复杂环境下石方控制爆破
杨勇，骆守林，薛永利
(核工业南京建设集团有限公司，南京210003)
摘 要：秦山三核乏燃料干式贮存设施场坪工程中，在复杂环境下，采用台阶爆破、延时爆破形式、预裂爆破的控制爆破技术方案，对爆区的三种类型建筑物，按不同的安全振速和振动加速度值，严格控制最大段药量，确保了建筑物的安全。通过合理选取爆破参数和采取爆区的覆盖防护措施控制爆破飞石，安全地实现了72万m3、边坡预裂面积3万m2。的石方爆破开挖。
关键词：复杂环境；石方开挖；控制爆破；爆破振动；爆破飞石
中图分类号：TD235.37 文献标识码：A
CONTROLLED STONEWORK BLASTING
IN COMPLEX ENVIRONMENT
YANG Yong，LUO Shou-lin，XUE Yong li
(Nuclear Nanjing Construction Group Co．，Ltd．，Nanjing 210003，China)
ABSTRACT：A field leveling project of spent fuel dry storage facility of Qinshan 3rd Nuclear Power P1antwas to be carried out in complex environment，which led to the adoption of controlled millisecond delavbench blasting and presplitting technology． According to different safety vibration and vibrating accelera—tlon values of the three types building in the blasting area，the maximum segment explosive quantitv wasstrictly controlled to ensure the safety of the building． And moreover，reasonable blasting parameters andthe protection covering the blasting area to control the flyrocks were determined． The excavation saw asafety achievement with an excavation of 720 thousands cubic meters and 30 thousands square meters ofslope presplitting．
KEY WORDS：Complex environment；Rock excavation；Controlled blasting；B1asting vibration；B1asting flyrocks
1 工程概况
秦山第三核电有限公司拟建乏燃料干式贮存设施的场址位于秦山南麓，距秦山一期、二期和三期核电站反应堆厂房分别为1.1km、0.95km、0.95km。开挖区北侧山坡上方有4座300kV的输电铁塔，距开挖边线最小距离16.21m；东侧40m处为武警营房(见图1)，施工现场周边环境复杂，施工条件困难。山体垂直开挖高度约80m，形成8个边坡和7条马道，共完成石方爆破72万m3、边坡预裂爆破面积3万m2，在25.25m高程面形成210m×90m场
地，用于建造的MACSTOR-400型贮存模块。爆破振动不仅要控制在运行电厂的安全允许范围内，而且要保证周围各种设施的正常使用。
开挖区表层为第四系坡积粉质黏土，层底标高26.47～90.40m，层厚0.1～3.9m。粉质黏土以下主要是流纹质熔结凝灰岩和英安流纹质熔结凝灰岩，以强风化至中等风化为主，岩石较破碎，底部微风化岩石结构完整。
2控制爆破方案与参数设计
2.1控制爆破方案
图1爆破区环境示意图
Fig.1 Schematic diagram of blasting environment
为了减小振动、控制飞石、确保周围建筑物及设施的安全，采用毫秒延时台阶爆破、预裂爆破的控制爆破技术方案。为避免飞石对被保护物造成损坏，尽可能调整抛掷方向，采用延时爆破技术，合理安排炮孔的起爆顺序，创造新的临空面，改变抛掷方向；同时在爆区上方采取竹篱笆加压砂袋等覆盖措施。对武警营房采用近体防护的措施，即在墙体西侧架
设双层钢管防护架，在防护架上挂铁丝网。
2.2参数设计
2.2.1 台阶爆破参数选取
(1)炮孔直径D：选用液压钻机ROCD7，根据钻机性能、台阶高度、岩石性质和破碎度要求，取炮孔直径D为89mm和76mm。
(2)台阶高度H：除第8级为6.0m外，其余各台阶高度均为10m。
(3)孔网面积S：S=ab，式中n为孔距，6为排距，单位均为m；为满足挖运对爆碴粒径的要求，当孔径为89mm时，S可取8.75m2(n为3.5m、则6为2.5m)。
(4)填塞长度L1：L1=(20～40)D，台阶高度为10m(超深1.0m、孔深11.0m)时，L1取3.5m；台阶高度为6m(超深0.6m、孔深6.6m)时，L1取2.5m。
(5)炸药单耗q：根据岩石结构和以往在该地区的台阶爆破经验，取q=0.35～0.40kg／m3。
2.2.2预裂爆破参数选取
(1)孔径、孔距、药卷直径：根据岩石结构、钻机性能确定预裂爆破孔径，取76mm。
孔距依据公式n=(7～12)D计算，并根据以往在类似地层爆破的经验取a=1.0m。
药卷直径按不耦合系数D／d>2取值(d为药卷直径)，本工程取直径32mm的乳化炸药，不耦合系数为2.37。
(2)线装药密度：预裂爆破的线装药密度用经验公式(1)计算，在实际施工中，根据预裂爆破效果作适当调整。
Q线=K·[δ压]α[a]β·[d／2]γ (1)
式中：Q线为线装药密度，kg／m；8m为岩石极限抗压强度，依据初步设计中岩石物理力学指标平均值按70MPa计取；a为炮孔间距取1.0m；d为孔直径取0.076m；K、α、β、γ均为系数，分别取0.127、0.5、0.84、0.24。计算出Q线=0.485kg／m，根据计算和以往同类岩石的边坡预裂爆破的经验，线装药密度为402g／m。
因孔底夹制作用底部应加强装药，根据经验一般为正常装药的(1～3)倍，取Q底=2Q线；顶部接近填塞部位，采用减弱装药，此处Q弱=0.5 Q线。
(3)填塞长度：预裂爆破填塞长度为1.2 m。
3 爆破振动与飞石控制
3.1爆破振动控制
爆破振动不仅要控制在运行电厂的安全允许范围，而且要保证周围各设施的正常使用。因此爆破振动控制成为本工程最关键的安全问题之一。目前国内外许多国家以质点振动速度作为衡量爆破振动强度的物理量，可按经验公式(2)计算：
υ=K(Q1/3/R)α
式中：υ为质点振动速度，cm／s；Q为最大段药量，kg；R为爆心与被保护物之间的距离，m；K、α为与爆破点至保护对象间的地形、地质条件有关的系数和衰减指数。解放军理工大学工程兵工程学院通过实验得到单孔爆破的波形，利用蒙特卡罗方法模拟雷管的延期时间，根据波形的叠加原理得到保护目标处的波形预报供设计参考，得出K=887.7、α=1.923。
由于爆区周围建筑物类型较多、周围环境复杂，为了确保爆破时各类建筑物的安全，爆破前对爆区周围建筑物深入踏勘。根据踏勘结果，对爆区周围的建筑物进行分类，并确定安全振速值为：高压输电线塔混凝土基础≤10cm／s，武警营房≤3cm／s。
由式(2)可见，当地形地质条件、爆破参数、安全振速及保护距离等因素确定后，建筑物的安全程度决定于最大段药量。根据式(2)及上述确定参数，不同类型建筑物在不同距离处最大段药量按式(3)计算，计算结果列于表1。
Q=(υ/K)3/αR3=(υ/887.7)1.56R3 (3)
表l 对应不同安全距离与振速的最大段药量
Table l Maxlmum segment charge to every safety
distance and vibration velocity
|
安全振速/(3cm• s-1) |
安全振速/(10cm• s-1) | ||
|
R/m |
Q/kg |
R/m |
Q/kg |
|
50 |
17.2 |
20 |
7.2 |
|
70 |
47.2 |
30 |
24.4 |
|
90 |
100.4 |
40 |
57.8 |
|
110 |
183.2 |
50 |
112.9 |
|
130 |
302.5 |
60 |
195.1 |
对于核电一期、二期和三期有关核设施，不仅要以质点振动速度来衡量爆破振动强度，还要以质点振动加速度来衡量爆破振动强度。解放军理工大学工程兵工程学院通过实验得出公式：
Q=R3(a／55.43)1.83 (4)
式中：Q为最大段药量，kg；R为爆心与被保护物之间的距离，m；“为安全允许振动加速度，要求≤0.03g。由式(4)可见，当安全振动加速度及保护距离等因素确定后，建筑物的安全程度决定于最大段药量。
核电一期、二期和三期有关核设施安全允许振动加速度≤O.03g条件下，对应于不同安全距离的最大段药量如下：
R／m 400 500 600 700
Q／kg 67.7 132.2 228.5 362.9
R／m 800 900 1000 1100
Q／kg 541.7 771.3 1058.O 1408.1
3.2 爆破飞石控制措施
开挖区北侧山坡上方有4座输电铁塔，距开挖边线最小距离16.21m；东侧40m处为武警营房。要求飞石不得损坏武警营房和高压线及其附属设施，保证铁塔的安全。
(1)炸药单耗的调控。炸药单耗的大小是决定爆堆及飞石抛掷距离的最主要因素之一，选择合理的单耗是控制爆破飞石的重要手段。因此每次爆破时对炮孔的岩石特性、节理裂隙要进行细致的踏勘，对孔网参数和每孔的装药量及单耗都要进行认真计算和调整，以达到控制飞石的目的。
(2)填塞长度的选择。填塞长度的大小是决定爆破飞石远近的另一主要因素。填塞长度过大，爆破效果就差，甚至只出现裂隙和龟裂，无法进行挖运；填塞长度过小，岩石被抛出，个别飞石就无法控制。填塞长度一般取(20～40)倍炮孔直径，并保证其长度≥1.1w，以确保爆破时最小抵抗线为爆破的抛掷方向，控制冲炮。
(3)填塞材料。选择好的填塞材料也可以很好地控制飞石，本工程“干孔”采用黏土填塞炮孔，“水孔”采用岩屑填塞炮孔，填塞时用竹竿轻轻捣实，中间不得间断，保证炮孔的填塞长度和质量。
(4)爆破方向的调整。为避免飞石对被保护物造成损坏，尽可能调整爆破抛掷方向，采用延时爆破技术，合理安排炮孔的起爆顺序，创造新的临空面改变爆破抛掷方向。
(5)加强对炮区的覆盖。在爆破施工中，由于岩石的不均匀性或其它未考虑到的因素，往往个别飞石脱离爆破岩体而飞出。为了防止个别飞石，采取以下覆盖措施：
在填塞好和连接好的起爆网路上每个炮孔孔口上压一竹篱笆，炮孔处在竹篱笆中心位置上(必要时，在炮区上方覆盖一层或多层的铁丝网，铁丝网必须把炮孔上方、的竹篱笆覆盖上)；然后在每块竹篱笆上压砂袋；另外，对爆破区域边坡上或拐角处等不便直接覆盖的地方采取斜撑防护(即用脚手架斜搭在边坡上或拐角处的爆破孔上，然后在脚手架上挂放竹篱笆，最后用砂袋压在竹篱笆上)或搭防护棚的办法进行防护。
4 结语
经过172次爆破，监测单位对每炮次进行监测，振动速度和振动加速度没有超过安全阈值，飞石距离小于安全距离，保证了周围设施安全正常运行，受到业主好评。复杂环境下所采取的控制爆破方案及参数是可行的；根据炮区周围建筑物类型采用不同的安全阈值，严格控制最大段药量，避免爆破振动对建筑物的影响，本工程所采用的控制爆破飞石的技术措施是有效和可靠的。
参考文献：
[1] 于亚伦．工程爆破理论与技术[M]．北京：冶金工业出版社，2007．
[2] 中华人民共和国国家标准．爆破安全规程(GB6722-2003)[s]．北京：中国标准出版社，2004．
[3] 陈志成．厦门市府大道扩建时的石方控制爆破[J]．工程爆破，2002，8(3)：49-52．