直壁基坑深孔台阶爆破控制技术(1).pdf

第35卷 第4期 2018年12月 爆 破 BLASTING Vol. 35 No. 4  Dec. 2018 doi10. 3963／ j. issn. 1001 －487X. 2018. 04. 012 直壁基坑深孔台阶爆破控制技术* 孙 永， 张文锡， 宋 杰， 李树亭， 李庆收， 朱 刚 （ 中铁十四局集团第四工程有限公司， 济南250002） 摘 要 厄瓜多尔某原矿粗碎站基坑设计尺寸为26. 0 m 20. 0 m 43. 9 m， 过基坑南边线中间设计有与 基坑标高一致宽度为7 m的出渣道路， 为减少工程量、 加快进度， 设计采用3级平台垂直分4层直壁石方爆 破开挖基坑和出渣道路。施工中采用深孔预裂与深孔爆破相结合， 先爆破出渣道路并深入基坑一部分为后 续基坑爆破提供自由面。预裂爆破台阶高度取11 ～13 m， 针对不同围岩预裂孔间距分别取0. 7 m和1. 0m， 采用逐孔起爆， 微差起爆时间控制在50 ms内。深孔爆破台阶高度10 ～12 m， 炮孔间距和排距均为3 m， 采 用耦合连续装药和逐孔起爆。施工时加强基坑围岩的振动和位移监测以确保施工安全。 关键词 直壁基坑；深孔台阶爆破；预裂爆破；振动监测；位移监测 中图分类号 TD235. 3 文献标识码 A 文章编号 1001 －487X（2018）04 －0069 －05 Deep Hole Bench Blasting Technology for Straight-wall Foundation Pit SUN Yong，ZHANG Wen-xi，SONG Jie，LI Shu-ting，LI Qing-shou，ZHU Gang （China Railway 14th Bureau Group 4th Engineering Co Ltd，Jinan 250002，China） Abstract The crushing station design size of a mine in Ecuador is 26. 0 m 20. 0 m 43. 9 m，on the south side of the foundation pit，and a slag discharge road with 7 m wide is consistent with the height of the foundation pit. In order to reduce the amount of work and to speed up the progress，a rock blasting with 4 layers and 3-level vertical plat is adopted. Combination of deep hole pre-cracking and deep hole blasting are adopted in construction. The slag dis- charge road is excavated deep into the foundation pit to provide free surface for subsequent foundation blasting. The height of pre-split blasting bench is 11 ～13 m，for different surrounding rocks，the pre-cracking hole spacing is 0. 7 m and 1. 0 m respectively，hole by hole detonation technology is used and the micro-differential detonation time is con- trolled within 50 ms. The bench height is 10 ～ 12 m，and the hole spacing and row spacing are 3 m. The coupling continuous charge structure and hole by hole detonation technology are applied. The vibration and displacement moni- toring of surrounding rock ensure construction safety well. Key words straight-wall foundation pit；deep hole bench blasting；pre-splitting blasting；vibration monitoring； displacement monitoring 收稿日期2018 －07 －04 作者简介孙 永（1971 －） ， 男， 山东济南人， 教授级高工、 学士， 主 要从事岩土控制爆破和爆破拆除的研究，（E-mail） 2857598281qq. com。 通讯作者张文锡（1989 －） ， 男， 山东曹县人， 助理工程师、 硕士， 主 要从事岩土爆破和工程动力学方面的研究，（E-mail） Crcc14zwx＠163. com。 基金项目国家自然科学基金项目（41772299）水岩耦合作用下泥化 弱胶结软岩巷道流变破坏演化机理研究 1 工程概况 厄瓜多尔某原矿粗碎站基坑位于某标高1195 m 工业场地东南角。见图1。 基坑东、 南方向临场平边界沟谷， 北接1195 m 场平和山脊， 西连采场路段， 至露天采场和山脊。基 坑顶标高1195. 0 m， 基坑设计尺寸（ 长宽深）为 26 m 20 m 43. 9 m。 万方数据 图1 周边环境示意图 Fig. 1 Scheme of blasting surrounding 垂直于基坑南边线正中心掘槽修筑出渣道路， 出渣道路设计宽度为7 m，深度与基坑一致。 1195 m工业场地的场平标高以下以中-微风化花岗 闪长岩基岩为主， 节理裂隙发育及岩石风化程度随 基坑开挖位置、 深度而异。基坑南侧及东侧靠近山 谷位置为强风化块石或土状， 西侧和北侧基岩较为 稳定。 2 爆破总体方案 为尽快实现原矿粗碎站运转， 经过专家论证， 决 定在保证安全的前提下基坑及出渣道路位置均采用 直壁垂直开完的方式进行爆破。为了安全基坑留3 个平台垂直分4层开挖。见图2。 图2 Ⅰ-Ⅰ剖面开挖示意图 Fig. 2 Section excavation diagram 前两级平台宽2 m， 第三级平台宽0.5 m， 自上而 下每层基坑开挖尺寸（ 长宽深）分别为35 m 29 m 10 m、31 m 25 m 10 m、27 m 21 m 12 m、26 20 11.9 m， 基坑总开挖量约为3. 1万m3。 出渣道路位置自上而下4层开挖尺寸（ 宽深） 分别 为16 m 10 m、12 m 10 m、8 m 12m、7 m 11. 9 m， 出渣道路沟槽长度随深度及地形而定， 出渣道路总 开挖量约为2. 53万m3。 3 爆破设计 为满足安全和进度的要求， 若采用浅孔爆破技 术开挖， 可以较好的控制安全， 但是爆破次数频繁， 容易多次对围岩扰动， 不利于围岩稳定控制； 为了更 好的保护围岩， 对基坑和出渣道路轮廓处采用预裂 爆破， 剩余部分为爆破主体， 采用深孔爆破。每水平 内遵循“ 先行预裂， 后主炮孔钻孔爆破”的原则， 同 时先爆破出渣道路位置， 并且深入基坑一部分， 为基 坑爆破提供自由面， 爆破区域以长方形或者平行四 边形为好［ 1］。由于厄瓜多尔当地所能提供的爆破 器材种类有限， 现场只能在实际背景下进行爆破 设计。 3. 1 深孔预裂爆破 3. 1. 1 爆破参数 台阶高度H ＝10 ～12 m； 炮孔直径d ＝ 90 mm； 炸药采用最小抵抗线W取1. 2 ～1. 5 m； 底盘抵抗线 W1＝（1. 2 ～1. 3）W， 根据经验取W1＝2 m； 炮孔超深 h ＝（10 ～15）d， 根据经验取h ＝1. 0 m； 由炮孔深度 L ＝ H ＋ h可知炮孔深度在11 ～13 m。 预裂孔的间距a ＝10d， 考虑预裂基坑四侧岩体 不同， 并且在爆破施工中根据岩石硬度和构造特征 不同， 适当调整爆破参数有利于提高炸药能量利用 率和爆破效果［ 2］， 为了更好的保护东侧和南侧的围 岩， 炮孔间距a取0. 7 m， 对于基坑的北侧和西侧的 围岩比较完整， 炮孔间距a取1. 0 m。炮孔填塞长 度l2＝（20 ～25）d， 取l2＝2 m。结合实际情况， 采用 铵油炸药、 乳化炸药， 底部0. 5 m加强装药， 临近堵 塞段1 m药量减弱， 线装药密度为0. 4 ～0. 5 kg／ m， 单孔装药量不大于6 kg。 3. 1. 2 装药结构和起爆网路 预裂孔按设计药量装3. 175 20. 32cm（1 1／4 8英寸） 的药卷， 不耦合系数为2. 8。因为合理的微 差起爆时间能够起到很好的减震效果［ 3］， 一定层度 上可以爆破振动幅值［ 4］， 多孔微差爆破主要作用是 将爆破振动信号在时间上分离开来， 以达到降低爆 破振动的目的［ 5］， 现场经过试验逐孔用导爆索起爆 间隔时间在50 ms以内时仍能达到良好的预裂爆破 效果。为了安全， 现场采用减小一次齐爆药量的方 式来逐孔起爆控制爆破振动， 具体预裂孔装药及网 路连接如图3所示。 3. 2 深孔爆破参数 3. 2. 1 爆破参数 根据文献资料及和以往经验［ 6，8］， 台阶高度 H ＝ 10 ～12 m； 炮孔直径d ＝90 mm； 炸药采用最小抵抗 线W取2 m； 底盘抵抗线W1＝（1. 2 ～ 1. 3）W， 根据 07爆 破 2018年12月 万方数据 经验取W1＝2. 4 m， 炮孔超深h ＝（10 ～15）d， 根据 经验取h ＝1. 0 m； 由炮孔深度L ＝ H ＋ h可知炮孔深 度在11 ～13 m。 图3 预裂孔装药及网路示意图（ 单位mm） Fig. 3 Pre-cracking hole charge and network（unitmm） 炮孔间距a ＝1. 25 W1， 取a ＝3 m； 炮孔排距b ＝ a， 取b ＝3 m； 炮孔填塞长度l2＝（20 ～30）d， 根据经 验， 取l2＝3 ～3.5 m。线装药密度为4.0 ～5.5 kg／ m， 单孔装药量不大于55 kg。 3. 2. 2 装药结构 按设计药量从炮眼底部自下而上将炸药装入。 每个炮眼均装对应国内14段（760 ms）以上延期时 间非电毫秒雷管， 雷管插入乳化炸药卷内， 采用反向 起爆法将炸药卷装在孔底或中部。炮眼堵塞采用略 微潮湿的黄土， 逐层捣实堵满为止。见图4。 图4 深孔爆破炮孔装药结构示意图（ 单位mm） Fig. 4 Deep hole blasting hole charge structure（unutmm） 3. 2. 3 起爆网路 采用微差起爆网路孔内用14段以上高段位非 电雷管， 孔外连接采用厄瓜多尔当地非电毫秒雷管， 孔间所用雷管延期时间为17 ms、 排间所用雷管延 期时间为42 ms。见图5。 图5 深孔爆破炮孔网路连接示意图 Fig. 5 Deep hole blast hole network connection 4 爆破安全 4. 1 飞石防护措施 购置废旧车胎编制柔性炮被覆盖于炮位上， 上 面再压一层沙袋。这种覆盖材料有较高的强度、 弹 性和韧性， 不易折断， 并有一定的重量， 不易被爆炸 气浪抛起， 而且这种材料可反复使用、 易修补、 经济 实惠。要求胶皮炮被厚度不得小于1 cm， 编织要严 实， 四面用钢丝扎紧加固， 炮被搭接长度0. 5 m， 覆 盖范围大于爆破区域2 ～3 m。 4. 2 爆破振动监测 爆破振动效应是岩石高边坡爆破振动规律的研 究重点之一［ 9］， 由于基坑较深， 东部和南部有沟谷， 基坑与沟谷之间距离较近， 爆破振动容易引起围岩 失稳， 故在基坑周围尤其是东部和南部进行爆破振 速监测， 根据实时监测的结果， 指导现场爆破施工和 调整爆破参数。 在实际爆破过程中由于爆破主体范围较大， 每 次爆破范围为主体的一块， 下表中监测数据选取第 一层爆破中比较有代表爆破位置爆破时的振速。施 工中振动监测点位于图1所示AB、CD、DE、EF、GH 边中垂线上距离边线7 m处， 对应记录序号为1、2、 3、4、5， 分别记录不同爆破位置时的振动速度， 具体 监测结果如表1所示。 表1 爆破振动测试数据表 Table 1 Blasting vibration monitored data 爆破位置 测点1振速／ （cms －1） 测点2振速／ （cms －1） 测点3振速／ （cms －1） 测点4振速／ （cms －1） 测点5振速／ （cms －1） 道路预裂0. 8010. 7220. 5110. 7140. 798 道路主体1. 1020. 8040. 5330. 8231. 051 基坑预裂0. 8151. 0891. 2141. 1010. 808 基坑主体0. 9731. 4171. 4301. 3980. 953 基坑主体0. 9621. 3761. 4221. 3910. 959 17第35卷 第4期 孙 永， 张文锡， 宋 杰， 等 直壁基坑深孔台阶爆破控制技术 万方数据 从表1可以看出， 预裂爆破对各点振动速度普 遍小于基坑主体深孔爆破对各点振动速度， 跟预裂 孔装药量小于主体爆破时炮孔装药量相符， 同时由 于预裂孔爆破产生的裂缝的存在主体爆破振动速度 范围普遍偏小， 说明预裂孔爆破产生的裂缝有效控 制了主体爆破产生的振动速度， 总体上爆破振动速 度在可控范围内。 4. 3 基坑围岩变形 因为爆破开挖必然会对边坡保留岩体产生不利 影响［ 10］， 而基坑顶部水平位移是较有代表性的能显 示出基坑是否有垮塌危险的指标， 故爆破期间对基 坑顶部位移监测点（ 如图1所示AB、CD、DE中点以 及B点等） 进行水平位移监测。 由于监测数据较多， 此处仅列出第2层爆破的 30d期间内上述4个监测点的位移变形情况， 其中 第1 ～2d为出渣道路预裂爆破， 第4 ～10d为道路主 体爆破， 第12 ～ 13d为基坑主体预裂爆破， 第16 ～ 26d为基坑主体爆破， 监测结果显示可以有效控制 基坑围岩稳定， 具体监测结果如图6所示。 图6 监测测点位移图 Fig. 6 Monitoring point displacement 由图6可知，1 ～2 d为出渣道路预裂爆破时， 测 点1、2位移较大， 远离出渣道路的测点3、4位移很 小， 基本不受影响； 第12 ～ 13 d为基坑主体预裂爆 破， 测点3、4的位移剧增， 跟1 ～ 2 d时测点1、2位 移能够很好的对应， 等到所有预裂孔形成以后， 四个 测点位移变化逐渐变小， 逐渐趋于稳定， 最终测点2 即阳角位置处的位移略大于其它位置， 说明在采取 直壁深孔台阶爆破开挖基坑中若存在阳角的情况应 重点关注。结合图6可以看出， 通过采用上述爆破 参数和网路连接可以有效控制基坑围岩的稳定， 同 时可以避免基坑放坡开挖， 从而减少爆破工程量， 有 利于提高经济效益和缩短工期。 5 效果及结论 （1） 根据不同的围岩状态， 选择合适的预裂孔 间距， 结合合理装药结构和起爆方式可以产生很好 的预裂效果。 （2） 直壁深孔台阶爆破可以通过采用预裂爆破 和合理的爆破参数将爆破振动速度控制在合理的范 围内。 （3） 位移监测结果表明基坑阳角在分层直壁爆 破开挖过程中变形相对较大， 但在控制范围内， 直壁 开挖过程中应重点关注。 （4） 可以对一些复杂概况下的基坑选择采取直 壁深孔台阶爆破开挖来减少工程量， 以便提高经济 效益和缩短工期。 参考文献（References） ［1］ 管志强， 胡碧海， 应海剑.露天台阶深孔爆破设计中应 注意的几个问题［J］.爆破，2007，24（3） 104-106，113. ［1］ GUAN Zhi-qiang，HU Bi-hai，YING Hai-jian. Some prob- lems in design of open medium-depth hole bench cut blas- ting［J］. Blasting，2007，24（3） 104-106，113.（in Chi- nese） ［2］ 李洪伟， 邓 军， 颜事龙， 等.复杂环境下楼房深基坑 岩石控制爆破安全技术［J］.爆破，2016，33（2） 83-86. ［2］ LI Hong-wei，DENG Jun，YAN Shi-long，et al. Safety tech- nology of controlled blasting in deep foundation pit under complicated surroundings［J］. Blasting，2016，33（2） 83- 86.（in Chinese） ［3］ 孙从煌， 曲艳东， 孔祥清， 等.岩石介质中双孔爆破效 应的数值模拟研究［J］.爆破，2017，34（3） 37-45， 130. ［3］ SUN Cong-huang，QU Yan-dong，KONG Xiang-qing，et al. Numerical simulation of explosion effects of double- hole blasting in rock medium［J］. Blasting，2017，34（3） 37-44，130.（in Chinese） ［4］ 陈士海， 吴 建.双孔微差及长柱药包爆破振动数值 模拟研究［J］.爆破，2017，34（3） 46-52. ［4］ CHEN Shi-hai，WU Jian. Numerical simulation study on vibration of double-hole millisecond blasting and long cy- lindrical charge blasting［J］. Blasting，2017，34（3） 46- 52.（in Chinese） ［5］ 张光雄， 杨 军， 卢红卫.毫秒延时爆破干扰降振作用 研究［J］.工程爆破，2009，15（3） 17-21. ［5］ ZHANG Guang-xiong，YANG Jun，LU Hong-wei. Research on seismic wave interference effect of millisecond blasting ［J］. Engineering Blasting，2009，15（3） 17-21.（in Chi- nese） ［6］ 中华人民共和国国家标准. GB67222014爆破安全规 程［S］.北京 中国标准出版社，2014. ［7］ 刘殿中， 杨仕春.工程爆破使用手册［M］.北京 冶金 工业出版，2003544-548. ［8］ 汪旭光.爆破设计与施工［M］.北京 冶金工业出版， 2015224-229. 27爆 破 2018年12月 万方数据 ［9］ 付 波， 胡英国， 卢文波， 等.岩石高边坡爆破振动局 部放大效应分析［J］.爆破，2014，31（2） 1-7，46. ［9］ FU Bo，HU Ying-guo，LU Wen-bo，et al. Local amplifica- tion effect of blasting vibration in high rock slope［J］. Blasting，2014（2） 1-7，46.（in Chinese） ［10］ 陈 明， 郭天阳， 卢文波， 等.爆破开挖对边坡岩体裂 纹扩展的扰动机制［J］.岩石力学与工程学报，2015， 34（7） 1307-1314. ［10］ CHEN Ming，GUO Tian-yang，LU Wen-bo，et al. Disturb- ance of blasting excavation on crack growth in rock slope ［J］. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineer- ing，2015，34（7） 1307-1313.（in Chinese）. 英文编辑 柯 波 （上接第51页） ［6］ 邵鲁中， 龙 源， 孙远征， 等.水深因素对水下钻孔爆 破冲击波压力峰值的影响［J］.爆破器材，2008， 37（3） 4-6. ［6］ SHAO Lu-zhong，LONG Yuan，SUN Yuan-zheng，et al. The effect of depth to the pressure peak value of underwa- ter drilling blasting shock wave［J］. Explosive Materials， 2008，37（3） 4-6.（in Chinese） ［7］ 陈春晖， 吴 立， 赵均文， 等.水下钻孔爆破对紧邻建 （ 构） 筑物安全性影响研究［J］.爆破，2016，33（2） 117-122. ［7］ CHEN Chun-hui，WU Li，ZHAO Jun-wen，et al. Influence of underwater drilling and blasting on adjacent structure safety［J］. Blasting，2016，33（2） 117-122.（in Chinese） ［8］ 李春军， 吴 立， 李红勇， 等.不同水深条件下水下钻 孔爆破破岩机理研究［J］.爆破，2015，32（4） 123-127. ［8］ LI Chun-jun，WU Li，LI Hong-yong，et al. Rock breaking mechanism of underwater drilling blasting on different depths［J］. Blasting，2015，32（4） 123-127.（in Chinese） ［9］ 章 敏.基于SPH方法在冲击载荷中的数值模拟研究 ［D］.昆明 昆明理工大学，2016. ［9］ ZHANG Min. Numerical simulation research on the impul- sive load of based on SPH ［D］. KunmingKun- ming University of Science and Technology，2016.（in Chinese） ［10］ 曲艳东， 刘万里， 翟 诚， 等.水下爆破破冰爆炸冲击波 传播规律数值分析［J］.爆破，2017，34（2） 100-104. ［10］ QU Yan-dong，LIU Wan-li，ZHAI Cheng，et al. Numeri- cal simulation of propagation law of shock waves in process of breaking ice by underwater blasting［J］. Blas- ting，2017，34（2） 100-104.（in Chinese） ［11］ 时党勇， 李裕春， 张胜民.基于ANSYS／ LS-DYNA8. 1 进行显式动力分析［M］.北京清华大学出版社， 2005. ［12］ 郝亚飞， 李海波， 刘恺德， 等.单自由面爆破振动特征 的炮孔堵塞长度效应［J］.岩土力学，2011，32（10） 3105-3110. ［12］ HAO Ya-fei，LI Hai-bo，LIU Kai-de，et al. Blasthole stemming length effects of single free-face blasting vibra- tion characteristic［J］. Rock and Soil Mechanics，2011， 32（10） 3105-3110.（in Chinese） ［13］ 王 洋， 史秀志， 苟永刚， 等.平行双自由面岩体爆破 炮孔堵塞效应研究［J］.振动与冲击，2016，35（15） 80-85. ［13］ WANG Yang，SHI Xiu-zhi，GOU Yong-gang，et al. Blast hole stemming length effects of rock blasting with paral- lel double-free-surface［J］. Journal of Vibration and Shock，2016，35（15） 80-85.（in Chinese） ［14］ 柴修伟， 梁开水.水下炮孔爆破不同方向的水中冲击 波传播特性研究［J］.爆破，2012，29（1） 19-22. ［14］ CHAI Xiu-wei，LIANG Kai-shui. Research on propaga- tion characteristic of water shock wave induced by under- water drilling blasting in different direction［J］. Blas- ting，2012，29（1） 19-22.（in Chinese） ［15］ 刘佑荣， 唐辉明.岩体力学［M］.北京 化学工业出版 社，2010. ［16］ 赵新涛， 程贵海， 冯国建.炮孔堵塞长度的计算与实 验研究［J］.力学季刊，2010，31（2） 165-171. ［16］ ZHAO Xin-tao，CHENG Gui-hai，FENG Guo-jian. Calcu- lation and experimental study of blast-hole stemming length［J］. Chinese Quarterly of Mechanics，2010， 31（2） 165-171.（in Chinese） ［17］ 蒲传金.炮孔因素对露天台阶爆破效果的影响分析 ［J］.爆破，2008，25（1） 25-28. ［17］ PU Chuan-jin. Analysis on the influence of borehole fac- tors on open bench blasting effect［J］. Blasting，2008， 25（1） 25-28.（in Chinese） ［18］ 任少峰， 余红兵， 赵明生， 等.堵塞长度对巷道掘进掏 槽爆破效果影响研究［J］.爆破，2017，34（2） 51-54. ［18］ REN Shao-feng，YU Hong-bing，ZHAO Ming-sheng，et al. Study of influence of stemming length on cutting blas- ting effect in tunnel excavation［J］. Blasting，2017， 34（2） 51-54.（in Chinese） ［19］ 张艳军， 雷美荣， 宁掌玄.炮眼堵塞结构设计及参数 优化［J］.爆破，2017，34（2） 55-59. ［19］ ZHANG Yan-jun，LEI Mei-rong，NING Zhang-xuan. Structure design and parameters optimization of blasthole stemming［J］. Blasting，2017，34（2） 55-59.（in Chi- nese） 英文编辑 任高峰 37第35卷 第4期 孙 永， 张文锡， 宋 杰， 等 直壁基坑深孔台阶爆破控制技术 万方数据