浅谈基坑石方爆破施工工艺

浅谈基坑石方爆破施工工艺

 张加生 吴耿嘉

中国能源建设集团天津电力建设有限公司  天津  300180

摘要：爆破作业临近老厂区，居民区等老旧建筑物及高速公路。需从钻孔深度、钻孔角度、炸药用量、采用分段爆破等方面严格控制振动、飞石和冲击波等爆破有害效应，确保周边厂房、民房、储油罐不被损坏。且爆破施工过程中要控制粉尘、噪声等环境有害因素，以满足当地环境保护相关法律、法规要求。

关键词：爆破 炸药量 振动频率 放坡 预裂

1 引言

本文根据巴基斯坦贾姆肖罗电厂厂区内铁路、卸煤沟基坑爆破，临近高速公路、居民区等特点。为防止爆破振动频率过大及飞石破坏临近建筑物、基坑边坡放坡爆破易产生大量飞石，对爆破施工所需炸药用量、钻孔角度及爆破振动频率控制进行探讨。

2 工程概况

贾姆肖罗火电厂位于巴基斯坦第一大城市卡拉奇东北17Okm的贾姆肖罗镇。该发电厂原有四台发电机组，目前已运营近30年。贾姆肖罗火电厂拟在原厂区南侧新建2台660MW超超临界燃煤机组，涉及建构筑物基坑和输煤铁路路堑等石方爆破开挖。厂区内爆破岩土均为孔隙状石灰石，爆破振动频率过大，或者飞石控制不当都会成老厂建、构筑物损坏。

3 施工技术措施（简要介绍）

以本工程卸煤沟基坑爆破为例，采用中深孔爆破与浅孔爆破相结合的方式施工：爆破前，先对覆土层进行清理，形成平整的工作面；放出基坑边线，在基坑中线位置进行掏槽爆破，为后续台阶爆破形成自由面；采用微差起爆网路（见下图）；建基面炮孔底部回填柔性材料，保护建基面，防止超挖；涉及到开挖轮廓面的部位，采取小孔径、密集孔、弱装药、布排孔结合预裂爆破。

结合现场石灰石岩土层特性，通过调整钻孔、炸药量的使用等控制振动、飞石和冲击波等爆破有害效应，确保周边厂房、民房、储油罐的安全，爆破施工过程中应将粉尘、噪声等环境有害因素控制在合理范围内。

3.1钻孔

本案爆破岩土质为石灰石，岩土孔隙率大，密度不均匀。每个区域爆破均经过试爆，确定爆破炸药用量。以满足基坑边坡稳定性和平整度、振动频率等要求。本案基坑开口面积大于100㎡且深度在7米范围内的基坑石方开挖主要采用潜孔钻机进行钻孔，孔径90mm；开口面积小于100㎡且深度在7米以上的基坑石方开挖主要采用手风钻进行钻孔，孔径40mm。

在爆区后方设置预裂孔爆破，可在主爆区与后部形成间隔，阻断或降低向爆破区域后部传播的应力波强度，进而实现降低爆破震动的目的。预裂孔按照基坑开挖放坡尺寸，炮孔顺基坑放坡位置布置。大于12米深度的炮孔分两层钻孔（如下图）

试爆后总结出的爆破数据

7m孔深范围内：

7m-12m孔深范围内

预裂孔试验数据

3.2 装药控制

为保证炸药量准确无误，采用间隔装药的方法由人工装药。如下图

爆破作业前，现场对施工区域进行封闭，钻孔后将孔口封堵，防止湿气进入钻孔。装药由爆破员严格按试爆数据进行施工，严禁多装药。起爆药包与导爆索联接牢固，防止脱落，确保起爆药包能可靠引爆炸药。填塞前检查填塞长度是否在设计范围内，填塞材料就地取材采用岩粉，爆破孔内没填塞一种材料都要用标杆测量深度，根据孔径及填塞高度计算炸药的实际使用量是否与计算值相符。保证填塞质量。填塞过程中，保护雷管脚线不损坏。如炸药实际用量大于计算量，说明爆孔内岩石孔隙过大，必须按照原计算量装药。以控制飞石和振动频率。

爆破后由爆破员和技术人员进行检查，确保无盲炮，飞石和爆破振动等有害效应控制在设计范围内，并针对每一次爆破后的效果进行对比、分析，总结出最优孔网参数，以确保爆破效果。随时根据上述爆破数据对不同岩土区域装药量进行调节。

3.3 爆破振动及预防措施

爆破产生振动影响的主要因素一是爆破药量大小，微差分段爆破中决定振动大小的药量是最大单响药量；二是爆炸地震波传播地区的地质条件；三是振动保护对象与振源的位置距离。

主要决定因素：药量；距离；地质地形条件。其他影响因素：炸药性能；药包埋置深度；装药结构；岩性和岩体结构；

按照爆破振动速度控制标准和质点震动速度计算公式确定单响药量，确保爆破震动速度控制在安全范围之内。

对于主要类型的建(构)筑物，地面质点安全振动速度的控制标准见下表。

爆破振动衰减规律公式：

Q=R3（V/K）3/a

式中：

Q——最大一段起爆药量(kg)；

R——构筑物至药包中心距离(m)；

V——质点振动峰值速度(cm/s)，取值按建(构)筑物地面质点安全震动速度

规定，按上标查取，本项目爆破振动速度一般不超过2cm/s；

K——为速度衰减规律中的常数，本项目取值200；

α——为速度的衰减指数，本项目取值1.6。

3.3.1 爆破振动预防措施

采用毫秒延期导爆管雷管，微差爆破起爆技术，通过测算严格控制单响最大药量，控制起爆顺序、起爆间隔时间，合理选择自由面方向；

爆破区域附近有需要保护的目标如就厂房、设备时，在爆区后方设置预裂孔或减震沟，可在主爆区与后部形成间隔，阻断或极大降低向爆破区域后部传播的应力波强度，进而实现降低爆破振动的目的；

采用不耦合装药结构进行装药；

爆破前及时清理好临空面，并严格控制爆区底盘抵抗线大小；

进行爆破振动监测，为参数调整和安全评估提供科学的数据资料；

安全距离内范围内若有精密仪器设备等，在爆破前将其挪至安全距离范围外；

设备安全距离内采用机械破碎方式进行开挖。

结合美国、德国等发达国家的标准（如下）综合取值，控制振动频率。

美国USBM和OSMSE安全标准中把介质质点振动看作是简谐运动,其谐振速度为:

        v= 2π A f                （1）

式中,v为质点振动速度,m/s;

    A 为质点振动幅值,m;

    f为质点振动频率,Hz。

     当结构体受到扰动开始振动时,由弹性力学理论有:

           σ= Eε                      (2)

式中,σ为爆破振动在结构体中产生的应力,MPa; E为结构体的弹性模量;ε为结构体产生的应变。

        根据波动理论,有:

           ε = v/c,          (3)

式中,c为爆破振动波的传播速度。

        根据式 (2)和式 (3),可以得到应力与质点振动速度的关系为:

         σ = Ev/c   σmax = Evmax /c      (4) 

爆破振动作用下在结构体内产生的动态应力,直接造成结构的破坏,破坏程度取决于最大应力。而最大应力与爆破的峰值振动速度具有直接联系,在特定结构中，爆破振动破坏程度则完全取决于峰值振动速度。

德国爆破振动安全标准(DIN4150)是将建(构)筑物划分为3类,如下表所示,并且综合考虑了爆破振动速度峰值和振动频率对建(构)筑物的共同影响,制定出了不同频率带内的爆破振动速度控制标准作为安全判定依据。

3.3.2 爆破飞石及预防措施

爆破飞石是本工程爆破主要的有害影响，也是爆破警戒距离确定的主要指标。为保证爆区周围的建筑物、设备设施和人员的安全，爆破应严格控制飞石，爆破飞石距离以下公式计算：

RFMAX=KQD

式中：RFmax ——飞石的飞散距离，m；

KQ ——安全系数，取 KQ=15～16；

D——炮孔直径，cm。

根据上述公式，孔径9cm的深孔台阶爆破飞石飞散距离为135m，孔径4cm的浅孔台阶爆破飞石飞散距离为60m，本项目的爆破安全警戒距离取200m。产生爆破飞石的主要原因包括前排抵抗线不足、填塞质量差、爆破区域整体单耗过高等。针对以上三个方面，制定相应的措施，可以有效控制飞石产生，具体如下：

加强爆破施工准备，清理台阶表明孤石及破碎体；

根据前排抵抗线长度，制定前排炮孔装药结构与装药量，控制前排岩体抛掷距离，必要时根据实际地质和临空面情况调整装药结构和装药量；

确保足够的填塞长度（不得小于最小抵抗线）和填塞质量，抑制冲孔发生；

合理设计起爆网路，控制起爆方向、合理选择自由面方向，爆破抛掷方向应朝向空旷区域或者山体方向，避开被保护对象；

加强施工质量监督，控制单孔药量、单响药量和一次爆破起爆药量；

起爆前，爆破方向上的所有人员必须撤离到300m以外，机械必须撤离到200m外，其他方向的人员必须撤离到200m 以外，机械必须撤离到100m外。

对不能或不便撤离的设施设备应避开起爆方向，必要时并利用地形遮挡，或采用竹片席、铁丝网和沙袋等进行主动或被动遮盖防护；

加强爆破警戒，每次爆破均根据实际情况对爆破飞石、冲击波可能危及到的范围进行预测并实施警戒，各道口设置警戒哨卡，派专人值守，尤其是需将安全范围内民居，厂房中的人员撤离至安全警戒范围之外。

3.3.3 爆破冲击波防护措施

本工程每次爆破都严格控制爆破用药量，而且采用分段微差爆破，保证堵塞质量，并且午休和晚上不进行爆破，因此本工程在警戒范围200m 之外空气冲击波不会造成对建筑物与人员的伤害。对于警戒范围内建筑物等防护措施：

采用毫秒延期导爆管雷管，微差爆破起爆技术。通过控制单响最大药量，控制起爆顺序、起爆间隔时间，降低冲击波产生危害；

选取合理的最小抵抗线方向和大小，优化爆破参数，改进装药结构(如采用空气间隔分段装药、垫层装药和不耦合装药等)，确保填塞高度和质量等，使每个药包的爆炸能量都得到充分利用；

严禁采用裸露药包爆破。

4、结论

钻孔深度依据土方开挖图纸确定，根据岩土钻孔取出的岩土情况，确定爆破区域的地质情况，结合地勘报告，开孔深度在爆破前进行微药量试爆，以确定爆破所需的炸药量。爆孔深度不得大于自由面高度，如自由面高度不能满足爆破面要求，则先爆破出自由面。

钻孔角度依据基坑放坡要求设定，大面积基坑爆破一般采用垂直钻孔即可满足爆破要求。边坡爆破必须预裂，可有效保证基坑的设计坡度、坡向、表面平整度及边坡的整体稳定性，预裂孔的角度与基坑设计边坡相同即可。

装药量的确定不能单独依据地勘报告数据，装药前必须对爆破钻孔取出的岩土核对是否与地勘报告相符，并在装药过程中全程测量装药深度与装药量是否与计算药量有偏差。此为爆破工作的重点，如药量过大飞石量、飞石距离、爆破振频、粉尘量都会加大，势必会对临近老旧建筑物造成不可逆转的损坏。

如一次开孔深度大，爆破振频不可控时。可采取分段爆破，通过减少装药量，控制振频、飞石。分段爆破需加大基坑上口，留出钻机作业面。缺点：预留作业面，增加爆破工作量，损失工期。如爆破作业附近无影响建、构筑无，钻机钻杆长度能满足爆破要求，可不考虑此项。

每次钻孔的深度、装药量、振动频率及飞石情况都要做好监测数据记录，对记录的数据进行对比，随时根据监测数据和公式计算调整装药量。将岩土层孔隙、密度不均匀对爆破造成的影响降到最低。

参考文献：

巴基斯坦贾姆肖罗现场土方开挖图纸；

《巴基斯坦贾姆肖罗现场岩土勘察报告》；

《爆破安全规程》6722-2014；

《民用爆炸物品安全管理条例》。

德国标准《建筑物振动.第1部分:振动参数预测》DIN4150-1-2001

《用钻套法-美国矿务局(USBM)钻孔变形计现场测定岩石质量的标准试验方法》ASTM D4623-2008

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