硐室爆破适用于土石方量集中, 工期要求紧的土岩爆破工程, 曾经在我国得到广泛应用。但是因为硐室爆破的一次爆破装药量多, 爆炸能级较高, 导致其爆破振动大, 对爆区附近的建 (构) 筑物及道路、边坡的安全稳定性有很大影响, 爆破地震效应尤其引人注目 [1]。如何改进硐室爆破技术, 降低其地震效应, 一直是困扰爆破工程技术人员的难题。在太长高速公路的路基开挖中, 采用硐室加预裂一次爆破成型技术, 既发挥了硐室爆破的优越性, 又克服了爆破振动负效应大的缺点, 爆破振动监测分析表明质点爆速峰值 (PPV) 完全符合新的《爆破安全规程 (GB6722-2003) 》的规定 [2], 有效地解决了这一难题, 对同类工程具有一定的参考价值。

《1 工程概况》

1 工程概况

太长 (太原—长治) 高速公路第十四合同段K62+880～K63+010段为双壁石方路堑, 石方数量大而集中, 开挖工程量为10.5×104 m3, 中心最大挖深23.66 m, 边坡最大开挖高度44.67 m。开挖石方为砂页岩间层, 地质单元为构造剥蚀、侵蚀基岩区, 地形复杂, 沟壑纵横, 出露岩石主要为T2砂岩, 砂质泥岩。岩石为次坚石, 强-弱风化状态, 局部呈强风化状态。地下水埋置较深, 植被较少。K63+054处为冲积沟, 下面是已建好的过水涵洞, K62+844处也是冲积沟, 下面有已修好的滨河4号大桥的桥墩, 每隔50 m一个;爆区后面为山峰, 山峰背侧为很陡的山坡;爆区前面有一条小河, 且距既有榆黄公路200 m, 工程项目部紧靠公路的外侧。这些建 (构) 筑物都需要保护。

《2 爆破方案的选择》

2 爆破方案的选择

根据施工单位提供的地形图, 结合现场勘查, 综合考虑该工程的地形、地质条件, 施工进度要求, 爆破安全, 施工质量和经济效益等多方面的因素, 刘宏刚教授等人参考国内外有关文献, 并根据他们以前的爆破施工实践, 最终决定选择硐室加深孔预裂一次爆破成型的爆破方案 [3]。鉴于地形与环境条件, 当开挖深度大于25 m时, 条形药室分上下两层布置, 层距为16 m, 上层为3#硐室, 属于单壁路堑爆破, 先爆破, 形成上部边坡;再开挖和爆破下层的1#、2#硐室, 属于双壁路堑爆破。在硐室爆破之前, 沿爆破开挖线先进行深孔预裂爆破, 炸出一条5 cm宽的预裂缝, 用来阻断爆破地震波的传播, 保护边坡。设计的平面布置图如图1所示, 主要爆破参数见表1和表2。

《图1》

图1硐室加深孔预裂爆破平面布置图

图1硐室加深孔预裂爆破平面布置图  

Fig.1 Arrangement of chamber & deep-hole pre-splitting blasting

表1深孔预裂爆破主要参数

Table 1 Key parameters of deep-hole pre-splitting blasting

 

《表1》


孔深/m		 孔距/m 不耦合系数
线装药密度/g·m-1		 堵塞长度
/m		 装药结构

底部		 次加强 正常 顶部 平均

随地形变化
8～32		 1.2 3.1 2 004 709 408 167 492 1～1.5 不耦合
间隔装药

 

 

表2硐室爆破主要参数

Table 2 Key parameters of chamber blasting

 

《表2》


药室编号		 断面里程
相对中心距		 药室长度
/m		 药室断面积
/m2		 最小抵抗线
/m		 Kf (n) W/H 装药量/kg

左		 右

1-1		 K62+920 左   12 1.7 14.5 0.7 0.76 1 764

1-2		 K62+920   右 13 1.7 14.5 0.7 0.76 1 911

1-3		 K62+936.5 左   12 1.7 15 0.8 0.77 2 160

1-4		 K62+936.5   右 13 1.7 15 0.8 0.77 2 340

1-5		 K62+952.5 左   12 1.7 15 0.8 0.71 2 160

1-6		 K62+952.5   右 13 1.7 15 0.8 0.71 2 340

2-1		 K63+000 左   12 1.7 12 0.7 0.78 1 212

2-2		 K63+000   右 13 1.7 12 0.7 0.78 1 313

2-3		 K62+985 左   12 1.7 14 0.8 0.67 1 884

2-4		 K62+985   右 13 1.7 14 0.8 0.67 2 041

2-5		 K62+968.5 左   12 1.7 15 0.9 0.65 2 436

2-6		 K62+968.5   右 13 1.7 15 0.9 0.65 2 639

3-1		 K62+910～K62+932.5   右 22.5 1.7 11 0.7 0.77 1 913

3-2		 K62+932.5～K62+955   右 22.5 1.7 12 0.7 0.8 2 273

3-3		 K62+955～K62+975   右 22.5 1.7 14.5 0.8 1.0 3360

 

 

《3 爆破振动测试》

3 爆破振动测试

《3.1DSVM-4C型爆破振动测试仪》

3.1DSVM-4C型爆破振动测试仪

测试采用北京矿冶研究总院研制、生产的DSVM-4C型爆破振动测试仪。该仪器采用高速微处理器为控制核心的四通道振动测试仪, 将4个ZCC-201C型速度传感器输出的电压量或加速度传感器输出的电荷量进行处理, 然后由仪器内的高速12倍A/D转换器将此电压量进行量化并将量化结果保存到存储器内, 可以分区存储10次测试结果;通过RS232标准串行接口与电脑相连, 在电脑上用可视化分析软件进行分析, 输出测试结果。

《3.2测点布置》

3.2测点布置

在爆破振动测试之前, 上层3#条形硐室和深孔预裂爆破已经进行, 上层边坡已形成;下层的预裂孔已爆破形成5 cm宽的预裂缝, 下层1-1, 1-2硐室的试爆也已完成。根据地形条件, 要达到测试预裂缝降震效果的目的, 需要布置两条测线, 各布置4个测点。根据《爆破测试技术》中介绍的有关原则及爆破现场的地形条件, 只能在爆区后面预裂缝外侧的山坡和山顶上布置一条测线 [4], 第一个测点布置在距爆心46.65 m的山坡岩石上, 后面每隔20 m布置一个测点;同时为了比较, 在没有预裂缝的滨河4号大桥处布置一条测线, 第一个测点布置在距爆心92.50 m的桥墩基座上, 后面每隔50 m布置一个测点, 也都布置在桥墩基座上。经过预裂缝后的测点在高程上的布置剖面图见图2。

《图2》

图2硐室加深孔预裂爆破的剖面图

图2硐室加深孔预裂爆破的剖面图  

Fig.2 Section plane of chamber & deep-hole pre-splitting blasting

《3.3宏观观测》

3.3宏观观测

除了用测振仪测量爆破振速外, 还进行宏观观测:对需要保护的边坡、涵洞、房屋和桥墩等建 (构) 筑物进行观测, 并对预裂缝后面一个有裂纹的5 m×15 m的区域进行拍照, 通过爆破前后对比, 确定硐室加预裂爆破对建 (构) 筑物的影响。

《4 爆破振动测试结果》

4 爆破振动测试结果

《4.1测振仪测试结果》

4.1测振仪测试结果

爆破以后, 将测振仪与电脑相连, 读取速度传感器测到的信息, 通过电脑的分析处理, 得到如表3所示的爆破振动测试结果。

表3爆破振动测试数据

Table 3 The vibration testing data of blasting

 

《表3》


测点编号		 预裂缝 爆心距/m 相对于路基
面的高差/m		 最大一段
药量/kg		 最大垂直
振速/cm·s-1		 最大加速度/g 最大位移/mm

测点1		 有 46.65 58.60 26.39 0.170 0.238 0.012

测点 5		 无 92.50 -10 2 639 2.683 0.888 0.247

测点 6		 无 142.50 -10 2 639 2.220 0.464 0.170

测点 7		 无 192.50 -10 2 639 1.255 0.444 0.095

测点 8		 无 242.50 -10 2 639 0.869 0.363 0.101

 

 

《4.2宏观观测结果》

4.2宏观观测结果

通过宏观观测, 得到如下结果:

1) 预裂缝后面已经形成的16 m高边坡没有发生破坏。

2) 预裂缝后面事先选定的5 m×15 m区域里裂纹未扩展, 裂纹条数也没有增加。

3) 已经修好的桥墩、过水涵洞和工程项目部的房屋等建 (构) 筑物没有发生破坏。

《5 爆破振动测试分析》

5 爆破振动测试分析

由于地形条件的限制, 考虑到硐室爆破的装药量较大 (2 639 kg) , 爆破后松动的岩石会沿爆区前方山坡向下面滚动, 个别飞石的飞散距离较远。为了人员和测振仪的安全, 本次测试无法在爆区前部的预裂缝后面布置测点, 只能在爆区后部的预裂缝后面的山坡上布置测点。测定未通过预裂缝的爆破地震波传播及其衰减规律的测点也只能布置在爆区一侧已修好的桥墩上, 以利于保护传感器、测振仪和测振人员的安全。

爆前先根据最大一段装药量, 爆心距, 按照萨道夫斯基公式V=Κ(Q2R)α[5], 选择合适的K, α值, 预先估计硐室加深孔预裂爆破引起的爆破振速, 以便设定测振仪的量程, 做好测定爆破振动的准备工作。在本工程中, 选取K=150, α=1.5, 预先估计硐室加深孔预裂爆破引起的爆破振速。

本次硐室加深孔预裂爆破只有一次爆破, 因此只能做一次测试;并且在施工现场没有装测振仪分析软件的计算机, 无法把测振仪的测振记录方式由只能记录1.25 s的单次测试改变为记录时间更长的连续测试, 因此导致测振仪记录的未通过预裂缝的爆破地震波不完整, 但是仍然记录了最大一段装药量的爆破地震波的波形, 故仍具有重要的价值。

由于测定经过预裂缝传播的爆破地震波的测点布置在爆区后面预裂缝外侧的山坡上, 经过下部预裂缝上层3#条形硐室加单壁深孔预裂爆破已经形成的上层边坡的减震以后, 爆破振动速度已很小, 因此只有测点1处的ZCC-201C型速度传感器测到了爆破振动信号, 后面的3个测点处的振速水平已低于ZCC-201C型速度传感器的触发水平, 未能测到爆破振动信号。

分析图3和图4的振速波形图可知:如果没有预裂缝, 硐室爆破的地震波在距爆心92.50 m处的最大垂直振速达到2.683 cm/s;然而通过5 cm宽的预裂缝以后, 硐室爆破的地震波在距爆心46.65 m处的最大垂直振速仅为0.170 cm/s。由此可见, 5 cm宽的预裂缝使硐室爆破地震波的振速衰减幅度很大。为了准确掌握硐室加深孔预裂爆破的爆破地震波传播及其衰减规律, 进一步分析硐室加深孔预裂爆破的降震机理, 还必须在以后做更多的爆破振动测试工作。

《图3》

图3通过预裂缝传播的振速波形图

图3通过预裂缝传播的振速波形图  

Fig.3 Waveform of vibration velocity propagated by pres-split crack

《图4》

图4未通过预裂缝传播的振速波形图

图4未通过预裂缝传播的振速波形图  

Fig.4 Waveform of vibration velocity not propagated by pres-split crack

《6 结论》

6 结论

通过本次硐室加深孔预裂爆破的振动测试, 得出下面的结论:

1) 预裂缝可以有效地阻断硐室爆破地震波的传播, 获得十分明显的降震效果。

2) 硐室加深孔预裂爆破能够确保高边坡的稳定性, 使边坡不受破坏。

3) 与传统的硐室爆破技术相比, 改进的硐室爆破技术有效地减少了爆破地震效应带来的危害, 满足新的爆破安全规程的要求, 有利于扩大硐室爆破的适用范围, 进一步推广应用硐室爆破技术。