條形藥包硐室爆破技術在山體危巖排險施工中的應用

黃德全,周 勇,陳劍鋒,劉良權,羅 英,陶 軍

(1.重慶市地質勘查局 107地質隊,重慶 401120;2.重慶市基礎工程公司,重慶 400012)

條形藥包硐室爆破技術在山體危巖排險施工中的應用

黃德全1,周 勇2,陳劍鋒1,劉良權1,羅 英1,陶 軍1

(1.重慶市地質勘查局 107地質隊,重慶 401120;2.重慶市基礎工程公司,重慶 400012)

危巖體硐室爆破一次排險量大,施工速度快,是大方量應急排險的首選爆破方案。本次巫山山體危巖硐室爆破排險,通過詳細的地質調查和地形地貌測繪,采取信息化指導施工,安全、快速地完成了應急排險任務,一次排險 2817萬 m3,歷時 46天,取得了較好的經濟效益和社會效益。論述了本次爆破方案的設計、爆破參數(shù)的選擇以及施工技術,介紹了爆破效果,總結了經驗體會。

危巖體;硐室爆破;應急排險;信息化施工;爆破能量損失;爆破藥量

0 前言

我國硐室爆破技術的應用和發(fā)展經歷了 3個階段:20世紀 50～60年代集中藥包爆破技術探討和大量應用階段;60～70年代定向筑壩技術在水電站和水庫建設中的大量應用階段;80年代至今,條形藥包裝藥硐室爆破的大量應用階段。在國內,有關條形藥包硐室爆破的研究始于 20世紀 70年代末,從 80年代到 90年代,條形藥包硐室爆破技術應用領域和規(guī)模逐漸擴大,特別是 90年代后,沿海地區(qū)經濟的飛速發(fā)展,大規(guī)模的開發(fā)建設進一步促進了條形藥包硐室爆破技術的發(fā)展。其中規(guī)模和影響較大的工程有:1985年福建順昌石灰石礦的 1700 t剝離大爆破;1991年廣東惠州芝麻州 3100 t移山填海大爆破;1992年廣東珠海炮臺山 12000 t的移山填海大爆破。近年來,在石方路塹施工中,為控制主體石方爆破效果和路塹邊坡質量,發(fā)展了條形藥包硐室加深孔預裂一次成型的綜合爆破技術,爆破形成的邊坡穩(wěn)定、平整。這一切充分顯示出我國在條形藥包硐室爆破的工程應用上走在了世界的前列。目前,隨著我國大型鉆機和開挖機具設備的發(fā)展和更新、爆破環(huán)境的日益復雜化以及爆破對周圍地區(qū)的影響控制程度要求的提高,大量土石方開挖工程目前已廣泛采用深孔爆破方法,而硐室爆破的應用范圍受到限制。

地災山體排險爆破施工,是近幾年爆破工程所涉及的新領域,有著廣闊的市場范圍和應用前景,特別是三峽庫區(qū)蓄水運行后,誘發(fā)的大量地質災害需要應用爆破施工技術予以快速排險,以便盡快恢復當?shù)氐纳a和生活次序。通過在重慶武隆、巫山等典型地災排險爆破項目條形藥包硐室爆破技術的應用,得到的大量經驗證明:要想條形藥包硐室爆破在地災排險爆破領域得到更廣泛的應用,必須要解決以下兩方面的問題:(1)因硐室爆破技術中的藥室和導洞開挖需要人工、機械長時間在危巖體上作業(yè),其如何規(guī)避排險施工中的安全風險;(2)山體大量裂隙產生的爆破能量損失與常規(guī)硐室爆破藥量計算的修正量問題。本文就條形藥包硐室爆破技術在巫山山體排險施工中,這兩方面問題的解決方法和措施的應用方面作了一些嘗試。

1 工程概況

重慶市巫山縣篤坪鄉(xiāng)鶴溪村危巖位于縣城東南120多千米的篤坪鄉(xiāng)鶴溪村“三縣煤礦”右側,地區(qū)海拔 2000余米,屬喀斯特地貌,危巖為灰?guī)r,呈近似水平層理的巨厚層狀,巖層的厚度在幾十厘米至幾米之間,層與層之間夾有灰、灰黑、黃褐色等薄層狀粘土和煤層。危巖帶寬度 120余米,高度 130～150 m。該危巖帶在地表水沿巖石裂隙或順斜坡向下流動過程中,因剝蝕作用形成的溶溝將危巖帶分成 3個相對獨立又相互聯(lián)系的危巖體,分別編號為 1、2、3號危巖體 (見圖 1)。2號危巖體居中,比相鄰的 2個危巖體高數(shù)米。3號危巖體已于 2009年 2月 3日因危巖裂隙發(fā)育和巖石自重引起部分崩塌,其危巖體頂部已脫離母巖向外傾斜,頂部裂隙最寬處 10余米。3號危巖體崩塌下來的巖石碰撞后的小石塊飛出 400余米砸爛了村民一臺洗衣機,并打斷了一村民大腿,后因其流血過多而死亡。

圖 1 危巖體分布圖

周圍要求保護的永久建 (構)筑物較多,危巖東側 200 m處、東北方向 330 m處、西側 230 m處和西北方向 350 m處均有三縣煤礦的廠房設施,以及西北方向 270 m與 290 m處有兩棟民房,東北方向470 m處有一棟民房,在危巖體的正北方向 260 m處有一條寬度約 110～715 m的沖擊河溝,河溝的后側距離危巖體 400～450 m處散落有 4戶民房,其余環(huán)境寬闊,為山區(qū)丘陵地帶,人煙稀少。

1號危巖體體積約為 116775 m3,2號危巖體體積約為 106337 m3,3號危巖體體積約為 225454 m3,總體積約為 448566 m3。危巖主要危害對象是鶴溪村村民的生命財產和三縣煤礦礦區(qū)設施,其中村民16戶 (63人),在用巷道硐口及其附屬設施 6處,直接經濟損失達 1500萬,危害對象等級劃分為二級。

本次爆破排險的要求是:

(1)在 46天的時間里完成排除該危巖體 28萬m 3;

(2)爆破飛石控制在 100 m內;

(3)控制地震效應,盡可能保護周邊建 (構)筑物;

(4)動用一次警戒力量一次爆破完成排險。

2 爆破方案設計

2.1 設計原則

2.1.1 充分調查研究的原則

該危巖體因卸荷崩塌和地下老礦硐沉陷等多種因素作用,其與母巖體間形成的拉裂縫橫向發(fā)育較為寬大,向下貫通深度大,危巖體下根部破碎,且危巖體體內拉裂隙發(fā)育,處于臨界平衡狀態(tài)。其前期地質調查對于危巖體內體的裂隙狀況和地形地貌的測繪相對比較粗糙,不能滿足爆破設計的要求。在進行爆破排險方案設計時,必須重新進行調查研究,弄清裂隙的分布狀況和貫通方向、深度,準確測繪危巖體地形圖,并在擬定位置測繪出危巖體的水平剖面圖和垂直剖面圖,以便準確設計出藥室位置和炮孔位置。

2.1.2 硐室爆破和深孔爆破相結合的原則

硐室爆破需要進行導硐施工和藥室開挖等工程施工。對于高聳的危巖體,導硐和藥室的開挖減小了危巖體的根部支撐斷面積,在導硐和藥室開挖爆破中的多次反復爆破震動,極易誘發(fā)危巖體突發(fā)性的失穩(wěn)崩塌,威脅施工作業(yè)人員的安全。在爆破方案的設計選擇上,要針對危巖處于穩(wěn)定、欠穩(wěn)定和不穩(wěn)定 3種狀況分別設計。對于自然工況暫時處于穩(wěn)定、欠穩(wěn)定狀態(tài)而雷暴、地震工況不穩(wěn)定的危巖,直接在危巖體上開挖導硐采用硐室爆破的工藝技術;對于自然工況處于不穩(wěn)定狀態(tài)的危巖,采取中深孔爆破的工藝技術,中深孔的鉆鑿施工采取支架平臺或危巖體外側導洞接近的原則,以此避免人員在危巖體內施工。

2.1.3 監(jiān)控量測信息化施工的原則

危巖體爆破排險施工,監(jiān)控量測工作十分重要。沒有監(jiān)控量測工作,就沒有排險施工的安全性。監(jiān)控量測應采取全占儀和水準儀對危巖體的高程和水平位移進行精確量測,對于臨界平衡的危巖體,尚應安裝位移收斂儀和自動報警裝置,采用監(jiān)控量測指導施工。

2.2 方案選擇

根據(jù)危巖監(jiān)控測量情況 (參見圖 2～5),1號和2號危巖體水平向拉裂寬度不大,一般在 30～70 cm,垂直拉裂縫深度大,幾乎貫穿到山崖底部,拉裂面呈 70°～75°,危巖體呈高聳狀,高度 70余米,厚度一般在 17～25 m,爆破方案采取條形藥包硐室崩塌爆破的方式,在危巖體根部設置硐室,將該危巖體自穩(wěn)定高程以上完全爆破崩塌。3號危巖體水平向拉裂縫大,達 10余米,豎向發(fā)育宜深大,但豎向的拉裂面近于垂直,危巖體呈四棱柱狀少量外傾,采取頂部削坡減載的爆破方式進行排險,爆破減載高度 50 m。

1、2、3號危巖均采取條形藥包硐室爆破的爆破方式。

2.3 爆破參數(shù)的選擇

2.3.1 最小抵抗線W

主要依據(jù)爆破方量、地形條件、抵抗線W與埋深 H之比、拋擲距離、不逸出半徑以及安全距離等來選擇。最小抵抗線一般在 8～25 m,太小會增加硐室開挖量,太大則要增加藥量以克服重力作用。

圖 4 3號危巖 1683高程水平斷面圖

圖 5 3號危巖體垂直斷面圖

2.3.2 炸藥單位用藥量

炸藥單位用藥量與巖石性質、炸藥威力有關。根據(jù)現(xiàn)場實際情況,此次巖石為厚層、致密石灰?guī)r,對于 2號巖石銨梯炸藥來說,單耗選取 K=1105 kg/m3,而對于現(xiàn)在的巖石膨化硝銨炸藥,其單耗應選取 K=1105 kg/m3×1115=112 kg/m3。

2.3.3 藥量計算

條形藥包藥量計算公式:

式中:Q條——裝藥量,kg;K——炸藥單耗 ,112 kg/m3;W條——最小抵抗線,m;n——爆破作用指數(shù),采用加強松動爆破,取 0175。

由于危巖體多臨空面,因此,在設計上未考慮端頭加藥量。實際裝藥時,考慮到危巖體裂隙發(fā)育,爆破氣體逸出嚴重,按計算值量增大 10%裝藥。

1、2號危巖采取崩塌的方式,在高程 1650 m處開挖水平導硐進入危巖體并開挖藥室。導硐斷面按112 m×118 m控制,藥室按單層單排進行布設。因危巖體在 1650 m高程處與母巖間形成 015～018 m寬度的裂隙,藥室的布置原則上應將危巖體作為孤體進行位置的布設和藥量的計算,同時應綜合考慮前后臨空面的差異等因素。1號危巖水平斷面上的厚度 18 m,長度 40 m,藥室布置為雙藥室,編號為1、2號藥室,該藥室外側臨空面的最小抵抗線為 12 m,母巖方向的最小抵抗線為 6 m。2號危巖體水平斷面的厚度 16 m,長度 3414 m,藥室布置為雙藥室,編號為 3、4號藥室,該藥室外側最小抵抗線為 12 m,母巖方向最小抵抗線為 4 m。

3號危巖采取在 1683 m高程處的削坡減載的爆破排險方式。該危巖體 1683 m高程水平斷面厚度 36 m,長度 4112 m,高度 57 m。按照單藥包計算藥量,條形藥室裝藥,設計為正面抵抗線 18 m,側向抵抗線 18 m,為 2個條形藥室,編號為 5、6號藥室。

本次爆破的爆破參數(shù)如表 1所列。

表 1 爆破參數(shù)表

2.4 硐室堵塞

堵塞回填的質與量對于硐室爆破十分重要,原則上填塞的長度不得小于設計的最小抵抗線,并應愈大愈好。本次爆破排險 1、2號危巖的藥室間堵塞長度為全堵塞,丁字口外堵塞長度為 18 m;3號危巖的藥室間堵塞長度亦為全堵塞,丁字口外堵塞長度為 23 m。堵塞材料均為爆破石渣裝袋回填。

2.5 爆破網路

為確保爆破網路的安全,本次爆破設計為非電和電爆復式起爆系統(tǒng)。電力起爆網路為應用網絡,非電起爆網絡為備用網絡。電力起爆網絡和非電起爆網絡分別穿入 PVC管引出洞外,并在回填堵塞過程中經常檢查網路的暢通。

每個藥室置入電力起爆體 2個,置入非電起爆體 1個。每個電力起爆體并聯(lián)兩發(fā)雷管,并按照同藥室并聯(lián)藥室間串聯(lián)形成并串聯(lián)電爆網絡,網路的發(fā)爆電流 85 A,單發(fā)雷管過流電流 42 A,確保了網路的準確起爆。

藥室間爆破延時時間選擇不可過大和過小,過大容易造成先爆巖塊砸壞網絡形成部分藥室拒爆,過小容易造成地震波疊加,形成地震效應破壞周邊建 (構)筑物。本次爆破 3號危巖體的 5號藥室為 1段,6號藥室為 3段,2號危巖體的 3、4號藥室為 5段,1號危巖體的 1、2號藥室為 7段。危巖體間延時時間差一般為 50 ms。

3 爆破效果

1、2、3號危巖體一次裝藥于 2009年 7月 28日12:00時準時起爆 (見圖 6)。1、2號危巖爆破后,危巖體沿著與母巖的拉裂面整體崩塌,巖面完整、光滑,排險徹底、安全。3號危巖爆破后,大部分巖塊被拋擲,少部分堆積在 1683 m高程的爆破平臺上,部分經再次解塊后用挖機挖移出平臺外,排險亦安全、徹底。排險達到預期要求。

圖 6 起爆瞬間

本次爆破經實測驗收,1號危巖體排險方量 12萬m3,2號危巖體排除危巖體 712萬 m3,3號危巖體排除危巖量 915萬 m3,總計排險 2817萬 m3。爆堆集中、穩(wěn)定,對于 1650 m高程下未予爆破的危巖體,起到了堆載壓腳的穩(wěn)定作用。爆破飛石控制在了 50 m范圍內。爆破震動小,距離爆點 100 m左右的土坯房安然無恙。爆破形成的新巖面完整、光滑,無新的危石、懸石。本次爆破排險達到應急排險目的,效果十分理想,爆破效果見圖 7。

圖 7 1、2、3號危巖爆破后

4 幾點體會

(1)應急排險采取條形藥包硐室爆破是可行的。硐室爆破排險具有排險時間短,一次爆破量大,且經濟效益、社會效益顯著。本次爆破進場時間2009年 6月 12日,爆破時間 2009年 7月 28日,歷時 46天完成排險 2817萬 m3,非硐室爆破難以實現(xiàn)。

(2)信息化指導排險施工,是安全排險的關鍵。2號危巖原計劃是導硐開挖到危巖體與母巖的裂隙面后采用地質鉆機鑿 “150 mm的中深孔爆破排險方式,實際施工中,經對危巖體的變形位移監(jiān)測,信息反饋該危巖體暫時處于自然工況穩(wěn)定、暴雨工況欠穩(wěn)定狀態(tài),據(jù)此決定將該中深孔爆破方式改為硐室爆破。在該硐室掘進開挖中,采取自然工況下掘進洞室,暴雨工況暫停施工,并采取全占儀,水準儀和自動報警儀等對該危巖進行 24 h連續(xù)監(jiān)測,確保了該危巖的安全施工。

(3)危巖體在形成過程中除與母巖間產生大的拉裂隙外,在危巖體內往往會產生縱橫交錯的裂隙,在爆破瞬間其爆破氣體會大量逸出影響爆破效果。排險施工條形藥包硐室藥量計算按照公式:

計算出常規(guī)藥量后,在不考慮端頭加藥的情況下,加大 10%～15%的藥量是可行的,但要充分考慮周邊環(huán)境因素及巖體裂隙情況,裂隙多環(huán)境好取大值,反之取小值。本次爆破加大量 10%,未予出現(xiàn)爆破飛石,又達到了預期的爆破效果。

(4)3號危巖體硐室爆破的下破裂線在危巖爆破中未預期形成,造成爆后平臺上堆渣多于預期。3號危巖削坡減載爆破計劃的下破裂線按照公式 R=(其中 W=18 m),破裂高度應為 1315 m,以此下破裂線形成的面在爆破后不應堆積較多的渣石。而實際上,爆破的下拉裂高度經測量僅 110 m,在爆破藥室平面 1683 m上基本為水平平臺,在爆破后該平臺堆積石塊量較大,致使爆破后不得不再次動用挖機來清除該平臺上的爆破渣石。事后,在機械清理中發(fā)現(xiàn),在低于硐室底板高程的位置,是一處山體水平地質層理構造,從而改變了下破裂線的正常形成,因此,硐室爆破排險設計中利用下破裂線泄落巖渣應慎重,應充分考慮巖層層理及軟弱夾層對下破裂線形成的影響。

總的來說,本次爆破實踐,無論是從條形藥包硐室爆破技術的應用心得,還是經濟和社會效益方面都有很大的收獲。

[1] 馮叔瑜,等.中國工程爆破技術發(fā)展歷程與展望[A].工程爆破文集[C].深圳:海天出版社,1997.

[2] 馮叔瑜,等.鐵路爆破事業(yè)的發(fā)展與展望[A].鐵路工程爆破文集[C].北京:中國鐵道出版社,2000.

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[5] 陳作彬.田灣核電站擴建山體爆破工程爆破質量安全控制[J].探礦工程 (巖土鉆掘工程),2009,36(3).

Application of Chamber Blasting with L inear Charge in Unstable Rock Risk-el im ination

HUANG De-quan1,ZHOU Yong2,CHEN Jian-feng1,LIU Liang-quan1,LUO Ying1,TAO Jun1(1.No.107 Geological Party,Chongqing Bureau of Geology andMineral Exploration,Chongqing 401120,China;2.Chongqing Foundation Engineering Company,Chongqing 400012,China)

Unstable rock chamber blasting is the first blasting scheme for large volume emergency treatmentwith rapid con-struction speed.With detailed geological survey and topographymapping,andwith informational instruction,the risk-elim-ination by chamber blastingwas carried inWushan,287000m3unstable rockswere eliminated in 46 days.The paper dis-cussed the blasting scheme design,blasting parameter selection,construction technology and blasting effectwith the experi- ence.

unstable rock;chamber blasting;emergency treatment;information construction;blasting energy loss;explo-sive dosage

TD235.34

A

1672-7428(2010)01-0074-05

2009-10-29

黃德全 (1964-),男 (漢族),重慶合川人,重慶市地質勘查局 107地質隊高級工程師、一級建造師、全國監(jiān)理工程師,探礦工程專業(yè),從事公路、鐵路、礦山、碼頭、水利水電等工程的施工及技術管理工作,重慶市渝北區(qū)兩路鎮(zhèn)雙鳳支路 5號 5- 2;周勇 (1963-),男 (漢族),四川渠縣人,重慶市基礎工程公司經理、工程師,探礦工程專業(yè),從事巖心鉆探、巖土工程、地質災害治理工作,重慶市渝中區(qū)大坪長江二路 177-2號。