中铁十局集团青岛工程有限公司 山东省青岛市市北区 266000
摘要:京沪铁路扩能改造预裂爆破段,紧挨既有京沪铁路上行线,里程为DK835+020~DK835+840,全长820m,是全断面开挖深路堑。该段爆破环境复杂,爆区距京沪铁路上行线最宽处为110m,最窄处不足50m,距离闵贤村最近点约150m。爆破中,要确保京沪铁路线的正常安全运营,还要做到不捞民、不扰民。跟据既有线爆破的特点和边坡的要求标准,决定采用预裂爆破的方式进行开挖。通过严谨精密的设计和精细化的施工,取得了理想的爆破效果,同时对爆破振动进行监测、统计、分析,得到了该地质条件下预裂爆破振动波的衰减规律,为类似工程提供了重要的参考价值。
关键词:预裂爆破;路堑开挖;既有线;振动监测;振动分析。
作者介绍:穆守强(1977年12月),男,汉族,山东省淄博市张店区,工程师
1.工程概况
京沪铁路扩能改造工程,位于安徽省宿州市闵贤村,紧挨既有京沪铁路上行线,为全断面开挖路堑。路堑边坡最大开挖高度为24.6m,边坡坡度为1:0.75,长约200m为三级边坡,其余大部位二级边坡,边坡设计要求开挖平整、稳定、无超欠挖。路堑中心开挖深度为3.0~26.0m,路堑开挖后,堑底距京沪铁路上行线为20.5m。设计爆破石方量为62.7万方。岩石为结凝灰岩,灰紫色、灰褐色、青灰色,结构致密,块状构造,节理、裂隙不发育,岩质坚硬,岩体完整。爆破区地形较为平缓,起伏不大,利于爆破机械钻孔及爆破施工。
2.预裂爆破施工
该段爆破环境复杂,爆区距京沪铁路上行线最宽处为110m,最窄处不足50m,距离闵贤村最近点约150m,是整个工程的难点。爆破中,要确保京沪铁路线的正常安全运营,还要做到不扰民。综合考虑,决定采用预裂爆破的方式进行开挖。同时对爆破振动进行检测和分析,以求达到最优化的爆破参数。
2.1预裂爆破设计参数
钻孔机械用90mm的钻头成孔,故预裂孔直径为90mm。
(1)预裂孔距 a=(10--12)d=0.9—1.08m,取a=1.0m。
(2)预裂孔深 L=h/sinα,式中:h—路堑阶梯高度;α—边坡倾角。
(3)线装药密度 Q线=1/4000*πd2*p0/m2=0.804kg/m;式中:d—炮孔直径 mm;p0——2#岩石乳化炸药密度1.0g/cm3;m—不耦合系数90/32=2.813(2#岩石乳化炸药,直径32mm,),每米装药4管,每管炸药净重200g,,线装药密度800g,故取Q线=0.8kg/m,符合设计要求。
因为炮孔底部岩石抵抗线最大,受到的夹制力也最大,所以在炮孔底部1m范围内装填2-3倍设计药量。为了防止孔口破坏,在装药顶部1m-1.5m范围内采用1:1间隔装药,以减弱装药量。孔口1.5m左右进行装填堵塞。预裂孔装药结构见图1所示。
图1 装药结构示意图
2.2预裂孔装药布置
采用预裂爆破开挖边坡时,从预裂孔至临空面共布置5排炮孔,在预裂孔前钻一排缓冲孔,前面3排为主炮孔,预裂孔最先起爆,依次第一、第二、第三排主炮孔,最后缓冲孔起爆,采用排间毫秒延时起爆法。第一排主炮孔处理根底,炮孔深度2.5m,共35个炮孔,共装药210 kg;第二排主炮孔深8m,共35个,共装药1050kg;第三排主炮孔深5m,共40个,共装药480kg;第四排缓冲炮孔深10m,共68个,中间用空气袋隔开,共装药1224kg;第五排预裂孔深10m,共102个,共装药791kg。炮孔布置示意图如图2所示。主爆孔的装药参数采用常规的方法进行设计,不作详述。
图2 预裂爆破边坡炮孔布置示意图
2.3预裂孔网络连接
按照相关爆破理论,同时起爆同一预裂面的预裂孔,预裂效果最好。但在施工中,为避免过大的爆破振动对边坡的影响,预裂采用分组爆破,本段预裂孔用导爆索10个连成一组,各组之间用非电毫秒导爆管雷管引爆,预裂孔先于前排主炮孔起爆时差不少于200ms。其他炮孔采用6孔一响, 孔内用9段毫秒延期导爆管雷管,孔外用5段连接实现微差延期爆破,布孔参数及连线方式如图3所示。
图3 爆破网络连接示意图
2.4注意事项
(1)预裂炮孔及其他炮孔连接完毕后,用炮被和沙袋对炮孔进行覆盖防护,防止爆破飞石飞溅。
(2)采用导爆管雷管连接爆破网路时,注意导爆管雷管采用反向连接,绑扎牢固。用导爆管雷管和各孔内引出的导爆索连接时,搭接长度不小于15cm。必须连接紧密,搭接头对准传爆方向。
(3)预裂孔口填塞时,注意先用草团把药串的上部堵住,防止填塞物流入炮孔,然后用石屑粉末填塞结实。
3爆破效果
3.1观察爆后效果
本次爆破经过精心实施,严格控制起爆药量和孔网参数,爆破及开挖后,观察到爆破效果如下:
(1)在岩体上形成明显贯通预裂缝,宽度≥3cm;
(2)残留炮孔痕迹明显并在开挖断面上分布均匀,半孔保留率最高达95%,最低也能达80%;
(3)炮孔与炮孔之间的岩石较为完整,残留孔壁没有明显的爆震裂隙,超欠挖控制在±15cm左右。
从爆后观察分析,达到了非常理想的预裂爆破效果。
3.2预裂爆破振动监测结果分析
爆破前设置好检测仪器,测点至爆区距离为25m,爆后一个测点的振动速度波形如图4所示,预裂孔爆破时振速最大,爆破振速为3.88cm/s;依次是主炮孔、缓冲孔。主炮孔爆破时,振速迅速下降,降至1.26cm/s,说明预裂爆破能有效的减弱爆破振动的作用。
预裂孔
缓冲孔 主炮孔
图4 爆破1#测点的振动速度波形
在本项目共进行七次预裂爆破试验,现将振动速度进行统计分析,从各方向的爆破振动速度、测点至爆源的距离、单响药量和测点与爆区中点的高程差进行统计,得到表1所示的结果。
表1 预裂爆破振动监测一览表
序号 | 测点号 | 垂向 cm/s | 径向 cm/s | 横向 cm/s | 矢量合速度 cm/s | 距离 m | 单响药量 kg | 高程差 m |
1 | 1# | 2.31 | 2.80 | 0.88 | 3.23 | 45 | 13 | 5.5 |
2# | 1.48 | 1.86 | 0.89 | 2.13 | 50 | 13 | 8 | |
2 | 1# | 0.45 | 1.35 | 0.90 | 2.03 | 35 | 15 | 5 |
2# | 0.41 | 2.05 | 1.11 | 0.67 | 55 | 15 | 10 | |
3# | 0.83 | 0.53 | 0.67 | 0.86 | 85 | 15 | 10 | |
3 | 1# | 1.94 | 1.05 | 0.99 | 2.20 | 48 | 13 | -5 |
2# | 0.43 | 0.63 | 0.38 | 0.64 | 97 | 13 | -11 | |
3# | 0.28 | 0.44 | 0.19 | 0.45 | 120 | 13 | -16 | |
4 | 1# | 3.86 | 5.03 | 3.23 | 6.81 | 30 | 18 | 13 |
2# | 2.57 | 3.52 | 2.89 | 4.00 | 40 | 18 | 20 | |
3# | 1.31 | 1.84 | 0.58 | 1.88 | 60 | 18 | 50 | |
5 | 1# | 4.18 | 4.05 | 2.75 | 5.2 | 25 | 19 | 10 |
2# | 1.27 | 1.14 | 1.38 | 1.98 | 45 | 19 | 20 | |
3# | 1.03 | 1.38 | 1.08 | 1.55 | 90 | 19 | 76 | |
6 | 1# | 4.29 | 4.43 | 1.67 | 4.98 | 38 | 12 | 3 |
2# | 1.28 | 1.89 | 0.85 | 1.83 | 60 | 12 | 4 | |
7 | 1# | 5.97 | 2.47 | 4.75 | 6.17 | 50 | 29 | 6 |
2# | 12.4 | 6.16 | 6.35 | 12.6 | 50 | 29 | 20 |
通过上表的数据和采集到的预裂爆破时振动波形分析,预裂爆破具有以下共同特点。
(1)预裂爆破的起爆顺序是:首先预裂孔,然后为主炮孔,最后为缓冲孔,各孔段爆破的振动峰值都一目了然,非常清晰。
(2)爆破振速最大的往往发生在预裂孔爆破时,但也有个别主炮孔爆破出现最大峰值,预裂孔爆破是在岩石较大夹制作用下进行强抛掷爆破,夹制力使爆破产生的地震波更多向岩体内部传播,造成边坡的岩石较强振动。虽然预裂孔爆破采用不耦合装药和分段装药,降低了装药量,但预裂孔爆破的临空面条件非常差,炮孔只有一个非常小的临空面,因此预裂孔是爆破振动最大峰值高频出现的最主要部位。个别主炮孔爆破出现最大峰值的原因:一是单段爆破药量过大,这说明爆破药量是影响振速最主要的因素;二是由于岩石节理性质的作用,水平层状岩石阻隔振动波垂直方向传播,使振动波损耗大,衰减快,传播距离近,让最大峰值就出现在最大单段药量处。
(3)缓冲孔爆破振动最小,在波形图上也能较明显的反映出来,原因是预裂孔和主炮孔先起爆,最后是缓冲孔,为缓冲孔创造了较好临空面,地震波迅速释放有关。
3.4爆破振动衰减分析
根据萨道夫经验公式v= 和分析表1的数据,得到该段预裂爆破振动速度回归规律,回归结果如图5所示。从而确定在该地质条件下,预裂爆破的振动衰减规律系数K=220,α=1.57,该数据可做为后期的爆破施工设计的预测参考值,辅助爆破设计。
图5 预裂爆破振动衰减规律
4结论
通过边坡预裂爆破得到如下结论:
1、减少了边坡受爆破振动的影响,增强了边坡的安全稳定性,有效的降低了露天台阶的安全隐患;2、改善了机械施工作业条件,节约了清理边坡的成本,提高了生产功效。特别是在石质高边坡、深基坑等爆破环境复杂、爆破振动要求高的工程施工中,优越性更加明显突出;
3、保证了边坡的设计轮廓的完整,大大的降低了超欠挖,从而减少了开挖断面的工程量,直接经济效益较为可观。
4、预裂爆破对主爆破孔有明显的减振作用,预裂爆破产生的预裂缝能使主炮孔爆破振速降下降30~40%。
5、该段预裂爆破振动衰减公式中K取220,α取1.57,可为类似工程设计提供参加依据。
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