多种装药方式在黄湾卫生填埋场基坑爆破中的应用

陈 磊，许 迪，刘金民，陈佳秉，胡坤伦

(1.浙江秦核环境建设有限公司，浙江 嘉兴314300；2.江西省公安厅治安总队，南昌 330038；3.安徽理工大学化学工程学院，安徽 淮南 232001)

随着中国“五位一体”总布局的进行，城镇复杂环境下的控制爆破技术是城镇市政建设及改造的必要手段，但也成为城镇化发展的重要阻碍，其难点不只在于难以完全控制的爆破施工效果，更在于爆破过程中爆破振动、爆破飞石、爆破粉尘等爆破有害效应对周围人群造成的生命威胁，对周围构筑物造成的结构损害。为寻找更加安全有效的方法来应对城镇复杂环境下爆破施工，许多学者及工程技术人员进行了大量的理论、实验及工程实践的研究。

闫国斌等[1]利用LS-DYNA 建立了三维单孔不耦合装药爆破模型，并进行数值模拟,得出了孔壁应力与不耦合系数的函数关系，为预裂爆破和光面爆破参数计算提供了理论依据；李起山[2]通过对水泥沙浆模型进行不耦合装药的实验，得出不耦合装药能有效地降低作用在炮孔壁上的初压和最高压，降低了炸药爆炸的冲击作用，提高了静压作用的比例，对光面爆破中保持基岩的完整性，保证贯穿裂缝的形成,造成平整的破裂面都是十分有利的；梁为民等[3]通过采用水泥砂浆模型对不耦合装药结构进行了模拟实验，利用AUTODYNA 有限元分析软件，对不耦合装药结构爆炸应力波在岩石传播过程中粉碎圈、裂隙的形成，进行了数值模拟研究,得出装药和炮孔壁之间的间隙能够降低冲击波峰值压力，延长应力波和爆生气体的作用时间能改变应力波的加载速率，减小粉碎圈的范围和爆炸无用功，从而有效提高炸药的利用率，不耦合装药结构与耦合装药结构相比，可以显著提高岩石爆破效果，使岩石破碎块度分布更为合理；鲍罡武等[4]提出了卸压隔振新方法，即卸压隔振爆破的底部间隔空间延缓了炸药爆炸对孔壁的作用，降低初始压力及爆破应力峰值，同时卸掉炮孔底部的压缩应力，起到降低底部保留岩石爆破损伤的作用；张天锡[5]对不同界面炮孔爆破形成的残孔形式、长度及有限界面边界 “截止”爆破能量与残孔长度的关系、围岩应力对残孔的影响和夹制作用等有关问题作了分析，得出由于界面边界对爆破能量部分“截止”，除与界面平行或与界面垂直而有空孔的平行孔外，其他各种形式的布孔，一般都会出现残孔；张树伟等[6]分析了庙沟铁矿中深孔爆破大块根底产生的原因及对生产的影响，提出了正确的设计、合理的超深、严格的施工等措施；申卫峰等[7]对经山寺铁矿深孔台阶爆破产生大块和根底原因进行分析，提出有效解决方法，包括确定合理孔网参数和装药方式，确定合适填塞长度以及采用合理起爆形式等。以上各位学者的研究都为本次施工实践提供了一定参考。

1 工程概况

海宁市黄湾卫生填埋场生态修复工程位于海宁市黄湾镇(尖山新区)钱江村。根据建筑总平面布置的情况，拟建工程主要包括飞灰填埋库区(库容约20 万m3)1 座，调节池2座，2层的辅助车间2 间，综合水池及地磅房等，总建筑面积约2 350 m2，场地整平标高为黄海6.00 m左右。其中1#、2#调节池基础需要爆破开挖，爆破开挖方量为10 500 m3。

1.1 爆破点四周环境

经现场踏勘，待爆破基坑无开挖临坡面，距离基坑13.41 m处以内有海宁市杨清净化设备有限公司的砖构办公楼，办公楼东边紧邻一条南北走向、宽约5 m的乡村公路，路道东侧沿路有一条南北走向、架高4.5 m、输送电压10 kV的民用高压电线，道路东边距基坑31 m处为通航航道六平甲线；南侧10 m处为集装箱式地磅房，100 m处为浙江博世华环保科技有限公司黄湾卫生填埋场项目部办公楼；西、北侧200 m内无重要保护对象，整体爆破环境比较复杂(见图1)，爆破时应严格控制爆破振动与爆破飞石。

图1 待爆区周边环境Fig.1 Surrounding environment of blasting area

1.2 地质条件

调节池的东南部为第四系沉积层分布，部分区域受到垃圾场废液的侵蚀演变成强风化沉积岩，场地已整平，但未开挖，场地标高6.00 m左右；其西北部为一山崖，山崖高度约12 m，场地基岩为英安质火山凝灰岩(J3b)，勘探揭露有强风化凝灰岩(其厚度较薄)、中风化凝灰岩，上层覆盖层为粉质黏土(al-lQ43)。

1.3 基坑技术要求

根据设计方案及建设单位的要求，基坑不允许欠挖，超挖量也不能超过15 cm，基坑壁及底部要求平整，要控制基坑爆破对基坑底部及保留岩体的扰动。

2 工程剖析及应对措施

2.1 工程特点及难点

1)受侵蚀的强风化岩裂隙节理较为发育,深度超过基坑开挖的深度，对基坑底部保护较为困难；采用机械开挖施工进度慢，而爆破开挖由于裂隙较为发育导致爆破效果差；英安质火山凝灰岩(J3b)岩层存在层理，在爆破振动的影响下后排边坡可能产生塌方。

2)爆破区域地质由受侵蚀的强风化沉积岩过渡为英安质火山凝灰岩(J3b)，这种地质变化要求爆破作业每向前推进一个进尺后均要进行试爆，对爆破参数设计要求较高。

3)基坑上层覆盖层已剥离，剥离后的基坑场地坡度较大，爆破层厚度从3.0～13.5 m不等，为穿孔作业带来了很大困难。

4)待爆破场地没有临空面，工期进度不允许机械开挖形成临空面，所以第一爆对后序爆破作业顺利开展十分重要。

5)基坑尺寸相对较小，仅能容下1 台挖掘机作业，在基坑西南仅有1条由铁板铺垫的临时道路，对清运工作十分不利，因此要求严格控制大块率和根底。

6)紧邻基坑东北部为拟建垃圾填埋场挡墙，挡墙平均高度10 m左右，因此减少对保留岩体的扰动。

2.2 应对措施

1)设计基坑开挖深度为13.5 m，尺寸分别为15 m×18 m、32 m×32 m。基坑截面尺寸相对狭小，出渣受到施工场地的限制。该工程工期紧，施工期间需要严格控制大块率，减少二次破碎占用的时间，所以必须优化布孔参数，合理布孔，节约穿孔时间。

2)该基坑地质条件复杂，在施工过程中严禁超、欠挖，减少根底和对边坡的扰动次数。为此，在施工过程中要精心规划，合理布局，用最少的爆破次数完成基坑开挖，以期减少对保留岩体的扰动次数；基坑边坡采用预裂爆破，用以降低爆破作用对保留边坡的影响；穿孔过程中对孔底进行一定深度的超深钻孔，防止欠挖和出现根底；在装药过程中，孔底采取间隔装药，减少炸药对坑底的扰动，也可防止超挖。

3)基坑周边的爆破环境比较杂，为减弱爆破振动和减少爆破飞石，根据应力波和爆生气体联动作用的爆破原理，按松动爆破的原则，采用多打孔少装药的施工方法，同时采取不耦合装药、空气间隔填塞的方式，减弱冲击波的影响作用，延长孔内爆生气体的作用时间。

3 爆破设计

根据待爆破区周围环境、地质条件及工程要求等实际情况，结合该工程特点、难点及相关的施工技术经验，制定爆破方案。

3.1 爆破方案

为确保爆破效果及施工安全，将爆破有害效应控制在安全范围内，确保周边建筑的结构不受破坏及预留边坡的整体性，保证航道的顺利通航，决定第1 次爆破采取多打孔少装药的弱松爆破方式，结合机械开挖形成临空面，根据小台阶爆破思路，每次爆破采用2 排三角形式的布孔方式。孔底采用间隔装药和局部加强装药，药柱主体采用不耦合装药，孔口采用空气间隔填塞，预留边坡采用预裂爆破。

3.2 炮孔参数及装药结构

1)布孔形式及参数。本工程因工期紧，施工空间狭小，在施工期间直接采用高风压潜孔钻穿孔，钻孔直径d=110 mm。为保证孔底在同一平面高度，采用一孔一测的方式确保钻孔的精度，炮孔深度3.5～12 m不等；采用三角形布孔。

2)对于深度<5 m炮孔，孔距a=1.8～2.0 m，排距b=1.5～1.8 m；当钻孔直径d=110 mm时，采用多孔泡沫材料垫底20 cm，吊装2～3支φ70 mm或1～2支φ90 mm的2#岩石乳化炸药，在确保填塞长度不小于3 m的前提下，根据孔深的情况来决定在药柱顶部设置0～1.5 m空气间隔；采用上下2 发雷管起爆(见图2)。

图2 深度小于5 m炮孔的装药结构Fig.2 Charge structure of blastholes with a depth of less than 5 m

3)对于深度≥5 m的炮孔，孔距a=2.5～3.0 m，排距b=2.2～2.5 m；当钻孔直径d=110 mm时，采用多孔泡沫材料垫底20 cm，在底部吊装2～6支φ90 mm的2#岩石乳化炸药药卷进行加强装药，之后再吊装1.0～8.0 m的φ70 mm 2#岩石乳化炸药药卷，在确保填塞长度不小于3 m的前提下，根据孔深的情况来决定在药柱顶部设置0.5～2.0 m的空气间隔；采用上下2发雷管起爆(见图3)。

图3 深度5 m以上炮孔的装药结构Fig.3 Charge structure of blastholes with a depth of more than 5 m

3.3 装药量计算

按照类似弱松动爆破工程的炸药单耗(一般为0.28～0.35 kg/m3)，结合药卷的直径及装药的长度，根据下列公式并结合表1中2#岩石乳化炸药参数计算装药量。

Q=πr2lρ

(1)

式中：Q为单孔装药量，kg；ρ为药卷密度，g/cm3；r为药卷直径，mm；l为装药长度，m。

经计算，当炮孔深度<5 m时，单孔装药量3～6 kg，炸药单耗0.32 kg/m3左右；当炮孔深度≥5 m时，单孔装药量8～30 kg，炸药单耗0.30 kg/m3左右。

表1 2#岩石乳化炸药参数Table 1 Parameters of 2#rock emulsion explosive

3.4 爆破网路

采取一孔一响非电导爆管起爆网路(见图4)，孔内装MS11段(460 ms)导爆管雷管，孔间采用MS3段(50 ms)导爆管雷管；排间延时采用MS5段(110 ms)导爆管雷管。

图4 起爆网路Fig.4 Detonation network

3.5 预裂爆破参数

根据本工程地形地质、钻孔机械、爆破要求及爆破规模等，结合已经完成的工程实际经验资料[8]进行类比设计。

炮孔参数：钻孔直径d=110 mm;孔距a=(8～12)d，故孔距应为0.88～1.32 m，本工程取1.0 m。

单孔装药量：根据岩石地质参数及设计原则，正常段装药线装药密度Q线取350～400 g/m。

装药结构(见图5)：采用药卷直径为φ32 mm的2#岩石乳化炸药，沿药卷周边留环形间隙的不耦合装药，用PVC管捆绑固定药卷和导爆索间隔串联药卷，炮孔底部加强段的装药长度为1～1.5 m，线装药密度为正常段Q线的1～2倍，本工程取700～800 g/m；减弱段长度为1～1.5 m，装药量是正常段Q线的1/3，本工程取200 g/m左右。

爆破网路：孔内药卷由导爆索间隔串联并用MS1段(0 ms)延时导爆管雷管引爆，孔外采用簇联。

图5 预裂孔装药结构Fig.5 Charge structure of pre-splitting blastholes

3.6 安全防护

在充分保证填塞质量后，采用三层紧体防护措施：①在炮孔上压1袋25 kg的沙包，沙包均匀平躺；②每排炮孔压过沙包后，再覆盖宽1 m、厚1 cm废旧橡胶运输带编制的防护层；③在防护层上对应炮孔的位置再压2袋沙包。

3.7 爆破效果

爆破过程实现了振感小，无飞石；爆破后检查炮孔上部无大块，岩石破碎充分，清碴方便，基坑超、欠挖基本控制在15 cm之内；局部根底欠挖部位采用挖掘机即可清除,基坑底部十分平整(见图6)；邻近路面清洁无尘土，周边建筑物完好。

图6 爆破效果Fig.6 Blasting effect

4 结语

1)装药结构大部分采用不耦合装药结构，一改以往不耦合装药仅作为预裂爆破和光面爆破的装药方式，这为以后的主体爆破方式提供参考经验。

2)不耦合装药，能够有效减少粉碎区的区域，延长爆生气体的作用时间，提高爆破整体效果，使岩体破碎均匀。

3)炮孔上部空气间隔部分能够有效地减少孔口大块率，减少爆破飞石量，对延长爆生气体的作用时间有一定的作用。

4)爆破方式没有严格区分浅孔爆破与深孔爆破，而是根据工程实际情况，因地制宜，一孔一测量的方式，在保证松动爆破所需单耗的情况，进行多元化施工。