塘坝边坡开挖中的爆破设计与施工

李 冰，吴文凯，邱艳茹，任思远

（北京金河水务建设集团有限公司，102206，北京）

一、工程概况

2022年冬奥会延庆赛区A部分场馆配套基础设施——造雪引水系统工程施工项目位于北京市延庆区张山营镇小海坨山地区，在海拔1 050 m佛峪口沟上修建，用于调蓄通过管廊输送到赛区的造雪用水，是冬奥会供水的主干建筑之一，主要挡水建筑物为重力坝，等级为3级。1 050 m高程塘坝位于两座山“V”形沟谷之间，两座山分别是左右坝肩的位置。两岸山体岩性以燕山晚期侵入花岗岩为主，粒状结构、块状构造，根据颗粒结构不同及矿物成分不同，又可细分为花岗斑岩、中细粒花岗岩、细粒花岗岩、二长花岗岩等。

二、爆破方法选择

根据塘坝地质情况，塘坝边坡主要为花岗岩，又由于工期紧迫，故采用爆破形式进行开挖。

1 050 m塘坝左右坝肩从上到下分4步台阶逐步爆破，最后进行坝基爆破。左右坝肩采用同步钻孔、相继爆破、同步清渣的施工工序。

开挖轮廓面采用预裂爆破，预裂孔钻在轮廓面上，孔径90 mm，孔深约13.5 m，钻孔方向与设计方向一致，超出建基面以下0.5 m。岩体爆破采用深孔梯段爆破，孔径90 mm，孔间距3.0 m，排间距 2.0 m，孔深约 10 m，钻孔方向与设计方向一致，预留3 m厚保护层。保护层爆破采用浅孔爆破，钻孔采用YT—28手风钻钻孔，孔径50 mm，孔间距 1.0 m，排间距 0.8 m，孔深约2.8 m，钻孔方向与设计方向一致。保护层爆破完成后，留出0.2 m厚的岩体，人工清理。1 050 m塘坝爆破断面见图1。

三、爆破设计

1.预裂爆破设计

预裂爆破是在沿开挖边界布置密集炮孔，采取不耦合装药或装填低威力炸药，在主爆区之前起爆，从而在主爆区与保留区之间形成预裂缝，以减弱主爆区爆破对保留岩体的破坏并形成平整轮廓的爆破作业。由于受现场施工条件的影响，现场钻孔采用三脚架钻机和履带式潜孔钻机相结合的方式。

①炮孔直径确定。根据设计文件，炮孔直径不宜大于100 mm，因此选取炮孔直径为90 mm。

②炮孔间距选择。炮孔间距宜为孔径的8～12倍，坚硬岩石取小值。此次爆破石体以花岗岩为主，属于坚硬岩体，故孔间距取10倍的孔径，孔间距为900 mm。

③孔深选择。炮孔深度根据《土方与爆破工程施工及验收规范》确定的公式：

式中，L为炮孔深度（m），α为边坡坡度角即钻孔角度（取值 73.29°），H为台阶高度 （取值12 m），h为炮孔超深 （取值 0.5m）。L=（12+0.5）/sin73.29＝13.05 m。

④钻孔倾斜度。倾斜度与设计边坡的倾斜度相同，放坡比1∶0.3，坡度73.29°

⑤平均线装药密度。线装药密度是爆破的最关键因素，合理的线装药密度不仅可以保证预裂缝的贯通，而且使边坡达到稳定、平整、光滑美观的要求。线装药密度根据《土方与爆破工程施工及验收规范》确定的公式：

式中，q为平均线装药密度（g/m），k为预裂爆破单位面积岩石炸药消耗量（取值300 g/m2），a为爆破孔距 （取值0.9 m）。q＝300×0.9＝270 g/m。爆破施工时，通过试验对平均线装药密度进行调整。

⑥单孔装药量。单孔装药量根据以下公式进行计算：

式中，Q为单孔装药量 （kg），q为平均线装药密度（取值0.27 kg/m），L为孔深（取值 13.05 m）。Q=0.27×13.05=3.523 kg。

⑦不耦合系数。根据《水电工程施工实用手册》的公式计算：

式中，E为不耦合系数，d为采用药卷（取值32 mm乳化炸药），D为钻孔直径（取值 90 mm）。E=90/32＝2.81。

⑧爆破炮孔堵塞长度。爆破炮孔堵塞长度l=1.1a，代入l=1.1×0.9=0.99 m。装药时距孔口0.99 m的深度不用装药，可用粗砂填塞，不必捣实。填塞段过短容易形成漏斗，过长则不能形成裂缝。

⑨药包结构形式。药包采用将药分散绑扎在传爆线上，考虑到孔底的挟制作用较大，底部药包应加强，约为线装药密度的2倍。

图1 1 050 m塘坝爆破断面图

2.深孔梯段爆破设计

深孔梯段爆破用于主岩体爆破。

①炮孔直径。根据设计文件要求，选取炮孔直径为90 mm。

②孔间距和排间距。按照大间距、小排距要求，孔间距为 3.0 m，排间距为2.0 m。

③钻孔深度。根据施工图，爆破垂直深度为12～13 m，预留3 m厚保护层，钻孔深度为9.48～10.52 m。

④单孔装药量。单孔装药量按《工程爆破实用手册》确定的公式计算：

式中，Q为单孔装药量（kg），k为前排岩石阻力作用的增加系数 （一般取1.1），q为炸药单耗（取值 0.5 kg/m3），a为爆破孔距（取值3.0 m），b为排间距（取值2.0 m），h为爆破层厚度 （取值10 m）。Q=1.1×0.5×3×2×9.48=31.28 kg。

⑤爆破炮孔堵塞长度。爆破炮孔堵塞长度l=1.1a，代入l=1.1×3.0=3.3 m。装药时距孔口3.3 m的深度不用装药，可用粗砂填塞，不必捣实。

3.浅孔爆破设计

浅孔爆破用于保护层爆破。每一梯段的预裂爆破和梯段爆破完成后，再进行保护层爆破,保护层厚3.0 m。

①炮孔直径。选取炮孔直径为50 mm。

②孔间距和排间距。孔间距为1.0 m，排间距为0.8 m。

③保护层钻孔深度。建基面上部预留20 cm石体，人工清理，所以保护层钻孔深度为2.8 m。

④单孔装药量。单孔装药量按《工程爆破实用手册》确定的公式计算：

式中，Q为单孔装药量（kg），k为前排岩石阻力作用的增加系数（一般取1.0），q为炸药单耗（取值0.4 kg/m3），a为爆破孔距（取值1.0 m），b为排间距（取值0.8 m），h为爆破层厚度（取值 2.8 m）。Q=1.0×0.4×1.0×0.8×2.8=0.896 kg。

⑤爆破炮孔堵塞长度。爆破炮孔堵塞长度l=1.1a，代入l=1.1×1.0=1.1m。

4.起爆网路设计

1 050 m塘坝属于露天石方爆破，采用数码电子雷管组成起爆网络，充分利用了电子雷管发火延时精度高，准确可靠，有利于控制爆破效应，改善爆破效果的特点。而且可单个雷管设置，孔间距延期时间选用5ms，排间距延期时间选用 5～150 ms，以有效降低爆破震动的影响。起爆方式采用导爆索起爆。起爆网路如图2所示。

图2 起爆网路图

5.爆破安全设计

①爆破地震安全距离计算。根据《水电工程施工实用手册》确定的公式：

式中，R为爆破地震安全距离（m）；Q为炸药量 （取值300 kg）；V为地震安全速度，土窑洞、土坯房、毛石房屋取1.0 cm/s，一般砖房、非抗震的大型砌块建筑物，取2.0 cm/s；m为药量指数（取值 1/3）；K，a为与爆破地点地形、地质等条件有关的系数和衰减指数，其中K取 200，a取 2.0。R=（200/2）1/2×3001/3＝65.6 m。

为安全起见，在每次爆破之前，将本次的爆破地点、开始时间、结束时间和应采取的防范措施，都书面通知给周边相关单位。

②爆破飞石控制。爆破飞石是指那些脱离主爆堆而飞离较远的石块。由于造成个别飞石的原因很多，情况也比较复杂，因此具体每一次爆破作业飞石安全距离的确定应视其爆破条件、周围环境等因素，类比相似工程，综合考虑。

四、主要施工方法

1.施工工序

1 050 m塘坝爆破施工工序：孔位放样→布孔钻孔→装药和堵塞→警戒→起爆网络连接→网络起爆→处理盲炮→解除警戒信号。

2.孔位放样

孔位、角度、深度、孔径按照设计图纸进行，钻孔孔位偏差不大于10 cm，孔深偏差不大于5 cm。

3.布孔和钻孔

预裂爆破和深孔梯段爆破的钻孔属于深孔钻孔，保护层爆破的钻孔属于浅孔钻孔。深孔采用履带式QZJ—100B型钻孔机，浅孔采用气脚式手风钻。钻孔操作如下：

①钻孔前，对钻孔机进行检查，保证与钻机连接的空气压缩机、液压系统、油泵等正常，钻头直径符合孔径要求。浅孔钻孔前操作人员需穿戴护目镜，防止碎石入眼。

②钻头对准放样好的点位，开始钻孔。钻孔时要根据参数要求，确保孔位、方向、倾斜角符合设计要求。

③对于完整岩面，钻孔刚开始应先吹净浮渣，给小风不加压，慢慢冲击岩面。当钻头进孔后，逐渐加大风量至全风全压，进入快速凿岩状态。

④对于有风化的碎石层，钻孔时钻杆要平移，匀速转动，减少震动，以免孔边碎石落入孔中，造成卡孔。

⑤如遇到卡孔，不可让钻杆强行转动，以免钻杆断杆。可进行停钻或倒转，将钻杆缓缓拔出，然后将钻杆放入孔中，重新慢速起钻，解除障碍后恢复至正常钻速。

⑥每孔钻完后，首先将岩石粉吹干净，然后从孔中把钻杆提升到孔口，这时不要移动钻机，以防孔深不够时可以继续在原孔中加深钻孔。

⑦钻孔完成，初步验收合格后，需对孔口加盖密封，并做好标记，防止杂物碎石掉入孔中。

4.装药和堵塞

装药之前测量孔深，对过浅和过深的炮孔要调整装药量。孔中水应尽量排除干净。装药时用炮棍缓缓将药卷送入炮孔底部，不得用力过猛，防止药卷变形而卡在炮孔中，造成装药量不足或药包位置偏差。回填堵塞的材料宜选取一定湿度的黏土。

5.起爆网络连接

在进行起爆网络连接时，由专业爆破人员担任，实行双人同时在岗制度。在现场技术人员的指导下，根据爆破设计的网络连接，采用数码电子雷管起爆网络。

6.网络起爆

起爆前必须仔细检查各段导爆索和导爆管的外观是否在敷设过程中受到损坏，接头是否符合规定。爆破工作开始前必须确定危险区边界，并设置明显的标志。起爆前，必须发出音响和视觉信号，使危险区内人员都能清楚地听到或看到。检查无误且起爆信号发出后，在爆破组长下达准备起爆命令后，才准连接主起爆线上的起爆雷管。

五、结 语

本工程主要采取预裂爆破的方式，通过深孔爆破、浅孔爆破的有效结合，在保证开挖质量的前提下，合理安排施工顺序，加快了施工进度，提高了开挖效率，降低了施工成本，最终比预计提前半个月的工期完成爆破开挖任务。