爆破技术在南水北调中线总干渠工程开挖中的应用

王金英，杨玉银

(中国水利水电第五工程局有限公司，四川成都 610066)

1 工程概况

南水北调中线一期工程黄河苏门山石质渠段位于河南省辉县市百泉镇境内的太行山脉东麓冲洪积扇上，总干渠贯穿苏门山，自苏门山最高处向下开挖，属全岩石边坡开挖渠段。开挖总长度1 100m，最大开挖深度达42m，石方爆破开挖量大，达100余万m3，边坡预裂爆破总面积为26万m2。

苏门山总干渠段环绕历史名镇——百泉镇，穿越大艺风光园景区、百泉风景区和百泉林场，毗邻部队营区驻地和百泉村居民区，部分民房距总干渠仅25m，紧邻渠道右岸施工便道有一平行于干渠方向的通信电缆。爆破区周边环境复杂，对石方爆破作业影响很大，对精确控制爆破技术要求较高。苏门山总干渠环境情况见图1。

图1 苏门山总干渠段周围环境示意图

苏门山总干渠石质段渠坡岩性主要为奥陶系灰岩、白云质灰岩，灰岩中裂隙比较发育，裂隙走向以60°～80°最发育，发育密度一般为6～13条/m，裂隙面粗糙，多为方解石追踪充填。上部1～3 m左右灰岩多为强风化，岩体较破碎，下部灰岩为弱～微风化，岩体相对完整，灰岩中溶蚀现象较发育，多形成溶洞。

渠道一级～四级边坡系数均为1∶0.4，五级边坡为1∶0.7，渠道开挖边坡左侧呈顺层开挖，对边坡稳定不利，给采用高临空面分级坡面预裂爆破一次成型增加了很大的难度。

2 爆破设计

2.1 爆破设计方案

在苏门山石方开挖控制爆破设计中，遵循“纵向分段、竖向分层、边坡预裂、台阶爆破”的施工原则，严格控制爆破开挖效果，确保了渠道岩质渠坡的安全及建基面开挖质量。施工中严格按照设计要求和质量标准控制施工质量，采用深孔微差台阶爆破、预裂爆破、缓冲孔爆破等控制爆破方法，确保了边坡和保护层的精确开挖。渠道开挖分层情况见图2。

为了确保开挖安全，委托武汉理工大学对爆破设计试验段爆破施工进行了全程爆破震动安全监测。通过对爆破震动监测数据进行分析优化，为主爆区大面积爆破开挖提供可靠的技术参数。

2.2 参数设计

2.2.1 主爆区台阶爆破参数设计

炮孔孔径:依据台阶高度和钻机性能确定钻孔直径d=110mm。

台阶高度H:根据渠道工程分级边坡设计要求，取8m。

图2 苏门山渠道开挖示意图

钻孔超深h:取h=1m。

钻孔深度L:取L=9m。

主爆孔孔网面积S:根据经验，取孔距a=3 m、排距 b=2.5m，因此，孔网面积 S=7.5m2。

炮孔填塞长度l:因爆区周边情况复杂且单次爆破装药量较大，所以，对爆破产生飞石的控制要求较高。根据国内一般炮孔填塞长度经验公式:l=(20～30)d。结合本工程实际装药情况取2～3 m，填塞采用比例为4∶6的砂、粘土混合物。

底盘抵抗线W:底盘抵抗线是影响台阶爆破效果的主要参数之一，过大的底盘抵抗线会造成根底、大块率高、后冲作用大;过小则易产生飞石危害。根据钻孔直径确定:W=kd。式中:k为系数，取32～40。本工程取 W=3～3.5m。

炸药单耗q:根据本工程岩石性质及节理裂隙发育情况，同时考虑到安全需要，以松动爆破为主，炸药单耗取 q=0.35kg/m3。

单孔药量Q:单孔装药量可按体积公式计算。Q=qabH。式中:Q为单孔装药量，kg;q为单位耗药量，0.35 kg/m3;a为孔距，3m;b为排距，2.5 m;H为台阶高度，8m。最终得出Q=21kg。

2.2.2 边坡预裂爆破参数设计

钻孔直径d:根据现有施工设备，钻孔直径取d=90mm，采用φ32乳化炸药进行装药，在主爆孔与预裂孔之间设缓冲孔，以减小主爆孔对预裂面的损坏。

孔深L1与孔距a1:由于每层预裂深度与台阶高度相同，同时考虑到坡面坡度，取预裂孔孔深L1=8.6m。孔距依据公式a1=(7～12)d计算，并结合以往同类岩石爆破经验取a=0.9m。

药卷直径按不耦合系数d/d1＞2取值(d1为药卷直径)，本工程取直径为32mm的乳化炸药，不耦合系数为3.44。

线装药密度计算:在我国，以长江科学院等单位提出的半经验、半理论预裂爆破装药量计算公式得到广泛运用，其公式为:Qx=K［σc］α［a］β［d］γ。式中:Qx为预裂爆破的线装药密度，kg/m;σc为岩石的极限抗压强度，MPa;K、α、β 和 γ为经验系数。

本工程岩石的极限抗压强度根据GB50021—2001国家标准以及试验检测得出σc=60MPa、炮孔间距a=0.9m、炮孔直径d=0.09m，最终得出 Qx=0.460kg/m。

2.3 起爆网路设计

(1)起爆网路采用塑料导爆管毫秒微差起爆网路。塑料导爆管接力起爆系统既可提高单次爆破规模，同时又能降低单段药量，进而达到控制爆破震动有害影响的目的。

(2)由于主爆区单次起爆量大、临空面高，为避免飞石对被保护物造成损坏，网路联接形状设计为梯形，起爆顺序逐段逐层起爆，岩石塌落临空面为三面倒塌设计(图3)。

图3 起爆网路布置图

通过精细设计爆破网路，控制了爆破震动的影响，确保了岩体开挖轮廓面的成型质量，保证了新浇筑混凝土和新灌注砂浆锚杆的安全。

3 爆破质量控制

苏门山石质段边坡预裂爆破控制是确保开挖质量和形象进度的关键环节，施工过程中分别从技术参数、施工控制、质量检验几个方面采取了全面细致地控制措施。

(1)在准备进行钻孔作业的区域，先对工作面进行平整、清理和找平。在预裂孔边线2m范围内，将大面平整度控制在20cm以内，表面浮渣清除干净;将其他梯段孔部位平整度控制在50 cm以内。

(2)在找平清理合格之后，由测量人员按照爆破设计的要求进行测量放样，准确放出每个周边预裂孔的孔位和高程，并用红油漆在基岩上做好标记，对每个预裂孔均进行统一编号。中间梯段主爆孔由测量队放出有代表性的控制点和高程，然后由技术人员根据爆破设计所规定的孔的间、排距，用皮尺或卷尺测放，孔位同样用红油漆作好明显的标记。

(3)严格控制爆破孔质量，预裂孔孔位偏差小于5cm，倾斜角度偏差小于0.5°;主爆孔孔位偏差小于20cm，最大倾斜角度小于1°。现场施工采用“定点、定向、定角度”三个方面进行控制。

(4)依据爆破没计，严格按照设计要求控制装药量和装药结构。所有的预裂药卷必须用导爆索串联后绑扎在竹片上。经质检员验收合格后才能放入预裂孔中。

4 爆破安全控制

4.1 飞石控制

为控制爆破飞石，施工中采用了降低药量、改变抵抗线、加强堵塞质量等手段，并对炮孔采取专用防护炮被进行安全防护。

从现场施工环境可以看出，部队营区驻地距离爆区较近，周围几处民房也在警戒区域范围内，现场环境很复杂。根据现场情况，结合《水工建筑物岩石基础开挖施工技术规范》(SL47－94)以及一般水工边坡开挖控制要求，台阶爆破的最大一段起爆药量不超过300kg。为了保证周围建筑物的安全性，在施工过程中，爆破最大单段药量按200kg进行控制，从而使爆破飞石得以控制。

4.2 爆破震动安全监测

为了有效地控制爆破对渠道边坡以及周边建筑物的影响，通过对爆破过程震动的跟踪监测并进行数据分析，达到了改进爆破质量和控制爆破安全的目的。

在渠道苏门山段三级马道以下部分的岩石开挖爆破测震中，在邻近马道上布置了震动监测点，监测爆破对附近边坡混凝土的震动影响，监测数据见表1。根据文献［4］，将本工程爆破振动允许安全振动速度确定为［v］=2.3 ～2.5cm/s。通过现场监测结果可以看出，本地区爆破对邻近建筑物的震动速度均在爆破振动安全允许范围内。

表1 渠道爆破震动速度监测数据表

5 爆破效果

通过采取一系列措施，南水北调辉县苏门山石质总干渠段工程爆破取得了成功，在爆破过程中，未对周围民房及其他建筑物造成不良影响。

从现场爆后情况看，出现的大块率较低，未留根底石梗，爆堆集中，飞石距离控制在允许范围内;预裂爆破形成的裂缝面贯通顺直，开挖轮廓面半孔率达到90%以上，两相邻残留爆破孔间的不平整度小于15cm，无裂隙张开、错动及层面抬动现象，预裂爆破效果见图4。

6 结语

(1)作为南水北调重点工程，苏门山总干渠石质段渠道爆破的复杂性和质量的重要性对工程施工中的爆破设计、施工方案提出了严格要求。在工程整体爆破施工前，先后多次在不同石质段开挖点进行了小规模爆破试验，通过对试验数据进行分析后制定出了科学可靠的方案。

图4 预裂爆破开挖效果图

(2)在施工中，针对爆区的环境条件，对爆破飞石和爆破震动等爆破危害进行了重点控制，先后多次对临空面的选择、炮孔的堵塞、起爆网路的布置、测震点的布置等进行了改进，为之后的爆破参数优化提供了依据，确保了渠道边坡和保护层的精确开挖质量。

(3)在施工程序及施工方法、资源配置等方面，均密切结合现场实际情况，及时根据现场实际情况调整了施工方法、优化了资源配置并做出了科学合理的筹划及组织，解决了施工难题、减少了施工干扰、满足了施工要求。

［1］张正宇.水利水电精细爆破概论［M］.北京:中国水利水电出版社，2009.

［2］水工建筑物岩石基础开挖工程施工技术规范，DL/T5389－2007［S］.

［3］唐飞勇，胡 锐，赵明生，等.双因素判据在爆破地震监测中的应用［J］.爆破，2008，25(2):89 －91.

［4］爆破安全规程，GB6722—2003［S］.