复杂工况下高边坡预裂爆破技术及施工工艺研究.pdf

第37卷第1期 2020年3月 Vo l . 37 No . 1 Ma r. 2020 bMg do i 10. 3963/j. issn . 1001 - 487 X. 2020.01 ・ 013 复杂工况下高边坡预裂爆破技术及施工工艺研究 唐毅，孙飞，李广洲,蒋新忠 核工业南京建设集团有限公司，南京210003 摘 要以漳州核电一期场地平整开挖边坡工程为研究背景，在31 36轴43.553.5m高程处的边坡爆 破开挖过程中，由于同一层边坡不同位置的标高不同，且坡比在10.610.75之间渐变，造成边坡预裂爆 破施工技术难度增大。通过对施工重难点分析,结合以往类似预裂爆破经验，分别从孔径d、孔距s不耦合 系数B、装药线密度g、孔深H、倾斜角度等爆破参数进行了详细的设计，在现场施工过程中从测量定位、孔位 确定、钻孔、装药、填塞及网路连接等重点环节施工工艺进行了阐述。通过对爆后效果观察，效果良好。 关键词 开挖边坡；预裂爆破；变坡比；异标高；施工方案 中图分类号TU235.3 文献标识码A 文章编号1001 -487 X202001 -0087 - 07 Research on Pre-splitting Blasting Technolog y and Construction Process for Hig h Slope under Complicated Conditions TANG YiySUN Fei,U Guang-zh o u, JIANG Xin-zh o ng Nuc l ea r In dust ry Na n jin g Co n st ruc t io n Gro up Co Lt d,Na n jin g 210003 , Chin a Abstract The sl o p e p ro jec t o f t he first p ha se o f Zha n gzho u Nuc l ea r Po wer Pl a n t is t a k en a s t he resea rc h ba c k gro un d. Durin g t he sl o p e bl a st in g exc a va t io n p ro c ess o n t he 31 〜36 a xis a n d 43.5 53.5 m el eva t io n,t he el eva t io n o differen t p o sit io n s o t he sa me l a y er sl o p e is differen t, a n d t he sl o p e ra t io c ha n ged fro m 1 0. 6 t o 1 0. 7 5, whic h ma de t he p re-sp l it t in g bl a st in g o f t he sl o p e mo re diffic ul t . Ba sed o n t he a n a l y sis o f t he k ey a n d diffic ul t p o in t s in t he c o n st ruc t io n a n d p revio us simil a r p re-sp l it t in g bl a st in g exp erien c e, t he bl a st in g p a ra met ers suc h a s ho l e dia met er d, ho l e dist a n c e a, un c o up l in g c o effic ien t B, l in ea r c ha rge den sit y q, ho l e dep t h H a n d in c l in a t io n a n gl e were design ed in det a il . Mea n whil e, t he k ey l in k s suc h a s survey in g a n d p o sit io n in g, ho l e l o c a t io n det ermin a t io n, dril l in g, c ha rgin g, fil l in g a n d n et wo rk c o n n ec t io n were desc ribed. Thro ugh t he o bserva t io n a ft er bl a st in g, t he effec t wa s go o d. The exp eri en c e c a n p ro vide a referen c e fo r simil a r p ro jec t s. Key words sl o p e exc a va t io n ； p re-sp l it t in g bl a st in g ； va ria bl e sl o p e ra t io ； differen t l evel ； c o n st ruc t io n met ho d S t a t emen t 爆破技术是岩土高边坡开挖的一种行之有效的 手段，为了降低爆破对边坡的振动破坏、保证边坡岩 体的完整性，施工中常采用预裂爆破技术。预裂爆 破属于定向成缝成面的控制爆破技术范畴，由光面 收稿日期2019-10-25 作者简介唐 毅1981男，本科，主要从事爆炸与毁伤作用机 理研究及其应用,E-mail 393955176 qq. como 通讯作者孙 飞1989 -，男，硕士，主要从事爆炸与毁伤作用机 理研究及其应用,E-mail 1326662880 qq. como 爆破演变而来,早期也有称作预裂光面爆破，上世纪 50年代在国外兴起,60年代中期到70年代初期在 我国地下开挖、边坡治理等工程中开始全面推广应 用,取得了巨大的经济效益⑷。 在边坡预裂爆破开挖过程中，沿预定的边坡边 界按一定的间距布置一排预裂爆破孔,在孔中装较 少量的不耦合药包,主爆孔起爆之前先起爆预裂孔, 沿预裂孔方向预先形成一道贯通裂隙。其作用一方 面可使主爆孔炸药爆炸的冲击波到达预裂面时被折 88爆破2020年3月 射、扩散、扰动和吸收，大大降低主爆孔爆破对预裂 面以外岩体的松动和破坏,提高岩体的稳定性;另一 方面可确保爆破开挖的边界尽量与设计的轮廓线相 符，不出现超挖或欠挖现象匕旳。 1工程概况 根据该段边坡的工程设计图纸结合现场实际工 况，由于地表地质原因,31轴左侧为松软土层，使用 施工机械按要求刷坡至设计要求即可,本次预裂爆 破为31 36轴，如图1所示，各轴之间上口线高程、 下口线高程、边坡高度、坡比及预裂边界形状不尽相 同，具体参数详见表1。 2施工重难点 由图1与表1可知，该段边坡各轴处设计参数 不尽相同,在施工过程中应分别进行设计施工，工作 量大，施工技术复杂且精度较难控制。 图1预裂爆破段边坡设计图（单位m） Fig. 1 Pre-sp l it t in g bl a st in g sec t io n sl o p e design（ un itm） 表1 43.5-53.5 m边坡31-36轴详细参数表 Table 1 43・ ・ 5 〜53.5 m slope 31 〜36 axis detailed parameter list 轴数轴间距离/m上口线高程/m下口线高程/m边坡高度/m坡比预裂边界形状 31 32 轴20.0051.5 〜53.543.58-1010.75-10.6直线形 32 -34 轴52.3653.543.51010.6圆弧形 34 -35 轴20.0053.543.51010.6直线形 35 36 轴20.0053.5 〜51.543.510〜810.6〜10.75直线形 3预裂爆破施工工艺 在预裂孔前设置3排露天深孔爆破孔,平均孔 深 10 m,孔距 5. 5 m,排距 3. 0 m,单耗 0. 38 k g/m3。 由于本工程中主要研究预裂爆破技术参数，而露天 深孔爆破参数根据现场工况及经验可取经验值，此 处不再进行过多赘述。 3.1爆破参数选择爆破参数选择 预裂爆破的预裂效果好坏取决于预裂爆破工 艺、爆破参数以及炸药特性，对于工程而言,爆破工 艺和炸药特性都是较为固定的，唯有爆破参数会随 地质状况和生产需要而变动，因此，爆破参数的选择 直接影响着爆破效果，是预裂爆破工程设计的重要 内容。本文结合工程实践经验和有关文献给出各种 爆破参数的计算公式和一些参考值来对爆破参数进 行选择［他。 1 炮孔直径4。炮孔直径的确定直接关系到 施工的效率和成本,应综合考虑岩石特性、现场机械 设备及工程具体要求进行选择⑷。一般情况下，主 要根据爆破现场工况和钻机型号确定，当在底下小 断面的巷道实施预裂爆破时，孔径取35 45 mm；而 在露天情况下实施预裂爆破时孔径可取大些,根据 多年核电预裂爆破施工经验及现场钻具，本次预裂 爆破孔径d 90 mmo 2 孔距a。预裂爆破的实质是使预裂孔之间 产生贯通裂隙，已形成平整的断裂面。因此,炮孔间 第37卷第1期唐毅，孙飞,李广洲，等复杂工况下高边坡预裂爆破技术及施工工艺研究89 距对形成贯通裂隙有着非常重要的作用。炮孔间距 的大小主要取决于炸药性质、不耦合系数和岩石的 物理力学性质[56]O经查阅参考文献可知，瑞典兰 格弗斯La n gefo rs给出了如下公式 。二8 〜12// 60 mm和 二9 〜14// W 60 mm 1 由于d 90 n mi,孔距a的取值范围为0.7 2〜 1-08 m,为方便现场布孔，孔距a 1.0 m取整。 3 不耦合系数05同。不耦合系数B是指孔 径与药径之比，当药包全部填满整个断面时,不耦合 系数就达到了最小值B 1,这时装药起爆后，能量 可直接传入岩壁,避免了传播过程中的损耗。随着 不耦合系数的增大，药孔壁上的切向最大应力急剧 下降,作用时间延长,使得爆炸能以应力波形式传播 能量的部分减少，而以准静态压力形式传播能量的 部分增多。在岩石中就有利于形成应力叠加、应力 集中以及拉伸裂隙,而不宜产生粉碎。 一般情况下，预裂爆破中预裂孔只是要求形成 预裂缝,而不是大量崩落岩石，因此不宜采用太大的 孔径和装药直径。根据试验及经验数据，不耦合系 数B般取2 4,坚硬岩石因抗压强度高，可采用较 小的不耦合系数,而松软岩石则应取较大的不耦合系 数。本工程中为中等强度岩石,且根据现场可提供炸 药型号，药卷最小直径为32 mm,为方便施工,减少二 次处理，本工程取不耦合系数 90/32 2. 81。 4 装药线密度g。经查阅相关文献资料可知, 预裂爆破的线装药密度q计算公式有句 q Kd a/2 2 式中,K为岩石系数，坚硬岩石为0. 6,中等强 度岩石为0.4-0. 5 ,软岩为0. 3 0. 4。考虑到本工 程中待爆岩体为中等强度岩石，风化较严重，由上述 公式可计算出线装药密度q的取值范围在0. 36 0.45 k g/m,为保证边坡保留岩体部分的完整性，本 工程中线装药密度取小值g0.36 k g/m。 5 孔深H。孔深根据预裂孔坡比与上、下口 线高程差计算，超深取0.5 m,详见表2。 6 彳顷斜角度。对于类似变坡比的边坡预裂爆 破孔理论角度，为便于施工通常只将变坡比段的角 度差求出来,除以预裂孔数,按平均法粗略计算出每 个预裂孔增减的度数，这种方法可用于坡比变化不 大的边坡施工中，精度较差。31 32轴与35 36轴预裂孔角度变化按此方法与实际边坡角度的 误差见图2、图3 ；为最大程度确保施工精度,应分别 计算每个预裂孔的钻孔角度，详见表2。 - 悝欣 - 怎 图2 31 32轴钻孔角度变化对比图 Fig. 2 Co n t ra st dia gra m o f 31 〜32 sha ft dril l in g a n gl e va ria t io n 。、悝 - 超 图3 35 36轴钻孔角度变化对比图 Fig. 3 Co n t ra st dia gra m o f 35 36 sha ft dril l in g a n gl e va ria t io n 3.2布孔、钻孔工艺布孔、钻孔工艺 根据多年核电预裂爆破施工经验总结,预裂爆 破的布孔步骤主要有 1 测量定位。根据施工图纸要求的边坡上口 线位置，为保证边坡上口线的精度，尤其是32 34轴处圆弧形上口线的误差，使用测量仪器沿31 36轴每间隔3 m定位一个点，将31 36轴待爆破 段边坡的上口线理论位置标识出来。然后在理论上 口线上以孔距a 1 m的距离将预裂孔理论位置挨 个标记出，并结合各孔位所在位置的坡比计算出钻 孔的理论角度，如表2所示。 2 实际孔位确定。由于边坡实际高程与设计 高程有误差,布孔时,应根据预裂孔位的实际高程对 理论孔位进行微调,换算原则为“高处后移,低处前 移”，确保在设计边坡面上钻孔，如图4所示。 3 布置导向孔。预裂孔位置按照实际高程调 整好后，在预裂孔沿边坡上口线法线3 m处各自定 位出一个导向孔，与预裂孔一一对应,导向孔处使用 铅垂线对钻杆方向进行定位，大大提高钻孔精度。 钻孔角度与方向控制见图5、图6。 90爆破2020年3月 表2边坡31-36轴设计预裂孔参数 Table 2 Desig n of pre-cracking parameters for slope 31 〜36 axis 轴号孔号理论高程/m边坡高程差/m理论角度/。坡长/m斜超深/m孔深An 151.508.0053.1310.000.6310.60 251.588.0853.4010.060.6210.7 0 351.668.1653.6710.130.6210.80 451.7 48.2453.9410.190.6210.80 551.828.3254.2010.260.6210.90 651.908.4054.4610.320.6110.90 751.988.4854.7 210.390.6111.00 852.068.5654.9710.450.6111.10 952.148.6455.2210.520.6111.10 1052.228.7 255.4710.580.6111.20 1152.308.8055.7 110.650.6111.30 1252.388.8855.9510.7 20.6011.30 31 32 轴1352.468.9656.1910.7 80.6011.38 1452.549.0456.4310.850.6011.50 1552.629.1256.6610.920.6011.50 1652.7 09.2056.8910.980.6011.60 1752.7 89.2857 .1211.050.6011.7 0 1852.869.3657 .3411.120.5911.7 0 1952.949.4457 .5611.190.5911.80 2053.029.5257 .7 811.250.5911.80 2153.109.6057 .9911.320.5911.90 2253.189.6858.2111.390.5912.00 2353.269.7 658.4211.460.5912.10 2453.349.8458.6311.520.5912.10 2553.429.9258.8311.590.5812.20 32 -34 轴26 〜6053.5010.0059.0411.660.5812.20 34 -35 轴61 〜8053.5010.0059.0411.660.5812.20 8153.5010.0059.0411.660.5812.20 8253.409.9058.7 811.580.5812.20 8353.309.8058.5211.490.5912.10 8453.209.7 058.2611.410.5912.00 8553.109.6057 .9911.320.5911.90 8653.009.5057 .7 211.240.5911.80 8752.909.4057 .4511.150.5911.7 0 8852.809.3057 .1711.070.6011.7 0 8952.7 09.2056.8910.980.6011.60 9052.609.1056.6010.900.6011.50 35 36 轴9152.509.0056.3110.820.6011.40 9252.408.9056.0110.7 30.6011.30 9352.308.8055.7 110.650.6111.30 9452.208.7 055.4110.570.6111.20 9552.108.6055.1010.490.6111.10 9652.008.5054.7 810.400.6111.00 9751.908.4054.4610.320.6110.90 9851.808.3054.1410.240.6210.90 9951.7 08.2053.8110.160.6210.80 10051.608.1053.4710.080.6210.7 0 10151.508.0053.1310.000.6310.60 注1 .计算过程中取超深为0.5 m,则斜超深超深x sin （理论角度）； 2.孔深等于坡长与斜超深之和，为方便施工，保留小数点后一位。 第37卷第1期唐毅，孙飞,李广洲，等复杂工况下高边坡预裂爆破技术及施工工艺研究91 孔角度调大1。2咗右。 图5钻孔角度控制 Fig. 5 Dril l in g a n gl e c o n t ro l 图6钻孔方向控制 Fig. 6 Dril l in g direc t io n c o n t ro l 3.3装药结构装药结构 由前述爆破参数选择可知，线装药密度q为 0.36 k g/m,考虑到孔底处岩石强度较高、夹制作用 大、爆后容易形成较难处理根底,且为避免孔口药量 过大导致爆后在孔口产生利文斯顿漏斗，破坏边坡 面,结合现场炸药型号,分别在孔底和孔口处设置加 强段药包和减弱段药包，线装药密度分别为g加强 4钻孔。由表2可知各预裂孔的钻孔角度， 由于钻机在实际施工过程中，孔深在10 m左右， 倾斜钻孔时,钻头在岩石各向受到的应力各不相 同，钻杆会向受应力小的一侧弯曲，因此成孔后形 成一条向上略微弯曲的孔，实际钻孔角度往往比 理论角度偏大1 2。，如果按照理论角度来打孔 的话，预裂爆破后下口线会向外移,未达到设计要 求,需对下口线处的根底进行二次处理，时间成本 和经济成本大大增加。为避免此类情况发生，根 据多年施工经验,钻孔时可根据现场实际工况将钻 乳化炸药 导爆索 2.44 k g/m,g减碉0.20 k g/m。装药结构见图7。 编织袋堵孔部分 岩粉堵孔部分 图7预裂孔装药结构示意图单位m Fig. 7 S c hema t ic dia gra m o f p re-c ra c k in g c ha rge st ruc t ure un it m 在装药的过程中，为确保导爆索与炸药贴合质 计间距绑扎在导爆索上,然后将绑扎好的“药串”固 量，能完全引爆炸药，孔底加强段应将导爆索完全插 定到竹片，慢慢送入预裂孔中，见图8。 入炸药内部，正常段应使用绝缘胶带先将炸药按设 92爆破2020年3月 ＜预裂药条 c Presplitting explosive article a加强段药包 b正常段药包 a Enhanced section b Normal section explosive package explosive package 图8预裂药包制作 Fig. 8 Pre-sp l it t in g exp l o sive st rip p ro duc t io n 3.4填塞要领填塞要领 由于预裂爆破属于不耦合装药,药包与孔壁之 间空隙较大，不可像主爆区那样，装完药后直接使用 岩粉填塞,为防止岩粉填充药包与孔壁之间的间隙, 应先向孔内填塞一柔性堵塞物,如废旧编织袋，然后 在回填岩粉，填塞长度为1 m,按要求填满岩粉后， 应轻轻捣实，如图9所示。 2 导爆索与雷管之间的联结。为确保雷管起 爆导爆索的可靠性,雷管与导爆索捆扎端端头的距 离不少于15 c m,雷管的聚能穴应朝向导爆索的传 爆方向。 3 起爆网路联结。由于导爆索传爆过程中产 生的噪音较大，而本次预裂爆破孔101个，为防止扰 民，使用3段毫秒延期雷管将其分成5区进行延期 起爆，前4个区各分担20个预裂孔,最后一区分担 21个预裂孔;最后一个预裂孔与前排露天深孔导爆 管网路联结,中间设置一发5段毫秒延期雷管。 4爆后效果 通过爆后观察，可见沿着预裂孔方向形成了一 条宽约4 c m的贯通裂缝，裂缝两侧表面岩体无外 翻，见图11。将爆渣清理干净后，坡底无较大抵抗 线,可使用油锤等施工机具进行清理,无需进行二次 爆破处理，预裂面成型较好，半孔率达到95以上, 见图12、图13。 图9编织袋填塞炮孔 Fig. 9 Wo ven ba g fil l in g bl a st ho l e 3.5网路连接网路连接 1导爆索的联结。导爆索的传爆能力有一定 的方向性,因此在导爆索连接时，在预裂孔外沿预裂 方向敷设一条导爆索主线，将各预裂孔中引出的支 线接头迎着导爆索主线的传爆方向联结，支线与主 线传爆方向的夹角应小于90。,如图10所示。 图11爆后形成预裂缝 Fig. 11 Pre-c ra c k a ft er exp l o sio n 图12爆后根底 Fig. 12 Po st -exp l o sive ro o t 图13预裂成型边坡面 Fig. 13 Pre-c ra c k ed sl o p e 图10导爆索网路联结 Fig. 10 Det o n a t in g c o rd n et wo rk c o n n ec t io n 第37卷第1期唐毅，孙飞,李广洲，等复杂工况下高边坡预裂爆破技术及施工工艺研究93 5结论 通过本次预裂爆破参数设计、施工以及爆破后 效果可得,本次设计比较成功,可为类似工程在一定 程度上提供参考。 参考文献参考文献References [1] 胡英国，卢文波，陈 明，等.不同开挖方式下岩石高 边坡损伤演化过程比较[J].岩石力学与工程学报， 2013,326 117 6-1184. 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