南水北调中线石渠边坡预裂爆破成形技术

于 晓

（中国水利水电第十三工程局有限公司，天津 300384）

0 引言

自预裂爆破技术在水工岩石开挖中成功应用以来，由于能够减弱主爆区爆破时地震波向边坡方向的传播，阻碍裂缝向边坡方向发展，有效保护边坡质量，广泛应用于路堑边坡、建筑物基坑、露天边坡和地下硐室等工程的施工中。 实践证明，在完整硬质岩体的边坡开挖中，应用预裂爆破技术可使爆破后边坡坡面稳定、平整、美观，爆破开挖半孔率可达到90%左右[1-3]。 但是，目前在我国建设工程的边坡开挖中， 普遍采用粗放的爆破开挖施工方式，致使边坡内部岩体严重损伤，对边坡的长久稳定极为不利。 因此，有必要推广预裂爆破的工程的应用范围。 本文以南水北调中线辉县段苏门山渠道开挖为例，探讨了预裂爆破在渠道边坡成形中的应用。

1 工程概况

南水北调中线辉县段苏门山渠道石质干渠位于河南省辉县百泉镇境内，桩号101+230～108+000处，为挖方渠道，挖方深度一般11～35 m，最大挖深40 m 左右，渠道边坡设计坡度为1:0.4，需要注意超欠挖。 该地段属坚硬中厚～厚层灰岩层状结构段，渠坡岩性主要为奥陶系灰岩、白云质灰岩，局部渠段上覆第四系黄土状壤土和粉质壤土，单层厚度一般为2～4 m。灰岩岩层走向166°，倾向256°，倾角14°～20°。 灰岩裂隙比较发育，裂隙走向以60°～80°最发育，裂隙面粗糙，多为方解石追踪充填。 上部1～3m左右灰岩多为强风化岩石，岩体较破碎；下部灰岩为弱～微风化岩石，岩体相对完整。 灰岩中溶蚀现象较发育，多形成溶洞，钻孔中遇见溶洞大者直径达60～100 cm，多充填棕红色黏土，发育规律性差，局部形成地下水通道，影响渠坡的稳定，并使渠道存在渗漏问题。 岩体中隐伏构造（如小断层）发育，断层带内岩芯较破碎。 该处渠道走向125°，岩层走向与渠线呈40°夹角相交，渠道开挖边坡左侧呈顺层，对边坡稳定不利。 因此，需要注意采取适当的开挖方式，确保边坡质量及稳定性。

2 前期预裂爆破存在的问题及原因

2.1 前期预裂爆破存在的问题

前期预裂爆破完成后，岩石完整性除了局部部位基本满足要求外,其他地质不良地段,每层坡面上部2 m 范围内出现不同程度的爆破拉裂破坏，马道平台超挖严重， 边坡坡面出现明显的爆破裂隙，半孔率较低坡面局部地区存在超欠挖现象。 从爆破效果来看，并未达到预期的最佳效果。

2.2 造成边坡质量缺陷的原因

经过认真调查分析, 造成边坡质量缺陷的原因主要有以下几点。

（1）该地段边坡岩体发育有多组贯通的顺坡向节理滑动面，爆破震动使节理裂隙扩展贯通,预裂缝偏离中心连线,造成超欠挖。

（2）本着“宁超不欠”的想法，考虑中、深孔爆破的超深值，造成了上级平台爆破对下级平台局部超挖破坏，使得裂隙更加发育。 裂隙发育段预裂爆破,平均线装药量太大、孔距过大，且装药结构也不合理。 过大的装药会使大量的爆生气体侵入坡面裂隙中，形成的“气楔”，加剧孔口段岩石抬动和拉裂破坏。

（3）预裂孔炮孔经常发生两孔在孔底出现交叉的情况，造成了预裂孔底局部炸坏或出现根底及贴边现象。 由于采用液压钻，虽然加快了钻孔速度，但是没有控制好预裂孔钻孔角度，造成孔底间距过大或交叉。 此外，预裂孔间距也随意变化，没有按照设计要求布设。

3 优化爆破的参数及施工措施

3.1 爆破参数调整

（1）钻孔直径d。孔径根据台阶高度和钻机性能确定。 钻孔机具的选择主要以保证边坡壁面质量为原则。 根据现场的情况，为了保证预裂孔在同一直线，采用快速钻钻孔，炮孔直径为90 mm。

（2）爆破孔距a。 预裂孔间距一般为炮孔直径的8～12 倍，本工程取0.8～1m，在节理裂隙比较发育的岩石中取小值，完整性好的岩石可取大值。

（3）线装药量q。 为了控制预裂爆破效果，保证形成预裂缝，减少对保留岩体的损伤，应尽可能减少装药量。 根据长江科学院一般经验公式[4]：q 线=0.042·[σ 压]0.5·[a]0.6， 将原来的450 g/m 降低至300 g/m。

（4）装药结构。 装药结构一般采用孔口堵塞段、正常装药段及孔底加强段。 堵塞段的长度一般可取炮孔直径的10～20 倍[5]。 如图1 所示，采用Φ32mm直径药卷，将药卷绑在竹片上（竹片置于孔临近保护面一侧），装药之间用导爆索串联，以保证所装炸药都能起爆。 炸药装填好后，先用纸团等松软的物质盖在药柱上，再填干沙等松散材料。 填塞松散材料应密实，以防止炸药气体冲出，影响预裂效果。 孔底1.5 m 为加强段，取正常装药量的5 倍。 其余段为正常装药段。 堵塞段以下1.5 m 左右为减弱装药段，装药量为150 g/m。

图1 装药结构示意图Fig.1 Charging structure

（5）不耦合系数。 本工程设计光爆孔直径为90 mm，炸药选用φ32mm×200g 型的2#岩石乳化炸药，因此，不耦合系数为2.81，能满足一般的不耦合系数要求。

（6） 控制好起爆时间。 预裂孔应先于主爆破起爆。

3.2 钻孔精度控制

（1）在准备进行钻孔作业的区域，先对工作面进行平整、清理和找平。 在预裂孔边线2m 范围内，大面平整度控制在20cm 以内，确保预裂孔孔底在同一水平。

（2）测量员按照爆破设计方案，标出预裂孔炮孔位置，并标注孔深、倾斜角度。 钻工按测量放样定好的孔位进行钻孔。

（3）安排相对固定有经验，且富有责任心的钻机操作手进行钻孔。

（4）预裂孔钻孔完毕后，及时检查孔深，对不合格孔进行补钻。钻孔合格后，用堵孔塞或加盖草袋等措施保护好孔口。

3.3 施工措施改进

（1）事先钻爆预裂孔，提前形成预裂缝。 该措施对加快整个工程施工的进度起到很大作用。

（2）做到“岩变我变”。 为加快施工进度，降低成本，对地质条件好的部位，可拉大预裂孔孔距。 在保证预裂质量的前提下, 预裂孔孔距由1m 拉大到1.2 m,线装药密度增加到450 g/m。在地质较差条件下，可降低间距。

（3）边坡预裂爆破采用导爆索起爆，为控制起爆药量，需分段起爆。 但分段延时时间不大于25 ms，并于主爆区先爆。 预裂孔与最后一排主爆孔之间的延时时间间隔应大于100 ms，主爆孔之间的延时爆破时间控制在25～100 ms 内, 最大单段装药量控制在80 kg 以内。 起爆网路如图2 所示。

图2 起爆网络示意图Fig.2 Initiation mesh

3.4 爆破效果分析

采取了上述技术调整措施后， 预裂爆破效果较理想，爆后开挖轮廓面半孔率达到90%以上，两相邻残留爆破孔间的不平整度小于15cm，无裂隙张开、错动及层面抬动现象。 边坡面上部及平台的爆破拉裂破坏问题得到了有效控制，除坡面顶部个别地方有缺角外，边坡坡面和平台轮廓完整,坡体稳定。 边坡预裂爆破边坡坡面效果如图3 所示。

图3 优化预裂爆破参数后的渠道边坡示意图Fig.3 Channel side slope after optimizing pre-blasting parameters

4 结语

综上所述，当前边坡弱扰动爆破的理论仍然落后于实践，但预裂爆破技术具有推广应用的条件和基础，它对提高路堑边坡的开挖质量和稳定性具有十分重要的意义，本文对此有以下两点认识。

（1）预裂爆破的主要钻爆参数包括钻孔间距、钻孔直径、线装药量、钻孔超深等，而这些参数多以经验法确定，需要依据边坡高度、岩石性质、工程环境和地质条件等进行调整，以满足工程需要。

（2）注意过程控制，加强职工责任心教育，避免因人为因素造成对爆破的影响。

[1] 刘殿中. 工程爆破实用手册[M]. 北京:冶金工业出版社，1999.

[2] 张正宇. 中国爆破新技术[M]. 北京:冶金工业出版社，2004.

[3] 张正宇. 现代水利水电工程爆破[M]. 北京: 中国水利水电出版社，2003.

[4]DLT 5389-2007，水工建筑物岩石基础开挖工程施工技术规范[S].

[5] 张志毅，王中黔. 交通土建工程爆破工程师手册[M]. 北京：人民交通出版社，2002.