TRB):中国公路学会,2013:442-448.

[3]康兴科,郅熙彪,王彦利,赵红宇. 浅孔石方精细预裂爆破对边坡的保护实践[C]. 中国工程爆破协会、中国力学学会.中国爆破新技术Ⅲ.中国工程爆破协会、中国力学学会:中国力学学会,2012:441-444.