复杂环境下管道工程接收井爆破开挖方案设计

迟 平,王 枚

(安徽江南化工股份有限公司宁国分公司,安徽 宁国 242300)

0 引言

接收井是污水管工程的重要组成部分,在管道系统正常运营中有着不可替代的作用[1]

,为节省施工成本,接收井常采用爆破法进行开挖,但是,爆破产生的危害(飞石、噪声和振动等) 会干扰、影响人们的正常工作和生活[2-4]。 其中,爆破产生的振动不仅会引起桩井护壁结构发生动态响应,造成护壁结构损伤,削弱或破坏其支护能力,影响桩井结构的稳定性,危及井下作业人员的安全[5],还会对周边隧洞、地下基础、地下管线等地下结构物及围护墙、楼梯、输电塔等地上结构体产生不利影响[6-8]。为减弱爆破开挖对周围环境造成的有害效应,保证施工安全,需要根据现场实际情况制订合理可行的爆破施工方法。

1 工程概况

拟建虎跑路(莲花峰路—赤山埠水厂)DN1200给水管道工程位于杭州市西湖景区虎跑路沿线,全长约1.3 km。 接收井位于赤山埠预处理厂内,呈圆形,直径为5.0 m。 沉井底板标高约6.1 m,相连管径为1.2 m,机械开挖5.0 m 后采用爆破开挖,钻爆深度为1.5 m。

1.1 工程地质

接收井已开挖5.0 m,现场地质为:中风化石英砂岩(D3Z),灰黄色,石英胶结,块状构造,单轴饱和抗压强度为40.7 ～51.4 MPa,平均值为47.0 MPa, 标准值为44.2 MPa,属较硬岩,岩体较破碎,岩体基本质量等级为Ⅳ级。

1.2 爆区环境

接收井位于赤山埠水厂净水池与管理方之间,距离净水池(西南方向)12.3 m,距离最近居民区(东北方向) 35.27 m、距离花港变电所72.24 m。

爆区周边环境复杂,如图1 所示。 爆破点200 m半径内有赤山埠水厂1 座,民房29 户,花港变电所1 座,赤山埠临时停车场1 处,北邻三台山路,东临虎跑路,车流量及人流量较大。 爆区防护要求较高。

图1 爆区周边环境

1.3 爆破计划

根据爆区地形、地质情况配置凿岩机具,确定采用浅孔爆破法施工,结合机械开挖排碴。 根据现场勘察和开采设计方案,拟采用二次爆破作业。 设计标准层阶高度为1.5 m,第一层级开挖深度为90 cm,考虑一次开挖残余和二次超深,第二层级开挖采用90 cm 层级钻爆,自上而下逐级施工。

2 爆破方案设计

2.1 布孔方式

接收井做环形布孔,对称掏槽。 布孔方式采用中心圆对称形布孔;以垂直炮孔为主,个别位置根据实际情况采用倾斜孔。

为减少单响药量和爆破振动、改善爆破质量,采取多钻孔、少装药的布孔原则。 根据布孔形式,每两个装药孔之间,加布1 个空孔,使之均布爆体和均衡挤压,避免个别飞石穿孔。

掏槽采用锥型两步掏槽,间隔空孔;辅助孔主要采用垂直孔,间隔空孔;周边孔外倾9 cm 左右,根据钻具的外倾角调整至合适角度,间隔空孔;合理设计延期时间。 布孔方式及延期时间如图2 所示。

图2 布孔方式及延期时间(单位:mm)

2.2 爆破参数

根据经验公式计算具体的爆破参数。

1)单耗:岩石中风化时K=1.6 ～2.0 kg/m3,取K=1.69 kg/m3。

2)孔径:采用YT28 型气腿式钻机凿岩,成孔直径d=42 mm。

3)孔深:接收井爆破层阶高度为75 cm,其中,超深一般取0.1～0.2 m。 根据进尺量,辅助孔和周边孔炮孔孔深L1=90 cm,超深为15 cm;内圈掏槽孔孔深L2=75 cm,外圈掏槽孔孔深L3=110 cm。

4)炮眼间距:a=(12 ～15)d,根据炮孔类型适当选取相应的间距,掏槽孔间距为30 ～45 cm,辅助孔为100 cm,周边孔为44 cm。

5)填塞高度,采用炮泥堵塞,堵塞长度不小于30 cm,掏槽眼不小于40 cm。

6)单孔装药量:通常按装药量体积公式先求出每循环进尺所需要用的药量Q=KπD2L/4,再按工作面炮眼数N分配调整。 一般情况下,掏槽孔装药量Qt多装20%～25%,即Qt=(1.2 ～1.25)Q/N;周边孔装药量Qb少装5% ～10%,即Qb= (0. 9 ～0.95)Q/N。

接收井主要爆破参数见表1。 其余爆破参数见表2。

表1 接收井主要爆破参数

表2 其余爆破参数

2.3 装药与堵塞

不同爆孔采用不同的装药方式及堵塞方法。为减小振动,分散爆破能,采用全断面加布间隔空孔的方式。 爆破装药结构按中心对称、均布型布置炮孔,浅孔爆破装药结构如图3 所示,堵塞材料用黄沙、黏土。

图3 装药填塞结构(单位:mm)

2.4 起爆网路设计

采用排间微差起爆技术,起爆顺序依次为中心掏槽孔1#、3#,辅助孔5#、7#、9#,周边孔11#、13#、15#,如图4 所示。

图4 起爆网络

3 爆破有害效应控制措施

3.1 最大单响药量

单响起爆最大装药量采用式(1)进行计算:

式中:Q为单响起爆最大装药量,kg;V为允许的介质质点的振动速度,cm/s;R为爆源至被保护物的距离,m;K为经验系数,中硬岩取150;a为衰减系数。

根据本工程的地质岩性、待保护物的结构特征,K=150,a=1.5。 不同建筑物与爆破振动相关的参数见表3。

表3 不同建筑物与爆破振动相关的参数

最大单孔装药量均不超过计算所得单次起爆最大装药量。 根据现场环境,工程最大单响药量为4.00 kg,并通过增加分段数、选择合理微差间隔时间等方式控制振动有害效应。

3.2 爆破个别飞散物安全距离

根据瑞典德汤尼克研究基金会对露天层阶爆破的飞石问题的研究结论,提出下面的经验公式来估算层阶深孔爆破的飞石距离:

式中,d为深孔直径,cm。

经计算,Rf=63～67 m。 鉴于工程的特殊性,飞石控制应为零。 采用锥罩挂网式结构(钢木结构,重约2 t),防护罩制作、吊装按相关规范执行。 飞石防护结构如图5 所示。

图5 飞石防护结构(单位:mm)

3.3 爆破空气冲击波

爆破空气冲击波计算公式:

式中:Rk为空气冲击波安全距离,m;Kn为系数,取1.0;Q为装药量,kg,取30 kg。

代入式(3)得:Rk=5.48 m。 因此,爆破空气冲击波的影响范围较小,无须进行特殊防护。

3.4 爆破施工工艺

3.4.1 钻孔

1)测量放样

钻孔前根据设计方案及待开挖岩体的实际情况,由测量人员根据孔网参数进行实地放样。

2)钻机平台

钻机平台必须满足钻机移动、架设及挖掘机清理对平台宽度的要求,原则上越宽越好,为减少平台修建的工作量,平台应尽量做到平整。

3)钻孔作业

钻孔必须按设计的位置、方向和角度进行作业,必须到达设计孔深,保持底面在同一平面上。钻孔完成后,将孔内的岩粉吹扫干净。 钻孔尺寸精度误差须符合设计要求,即孔位误差小于5%,角度误差小于3°,孔深误差小于30 cm。

为保证钻孔成孔率,遇到特殊地层需要调整钻孔操作参数(钻速、压力速度、风量等),必要时可进行泥浆护壁作业,钻孔完毕后进行护孔,不合格炮孔要进行补钻,水孔须吹水。

3.4.2 装药、堵塞

1)装药前应根据本次爆破所钻米数进行装药量调整,孔内积水(渗水)无法排净时,应丈量水的埋深,并采用具有防水功能的胶质炸药。

2)装药作业须依照爆破设计提供的装药密度装药。

3)炮孔堵塞长度须依照爆破设计施工。

3.4.3 起爆系统及联网

1)深孔爆破作业采用非电微差爆破网路,起爆器起爆。

2)进行网路联网作业,须按照爆破设计提供的网路图进行联网。

3)联网完毕,要严格认真检查,以防漏联、错联。

3.4.4 吊装防护罩

完成全部装药程序后,利用挖掘机(5 t 以上吊荷)吊装锥型防护罩。

4 现场试验

4.1 爆破施工前准备工作

根据爆破方案设计进行现场试验,接收井的待爆破平面事先清理整平,如图6 所示,采用旋挖钻机进行钻孔作业。

图6 接收井清理整平作业

4.2 爆破振动测试

在附近水池、变电站和居民区等区域设置测振点。 将爆破振动测试结果导出,如图7、表4 所示。

表4 爆破振动测试结果

图7 测点处爆破振动曲线

由表4、图7 可知,各建筑物的爆破振动处于安全阈值内。

4.3 爆破效果

现场爆破效果良好,无哑炮,平均炮孔利用率达到90%,爆破后爆渣松散,块度一般小于20 cm,底面基本达到设计层阶高度,接收井内壁较为稳固,周边水池、民房等均未受到破坏,爆破后接收井设计深度和直径达到设计要求,可为类似工程爆破施工提供参考经验。